Impression 3D du nickel In625 en poudre métallique pour composants de turbines aérospatiales

1. Introduction

Les superalliages à base de nickel, en particulier Inconel 625 (In625), sont largement utilisés dans l'aérospatiale en raison de leur résistance exceptionnelle à haute température, de leur résistance à la corrosion et de leur résistance à la fatigue.Fabrication additive (AM), ou l'impression 3D, permet de produire des composants complexes de turbines aérospatiales avec une réduction des déchets de matériaux et une meilleure flexibilité de conception.

Cette description détaillée couvre les propriétés de la poudre métallique In625, les processus d'impression 3D, le post-traitement et les applications de turbines aérospatiales.

2. Inconel 625 (In625) Propriétés de poudre métallique

In625 est un superalliage nickel-chrome-molybdène présentant les caractéristiques clés suivantes:

Composition chimique (ASTM B443)

Propriétés mécaniques et thermiques

• Résistance à la traction: 930 MPa (à température ambiante)

• Résistance au rendement: 517 MPa

• L'allongement: 42,5%

• Densité: 8,44 g/cm3

• Point de fusion: 1290 à 1350°C

• Résistance à l'oxydation: excellente jusqu'à 980°C

• Résistance à la corrosion: Résistant aux crevasses, à la corrosion des fissures et à l'eau salée

Caractéristiques des poudres pour l'impression 3D

• Distribution de la taille des particules: 15 à 45 μm (pour LPBF) ou 45 à 106 μm (pour DED)

• Morphologie: sphérique (pour une fluidité optimale)

• Méthode de production de poudre: atomisation du gaz (argon ou azote)

• Débit: ≤ 25 s/50 g (essai par débitmètre Hall)

• Densité apparente: ≥ 4,5 g/cm3

3. Processus d'impression 3D pour le secteur des turbines aérospatiales

Les méthodes d'impression 3D métallique les plus courantes pour In625 comprennent:

A. Fusion au laser dans le lit de poudre (LPBF / SLM)

• Processus: Un laser à haute puissance fait fondre sélectivement la poudre In625 couche par couche.

• Les avantages:

  • Précision élevée (± 0,05 mm)

  • Finition de surface fine (Ra 5 à 15 μm)

  • Convient pour des canaux de refroidissement internes complexes dans les pales de turbine

• Paramètres typiques:

  • Puissance du laser: 200 à 400 W

  • Épaisseur de couche: 20 à 50 μm

  • Vitesse de balayage: 800 à 1200 mm/s

  • Taux de construction: 5 à 20 cm3/h

B. