Poudre d'alliage de nickel HX
La poudre d'alliage de nickel HX peut être utilisée pour fabriquer des composants complexes de forme nette à l'aide de procédés de fabrication additive par fusion sur lit de poudre tels que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Ses propriétés lui permettent d'être utilisé pour des pièces nécessitant une grande solidité, une résistance à la chaleur et une résistance à la corrosion dans toute une série d'industries telles que l'aérospatiale, le pétrole et le gaz, l'automobile et l'industrie en général.
Le système d'alliage permet d'adapter les propriétés par traitement thermique. Le recuit de mise en solution suivi d'un vieillissement permet d'optimiser la résistance, la ductilité et la résistance aux fissures en fonction des exigences de l'application.
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Table des matières
Vue d'ensemble
La poudre d'alliage de nickel HX est une poudre d'alliage de nickel-chrome-fer-molybdène conçue pour les applications de fabrication additive nécessitant une grande solidité, une résistance à la corrosion et une capacité à supporter des températures élevées. Les principales propriétés de la poudre d'alliage de nickel HX sont les suivantes :
Poudre d'alliage de nickel HX Propriétés principales
| Propriété | Description |
|---|---|
| Composition | Nickel, chrome, fer, molybdène |
| Point de fusion | 1390-1440°C |
| Densité | 8,2 g/cm3 |
| La force | Excellente résistance des températures cryogéniques à 1095°C |
| Résistance à la corrosion | Résistant à divers environnements corrosifs |
| Stabilité thermique | Conserve sa solidité et sa résistance à la corrosion à des températures élevées |
| Fabrication additive | Optimisation de la distribution de la taille des particules et de la morphologie pour les processus AM |
La poudre d'alliage de nickel HX peut être utilisée pour fabriquer des composants complexes de forme nette à l'aide de procédés de fabrication additive par fusion sur lit de poudre tels que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM). Ses propriétés lui permettent d'être utilisé pour des pièces nécessitant une grande solidité, une résistance à la chaleur et une résistance à la corrosion dans toute une série d'industries telles que l'aérospatiale, le pétrole et le gaz, l'automobile et l'industrie en général.
Le système d'alliage permet d'adapter les propriétés par traitement thermique. Le recuit de mise en solution suivi d'un vieillissement permet d'optimiser la résistance, la ductilité et la résistance aux fissures en fonction des exigences de l'application.
Dans l'ensemble, l'alliage de nickel HX constitue un système de matériaux d'ingénierie avancé qui permet de concevoir des composants de nouvelle génération grâce à la fabrication additive.
Composition
La composition de la poudre d'alliage de nickel HX offre un équilibre optimal de propriétés pour des composants techniques de haute performance :
Composition de la poudre d'alliage de nickel HX
| Élément | Poids % | Rôle |
|---|---|---|
| Nickel | 50-55% | Élément primaire assurant la résistance à la corrosion et aux températures élevées |
| Chrome | 15-20% | Améliore la résistance à l'oxydation et à la corrosion |
| Le fer | Équilibre | Contribue à une résistance et une dureté élevées |
| Molybdène | 8-10% | Renforçateur de solution solide, améliore la résistance au fluage |
| Titane + Aluminium | 3-4% total | Formateurs de carbure pour le renforcement de la précipitation |
| Carbone | <0,05% | Forme en carbure |
La teneur élevée en nickel et en chrome confère une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation. Les éléments de renforcement en solution solide comme le molybdène ainsi que les précipités de titane, d'aluminium et de carbone permettent d'atteindre des niveaux de résistance sur une large plage de températures allant de la cryogénie à 1095°C.
L'adaptation des niveaux de titane et d'aluminium permet d'ajuster la fraction volumique et le type de précipités afin d'optimiser la solidité et la résistance aux fissures en fonction des exigences spécifiques des composants.
