インコネル 718:積層造形の主力材料

マテリアル サイエンスのブログ記事シリーズでは、一般的に使用される製造材料、その特性、およびその他の関連特性を紹介しています。この投稿では、積層造形材料のインコネル 718 に注目し、このニッケルベースの超合金の特性と一般的な積層造形の用途を探ります。

インコネルとは?

インコネルは「超合金」と見なされます。第二次世界大戦の余波で、極度の熱にさらされる航空機部品の性能寿命を延ばすために開発された高性能合金のグループを表すために、超合金という用語が登場しました。

航空宇宙 OEM 向けに作られたこの燃焼ライナーは、インコネル 718 で付加的に製造されました。

合金は、強度や耐食性などの金属特性のスーパーブレンドを実現するために組み合わされた金属の混合物です。超合金 (高性能合金、耐熱合金、または高温合金とも呼ばれます) は、航空宇宙、石油化学、自動車レース、石油およびガスなどのいくつかの業界の主要な材料です。

1965 年に大量生産に拡大したインコネル 718 は、アディティブ マニュファクチャリング業界でよく知られているニッケル クロムの主力材料です。カルノー サイクル、または最も効率的な熱機関サイクルを煮詰めると、より高温の燃焼がエネルギー効率につながります。エネルギー効率は燃料効率につながります

これが、インコネル 718 のような超合金が、効率的で費用対効果の高い設計に非常に重要である理由です。極端な環境での安定性と、腐食、クリープ、および熱衝撃に対する耐性を維持する能力により、航空宇宙産業にとって理想的な候補となっています。

このグラフは、高機能材料の比強度を示しています。画像提供：laserchirp.com

このニッケル-クロム-モリブデン超合金は、タービン ブレード、ダクト システム、およびエンジン排気システムのホット セクション コンポーネントに使用されます。実際、航空機やロケット エンジンに使用される材料の 50% はニッケル基の超合金です。

インコネル 718 および類似の合金は、航空機以外やロケット用途にも使用されています。化学および石油化学プラント (容器、ポンプ、バルブ、配管)、発電所 (産業用ガス タービン)、潜水艦 (プロペラ ブレード、クイック ディスコネクト フィッティング、補助推進モーター)、原子炉 (熱交換器チューブ、フィッティング)、および石油およびガス産業 (ダウンホール チューブラー、坑口ハードウェア、フレア ブーム) は、インコネル 718 の製造および生産使用に貢献しています。

インコネル 718 は極低温での脆性破壊に耐える能力があるため、極低温用途にも使用されます。

インコネル vs チタン vs スチール

上のチャートに示されているように、インコネル 718 などのニッケルベースの合金は、過酷な温度環境での性能に関しては、チタンや鋼よりも適切な材料候補となる可能性があります。ニッケル基合金の酸化保護層は、機械的性能をさらに高めます。以下の表は、インコネル 718、ステンレス鋼、およびチタンの特性を示しています。プロトラブズのすべての材料の詳細については、材料比較ガイドをご覧ください。

添加剤インコネル 718 の特性

コンディション	UTS	利回り0.2%	伸び (%)	硬度 (HRC)
組み立て時 (ASTM F3055)	140 ksi	95 ksi	35	31
ソリューション トリートと年齢 (AMS 5662)	207 ksi	175 ksi	18	46
ソリューション トリートと年齢 (AMS 5664)	208 ksi	170 ksi	21	45

添加剤 17-4 PH ステンレス鋼の特性

コンディション	UTS	0.2% の利回り	伸び (%)	硬度 (HRC)
ソリューション トリート + H900 (AMS 5604)	195 ksi	175 ksi	10	42

添加剤 316L ステンレス鋼の特性

コンディション	UTS	0.2% の利回り	伸び (%)	硬度 (HRC)
ストレス軽減 (ASTM F3184)	92 ksi	70 ksi	60	95

添加剤チタン/Ti6 AL-4V の特性

コンディション	UTS	0.2% の利回り	伸び (%)	硬度 (HRC)
ストレス解消 (AMS 2801)	180 ksi	165 ksi	8	42
ストレス解消 (PRLB)	143 ksi	127 ksi	14	35

