Inconel 718: A Superliga Definitiva para Manufatura Aditiva

Nossa série de posts no blog Ciência dos Materiais apresenta materiais de fabricação comumente usados, suas propriedades e outras características relevantes. Este post analisa o material preferido para manufatura aditiva Inconel 718, explorando as propriedades e aplicações aditivas comuns desta superliga baseada em níquel.

O que é Inconel?

Inconel é considerado uma "superliga". No rescaldo da Segunda Guerra Mundial, o termo superliga surgiu para descrever um grupo de ligas de alto desempenho desenvolvidas para estender a vida útil de componentes de aeronaves expostos a calor extremo.

Este revestimento de combustão feito para um OEM aeroespacial foi fabricado aditivamente com Inconel 718.

Ligas são uma mistura de metais combinados para alcançar uma superbllenda de características metálicas, como resistência e resistência à corrosão. Superligas — também conhecidas como ligas de alto desempenho, ligas resistentes ao calor ou ligas de alta temperatura — são materiais pilares para várias indústrias como aeroespacial, petroquímica, automobilismo e petróleo e gás.

Inconel 718, que escalou para produção em massa em 1965, é um material de trabalho bem conhecido, níquel-cromo, para a indústria de manufatura aditiva. Resumindo o Ciclo de Carnot, ou o ciclo de motor térmico mais eficiente, combustão mais quente resulta em eficiência energética. Eficiência energética resulta em eficiência de combustível.

É por isso que superligas, como Inconel 718, são tão críticas para designs eficientes e econômicos. Sua estabilidade em ambientes extremos e capacidade de permanecer resistentes à corrosão, fluência e choque térmico, as tornam candidatas ideais para a indústria aeroespacial.

Este gráfico mostra resistência específica de materiais de alto desempenho. Imagem cortesia de laserchirp.com

Esta superliga níquel-cromo-molibdênio é usada em componentes de seção quente de pás de turbina, sistemas de dutos e sistemas de escape de motor. Na verdade, 50% dos materiais usados em motores de aeronaves e foguetes são superligas baseadas em níquel.

Inconel 718 e ligas similares também são encontrados em aplicações não aeronáuticas e de foguetes. Plantas químicas e petroquímicas (vasos, bombas, válvulas, tubulações), usinas (turbinas a gás industriais), submarinos (pás de hélice, acoplamentos de desconexão rápida, motores de propulsão auxiliares), reatores nucleares (tubos de trocador de calor, conexões) e a indústria de petróleo e gás (tubulares de poço, hardware de cabeça de poço, lanças de queima) contribuem para o uso de fabricação e produção de Inconel 718.

Aplicações criogênicas também usam Inconel 718 devido à sua capacidade de resistir à fratura frágil em temperaturas muito baixas.

Inconel vs. Titânio vs. Aço

Como mostrado no gráfico acima, à direita, ligas baseadas em níquel como Inconel 718 podem ser o candidato de material certo sobre titânio ou aço quando se trata de desempenho em ambientes de temperatura severa. Camadas protetoras oxidadas em ligas baseadas em níquel aumentam ainda mais o desempenho mecânico. As tabelas abaixo listam as propriedades de Inconel 718, aço inoxidável e titânio. Mais detalhes sobre todos os nossos materiais na Protolabs podem ser encontrados em nosso Guia de Comparação de Materiais.

PROPRIEDADES DO INCONEL 718 ADITIVO

CONDICIONAMENTO	UTS	LIMITE 0,2%	ALONGAMENTO (%)	DUREZA (HRC)
Como construído (ASTM F3055)	140 ksi	95 ksi	35	31
Tratamento de Solução e Envelhecimento (AMS 5662)	207 ksi	175 ksi	18	46
Tratamento de Solução e Envelhecimento (AMS 5664)	208 ksi	170 ksi	21	45

PROPRIEDADES DO AÇO INOXIDÁVEL 17-4 PH ADITIVO

CONDICIONAMENTO	UTS	LIMITE 0,2%	ALONGAMENTO (%)	DUREZA (HRC)
Tratamento de Solução + H900 (AMS 5604)	195 ksi	175 ksi	10	42

PROPRIEDADES DO AÇO INOXIDÁVEL 316L ADITIVO

CONDICIONAMENTO	UTS	LIMITE 0,2%	ALONGAMENTO (%)	DUREZA (HRC)
Alívio de Tensão (ASTM F3184)	92 ksi	70 ksi	60	95