Propriétés
La poudre d'alliage de nickel HX présente une combinaison unique de propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion et de capacité thermique, ce qui la rend appropriée pour les composants d'applications critiques :
Propriétés de la poudre d'alliage de nickel HX
| Propriété | Description |
|---|---|
| Densité | 8,2 g/cm3 |
| Plage de fusion | 1390-1440°C |
| La force | Résistance ultime à la traction 130-160 ksi<br>Limite d'élasticité 115-130 ksi |
| Élongation | 15-25% |
| Dureté | 32-36 HRC |
| Résistance aux chocs | 50-80 ft-lbs |
| Conductivité thermique | 9-12 W/m-K |
| Coefficient de dilatation thermique | 12-13 x 10-6/°C |
| Température de service maximale | 1095°C |
| Résistance à la corrosion | Excellent dans divers environnements |
| Résistance à l'oxydation | Résistant à 1095°C |
| Résistance à la fatigue thermique | Durée de vie supérieure à la fatigue thermique |
| Stabilité thermique | Conserve sa résistance à des températures élevées |
| Sensibilité à l'encoche | Faible sensibilité à l'encoche |
La morphologie fine de la poudre et la distribution optimisée de la taille des particules permettent d'imprimer des composants de haute densité (>99,5%) à l'aide de poudre d'alliage de nickel HX. Cela permet d'exploiter tout le potentiel de l'alliage en termes de propriétés mécaniques et de performances.
Le traitement thermique de mise en solution suivi d'un traitement thermique de vieillissement permet d'adapter les niveaux de résistance et de ductilité aux exigences spécifiques de la conception des composants. Pour une résistance maximale, un vieillissement à 720°C pendant 16 heures est généralement utilisé.
Applications
La combinaison des propriétés de la poudre d'alliage de nickel HX la rend adaptée à une variété d'applications exigeantes dans toutes les industries :
Industries utilisant la poudre d'alliage de nickel HX
- Aérospatiale
- Pétrole et gaz
- Automobile
- Industriel
Applications des composants
- Boîtes de combustion
- Boîtiers de douilles
- Vannes et corps de vanne
- Pièces de piston
- Composants de pompage
- Échangeurs de chaleur imprimés
- Pièces pour le traitement des fluides
- Plaquettes d'outillage
L'excellente résistance à haute température permet d'alléger les composants situés à proximité de la source de chaleur, tels que les chambres de combustion, les composants des tuyères, les soupapes de purge, etc. dans les moteurs aérospatiaux de la prochaine génération.
La résistance à la corrosion permet de l'utiliser dans des composants de champs pétroliers tels que les vannes, les pompes et les outils de fond de puits. La résistance aux environnements acides élargit les possibilités d'utilisation dans les applications pétrolières et gazières.
Dans l'industrie automobile, les vannes, les pompes et les turbocompresseurs à haute température bénéficient de la capacité thermique et de la stabilité dimensionnelle de l'alliage.
La fabrication additive à l'aide de poudre d'alliage de nickel HX permet également d'optimiser les échangeurs de chaleur, les brides légères, les boîtiers avec canaux intégrés et les dispositifs de refroidissement dans tous les secteurs d'activité.
Spécifications
La poudre d'alliage de nickel HX est fournie par des fabricants de premier plan tels que Carpenter Additive, Sandvik Osprey, Erasteel, Praxair Surface Technologies, etc. Elle répond aux spécifications suivantes :
Spécifications de la poudre d'alliage de nickel HX
| Paramètres | Spécifications |
|---|---|
| Composition de la poudre | <2% variation par rapport à la valeur nominale |
| Taille des particules | 15-53 microns |
| Densité apparente | Généralement > 4,0 g/cm3 |
| Débit du hall | <30s/50g |
| Teneur en eau | <0,1 wt% |
La distribution de la taille des particules permet d'étaler de fines couches de poudre et d'obtenir des pièces presque entièrement denses après la fusion. La fluidité élevée de la poudre et sa densité apparente facilitent la manipulation de la poudre lors du chargement et de la réutilisation.