アディティブ マニュファクチャリングの位置付け

無添加のインコネルで希望のデザインを得ることは困難な場合があります。つまり、従来の製造方法を使用すると、高温腐食や耐クリープ性などの機械的性能特性に影響を与える可能性があるため、コンポーネントの性能が低下する可能性があります。機械加工、鍛造、または溶接プロセスの最初に焼きなましステップも必要です。インコネル 718 の積層造形では、機械的特性が犠牲にならず、鋳造部品や鍛造部品の特性を超えることさえあることが示されています。

航空宇宙産業や GE アビエーションなどは、すでに航空機ジェット エンジン用の積層造形部品を製造しています。設計の自由度、部品の削減、サプライ チェーンの効率化により、燃料とコストの節約が最終的に達成されると、付加製造された航空宇宙コンポーネントが脚光を浴びることになります。

材料科学と工学に関する物理学研究所 (IOP) の会議で発表された 2017 年の論文では、複数の付加的な超合金極低温アプリケーションでも付加製造が使用されていることが報告されています。チューブとシェル、極低温サスペンションとサポート システム、インペラーまたはポンプの構造、バルブ ステム、冷却チューブ、ヒート パイプ、断熱設計、熱交換器、および高気孔率システムのガス貯蔵はすべて、高強度超合金を必要とする用途に適しています。温度は極低温 (華氏 -460 度) から華氏 1,400 度までの範囲です。

粉末金属の開発は、工業用グレードの金属 3D 印刷機の進歩と相まって、多くの業界で超合金の付加製造の利点を解き放つための議論を進めてきました。実際、インコネル 718 から部品を製造しようとしている人にとって、部品を開発する能力は現実のものです。

プロトラブズでは、最大 31.5 インチ x 15.7 インチ x 19.7 インチ (800mm x 398mm x 500mm) の部品体積を構築するために利用可能な追加材料オプションとしてインコネル 718 を提供しています。当社のラインナップに GE Additive X Line 2000R マシンを導入することで、業界が大型のアディティブ インコネル 718 部品を単一のサプライヤーに依存する道を開いています。

さらに、インコネルの機械的特性を向上させる熱処理オプションを実行できます。多くの熱処理オプションの 1 つに、熱間静水圧プレス (HIP) があります。HIP は、部品内の密度を上げて気孔率を減らすことで機械的特性を改善するためにも実行できます。

プロトラブズのアディティブ プロダクション機能

3D プリント 最大 31.5 インチ x 15.7 インチ x 19.7 インチのビルド ボリューム 20 ～ 60 ミクロンのパーツ解像度オプション 0.030 インチから 0.015 インチまでの最小フィーチャ サイズのオプション 後加工 3 軸および 5 軸のミリング 回転 ワイヤー放電加工機 タッピングとリーミング 粉末分析と材料 トレーサビリティ 化学 粒子サイズと分布の分析 メカニカル クーポン テスト 機械試験 引張 ロックウェル硬度 疲労 振動 熱処理 ストレス解消 熱間静水圧プレス (HIP) 溶液アニーリング 加齢 品質検査とレポート バルーン レポートによる寸法検査 AS9102 による初回物品検査 (FAI) CMM、光学、CT スキャン レントゲン 表面粗さ 材料オプション インコネル 718 アルミニウム / ALSi10Mg コバルトクロム ステンレス鋼 17-4 PH ステンレス鋼 316L チタン / Ti 6AL-4V 銅 / CuNi2SiCr

Rachel Hunt は、Protolabs の 3D プリントのマーケティング マネージャーです。 Protolabs の元顧客であり、医療機器業界でエンジニアリングおよびマーケティングの役職に就いていました。 Hunt は、最終用途の顧客や製造業者と世界中で協力して、外科用デバイスを商品化してきました。彼女は学士号を取得しています。ノースカロライナ州立大学で生物医学工学の学士号を取得し、デューク大学で工学管理の修士号を取得しています。