PROPRIEDADES DO TITÂNIO/Ti6 AL-4V ADITIVO

CONDICIONAMENTO	UTS	LIMITE 0,2%	ALONGAMENTO (%)	DUREZA (HRC)
Alívio de Tensão (AMS 2801)	180 ksi	165 ksi	8	42
Alívio de Tensão (PRLB)	143 ksi	127 ksi	14	35

Onde a Manufatura Aditiva se Encaixa

Obter designs desejados com Inconel não aditivo pode ser desafiador. Ou seja, o desempenho do componente pode sofrer quando métodos de fabricação tradicionais são usados, pois podem impactar atributos de desempenho mecânico como corrosão em alta temperatura e resistência à fluência. Uma etapa de recozimento também é necessária no início de qualquer processo de usinagem, forjamento ou soldagem. A manufatura aditiva de Inconel 718 mostrou que as propriedades mecânicas não são sacrificadas, e podem até exceder as propriedades de peças fundidas ou forjadas.

A indústria aeroespacial, e empresas como GE Aviation, já estão produzindo peças fabricadas aditivamente para motores a jato de aeronaves. Liberdade de design, redução de peças e eficiência da cadeia de suprimentos colocam componentes aeroespaciais fabricados aditivamente no centro das atenções quando economia de combustível e custo são finalmente alcançadas.

Um artigo de 2017 apresentado em uma conferência do Institute of Physics (IOP) sobre ciência de materiais e engenharia relatou que várias aplicações criogênicas de superliga aditiva também estão usando manufatura aditiva. Tubos e cascos, sistemas de suspensão e suporte criogênicos, estruturas para impulsores ou bombas, hastes de válvula, tubos de resfriamento, heat pipes, designs de isolamento térmico, trocadores de calor e armazenamento de gás em sistemas de alta porosidade são todos bem adequados para aplicações que exigem superligas de alta resistência onde as temperaturas podem variar de criogênicas (-460°F / -273°C) até 1.400°F (760°C).

O desenvolvimento de metais em pó, aliado ao avanço em máquinas industriais de impressão 3D de metal, avançou a conversa dentro de muitas indústrias para desbloquear os benefícios da manufatura aditiva de superligas. A capacidade de desenvolver peças é, de fato, uma realidade para qualquer pessoa que procure fabricar peças de Inconel 718.

Na Protolabs, oferecemos Inconel 718 como opção de material aditivo disponível para construir volumes de peças até 31,5 pol x 15,7 pol x 19,7 pol (800mm x 398mm x 500mm). Com a introdução da máquina GE Additive X Line 2000R em nossa linha, estamos abrindo caminho para que as indústrias confiem em um único fornecedor para peças grandes de Inconel 718 aditivo.

Além disso, opções de tratamento térmico que melhoram as propriedades mecânicas do Inconel podem ser realizadas. Uma das muitas opções de tratamento térmico inclui prensagem isostática a quente (HIP), que também pode ser realizada para melhorar as propriedades mecânicas aumentando a densidade e reduzindo a porosidade dentro das peças.

Capacidades de Produção Aditiva da Protolabs

Impressão 3D Volume de construção até 31,5 pol x 15,7 pol x 19,7 pol Opções de resolução de peça de 20 a 60 mícrons Opções de tamanho mínimo de característica de 0,030 pol até 0,015 pol Pós-Usinagem Fresamento de 3 e 5 eixos Torneamento EDM de fio Rosqueamento e alisamento Análise de Pó e Material Rastreabilidade Química Análise de tamanho e distribuição de partículas Teste de cupom mecânico Testes Mecânicos Tração Dureza Rockwell Fadiga Vibração Tratamentos Térmicos Alívio de tensão Prensagem isostática a quente (HIP) Recozimento de solução Envelhecimento Inspeções de Qualidade e Relatórios Inspeções dimensionais com relatório balonado Inspeção de primeiro artigo (FAI) per AS9102 CMM, óptico e escaneamento CT Raio-X Rugosidade superficial Opções de Material Inconel 718 Alumínio / ALSi10Mg Cobalto Cromo Aço Inoxidável 17-4 PH Aço Inoxidável 316L Titânio / Ti 6AL-4V Cobre / CuNi2SiCr

Rachel Hunt é gerente de marketing de impressão 3D na Protolabs. Ex-cliente da Protolabs, ocupou posições de engenharia e marketing na indústria de dispositivos médicos. Hunt trabalhou globalmente com clientes de uso final e fornecedores de fabricação para comercializar dispositivos cirúrgicos. Possui B.S. em Engenharia Biomédica pela North Carolina State University e Mestrado em Gestão de Engenharia pela Duke University.