Normes
Bien qu'il n'existe actuellement aucune norme spécifique, les spécifications des poudres d'alliage de nickel HX s'alignent sur les limites de composition des normes pour les formes corroyées telles que :
- AMS 5754
- AMS 5844
- AMS 5845
- UNS N06002
Les alliages corroyés équivalents comprennent le Haynes 214, l'Inconel 718, le Waspaloy, etc. Au fur et à mesure que l'utilisation de la fabrication additive augmentera, des normes dédiées aux poudres d'alliages de nickel verront le jour.
Fournisseurs et prix
La poudre d'alliage de nickel HX est disponible auprès des principaux fournisseurs de poudres métalliques et des équipementiers de fabrication additive :
Poudre d'alliage de nickel HX Fournisseurs
| Fournisseur | Description |
|---|---|
| Additif pour charpentier | La plus large gamme de poudres d'alliages de nickel pour l'AM |
| Sandvik Osprey | Large gamme de poudres d'alliages de niche pour l'AM |
| Erasteel | Spécialiste de la métallurgie des poudres possédant une vaste expertise en matière de poudres d'alliage |
| Praxair Surface Technologies | Principal fournisseur de poudres métalliques pour l'industrie de l'AM |
| Solutions SLM | Fournit des poudres d'alliage optimisées pour ses systèmes d'AM |
| GE Additive | Fournit des poudres d'alliage pour les secteurs de la santé, de l'aviation et de l'industrie. |
Le prix de la poudre d'alliage de nickel HX se situe généralement dans la fourchette suivante $$$/kg. Des niveaux de pureté élevés, un contrôle de qualité approfondi et des caractéristiques de particules optimisées expliquent le prix élevé de cette poudre d'alliage avancée.
Comparaison des coûts avec les autres solutions
| Poudre d'alliage | Prix indicatifs |
|---|---|
| Alliage de nickel HX | $$$/kg |
| Titane Ti64 | $$/kg |
| Aluminium AlSi10Mg | $/kg |
| Acier inoxydable 316L | $$/kg |
Les prix varient d'un fournisseur à l'autre en fonction de la quantité commandée, des exigences de qualité et des facteurs géographiques. Des remises sur les commandes en vrac peuvent être accordées pour les commandes supérieures à 500-1000 kg.
Avantages et limites
L'alliage de nickel HX présente des avantages évidents ainsi que certaines limites :
Avantages
- Excellentes propriétés mécaniques des températures cryogéniques à 1095°C
- Conserve sa solidité et sa résistance à la corrosion à des températures élevées
- Résiste à divers environnements corrosifs
- Résistance à la fatigue thermique et à l'oxydation jusqu'à 1095°C
- Faible coefficient de dilatation thermique
- Fabrication additive à l'aide de procédés PBA
- Les pièces peuvent être traitées thermiquement pour en adapter les propriétés
Limites
- Coût élevé des matériaux par rapport aux aciers
- L'allongement à la traction plus faible limite la ductilité
- Nécessite un pressage isostatique à chaud (HIP) pour éliminer la porosité interne.
- Nombre limité de fournisseurs de poudres d'alliage à l'heure actuelle
- Le développement de paramètres est nécessaire pour les nouveaux systèmes d'additifs
Pour les composants exigeant des performances sous charges thermiques et mécaniques dans des environnements corrosifs, les avantages de l'alliage de nickel HX l'emportent sur les limites de coût et de ductilité.
Qualification et impression
La qualification de nouveaux matériaux tels que la poudre d'alliage de nickel HX pour la fabrication additive implique une caractérisation approfondie et le développement de processus :
Qualification des poudres d'alliage de nickel HX
- Analyse chimique - Confirmer la conformité de la composition aux spécifications par chimie humide ou OES
- Distribution de la taille des particules - Validation des paramètres de sphéricité et de taille des poudres à l'aide de la diffraction laser
- Densité apparente et mesures de débit - Vérifier l'aptitude à l'épandage de poudre à l'aide d'un débitmètre à effet Hall conformément à la norme ASTM B213.
- Évaluation de la porosité interne - Analyse de l'uniformité de la densité et des défauts internes à l'aide de scanners microCT
- Caractérisation de la microstructure - Utiliser le MEB et l'EDS pour évaluer l'uniformité de l'alliage, la précipitation et les défauts.
- Développement des paramètres du processus - Optimiser la puissance du laser, la vitesse, l'espacement des hachures pour une densité >99,5% à l'aide de cubes d'essai
- Essais mécaniques - Effectuer des essais de traction, de fatigue, de résistance à la rupture et de fluage sur des pièces d'essai AM et les comparer aux propriétés des pièces corroyées.
- Évaluation non destructive - Utiliser des techniques telles que le ressuage pour identifier les défauts de surface et de sous-surface.
- Essais de corrosion - Évaluer le taux de corrosion dans des environnements pertinents par des essais d'immersion ou des normes ASTM.
- Post-traitement - Étude de l'effet du pressage isostatique à chaud (HIP) et du traitement thermique sur les propriétés
- Démonstration de l'application - Fabriquer des prototypes de composants réels et mesurer les performances fonctionnelles par rapport aux objectifs de conception.
Ces essais approfondis permettent de valider la qualité de la poudre d'alliage et son aptitude à imprimer des composants d'application répondant aux objectifs de propriétés requis.
Directives relatives aux paramètres d'impression
Paramètres typiques pour l'impression de poudre d'alliage de nickel HX sur le système SLM 125HL de SLM Solutions :
| Paramètres | Valeur typique |
|---|---|
| Épaisseur de la couche | 30-50 μm |
| Puissance du laser | 175-350 W |
| Vitesse de balayage | 125-250 mm/s |
| Espacement des trappes | 80-120 μm |
| Chevauchement de rayures | 50% |
| Température du lit de poudre | 80-100°C |
Les paramètres varient en fonction de facteurs tels que les propriétés souhaitées, l'état de surface, les priorités en matière de vitesse de fabrication et les capacités du système d'AM. Les ensembles de paramètres sont continuellement affinés par des approches DOE rigoureuses afin d'étendre la géométrie imprimable et la gamme de propriétés.
Post-traitement
Les étapes courantes de post-traitement des composants en alliage de nickel HX fabriqués de manière additive sont les suivantes :
- Retrait de la plaque de construction - Découpe par électroérosion à fil ou par scie à ruban pour retirer les pièces de la plaque
- Suppression du support - Retirer avec précaution les supports générés automatiquement, mécaniquement ou par électroérosion.
- Soulagement du stress - Chauffer uniformément le composant à 620°C pendant 1 à 2 heures pour éliminer les contraintes résiduelles.
- Pressage isostatique à chaud - HIP à 1160°C/100-200 MPa pendant 4 heures pour éliminer la porosité interne >98% densité
- Traitement de surface - L'usinage par flux abrasif et le sablage améliorent la finition de la surface.
- Mesure des dimensions - Confirmer les dimensions critiques à l'aide d'une inspection CMM et d'un balayage pour vérifier la précision géométrique.
- Essai de ressuage - Contrôler les défauts de rupture de la surface nécessitant une réparation à l'aide de pénétrants fluorescents ou de colorants visibles.
- Traitement thermique - Traitement en solution à 1120°C, refroidissement rapide à l'air + vieillissement à 720°C/16 heures pour obtenir les propriétés souhaitées.
L'automatisation des opérations de post-traitement est cruciale compte tenu de la complexité géométrique des composants fabriqués additivement à l'aide de poudre d'alliage de nickel HX.
Une conception soignée et des stratégies de soutien sont également essentielles pendant le prétraitement pour améliorer l'efficacité en aval. Des inspections périodiques doivent permettre de vérifier que toutes les exigences en matière de conception et de certification sont respectées.
Applications et études de cas
L'alliage de nickel HX est utilisé dans des domaines d'application exigeants :
Aérospatiale
- Boîtes de combustion - 40% réduction du poids, supporte des températures plus élevées de 100°C
- Boîtier de vanne de purge à jet commercial - Canaux de refroidissement intégrés, flux de fluide optimisé
- Chambres de propulsion pour satellites - Rapport résistance/poids élevé, réutilisable
Pétrole et gaz
- Corps de vanne pour gaz corrosif - Alliage de nickel résistant à la corrosion et à l'environnement H2S
- Composants des vannes de sécurité de fond de puits - Résiste aux températures de 150°C et à l'érosion
- Roue de pompe offshore - Légèreté et efficacité dans le transport des fluides sous l'eau de mer
Automobile
- Roue de compresseur du turbocompresseur - Capacité de vitesse élevée jusqu'à 110 000 tr/min
- Vanne de régulation des gaz d'échappement - Pour des températures de gaz d'échappement allant jusqu'à 1050°C
- Couronne de piston - Les canaux de refroidissement conformes permettent d'augmenter la densité de puissance du moteur
Industriel
- Buse de coulée continue - Un dispositif d'écoulement des fluides à haute température stimule la productivité des aciéries
- Outillage de presse à extrusion - Durabilité améliorée et durée de vie doublée
- Élément chauffant pour presse d'imprimerie - Le circuit intégré en alliage de nickel supporte des températures de 700°C
Ces exemples d'application montrent le potentiel de l'alliage de nickel HX pour repousser les limites de performance dans toutes les industries grâce aux techniques additives. Une plus grande disponibilité des données sur les paramètres et des démonstrations permettra d'élargir l'adoption de ces produits.
FAQ
Q : Quels sont les principaux avantages de l'alliage de nickel HX par rapport aux matériaux conventionnels ?
L'alliage de nickel HX offre une combinaison exceptionnelle de haute résistance jusqu'à 1095°C, ainsi qu'une ténacité et une résistance à la corrosion impossibles à obtenir avec les alliages typiques. La fabrication additive permet des conceptions impossibles à réaliser avec des techniques soustractives.
Q : Quel traitement thermique est utilisé pour les pièces AM en alliage de nickel HX ?
Le traitement de mise en solution à 1120°C suivi d'un vieillissement à 720°C pendant 16 heures permet d'obtenir un excellent équilibre entre la résistance (>150 ksi UTS) et la ductilité (>16% El.). Le HIP est appliqué après la construction et avant le traitement thermique.
Q : Quel est le procédé AM idéal pour la poudre d'alliage de nickel HX ?
La fusion sélective par laser (SLM) est préférable à la fusion par faisceau d'électrons pour l'alliage de nickel HX afin de mieux contrôler les contraintes thermiques et la fissuration. La fusion par laser sélectif permet d'obtenir une densité plus élevée tout en contrôlant les propriétés directionnelles.
Q : Quelles sont les industries qui offrent les meilleures opportunités d'adoption de l'alliage de nickel HX AM ?
Les industries de l'aérospatiale, du pétrole et du gaz, de l'automobile et du traitement thermique industriel adoptent l'alliage de nickel HX pour les composants exigeant une stabilité thermique, une résistance et des performances en matière de corrosion.
Q : L'alliage de nickel HX nécessite-t-il des précautions particulières pour la manipulation ou le stockage des poudres ?
Les poudres d'alliage de nickel ne sont pas dangereuses, mais des précautions respiratoires et antidéflagrantes s'imposent comme pour toute poudre métallique fine. Le stockage sous atmosphère inerte d'argon avec contrôle de l'humidité préserve la réutilisabilité à long terme.
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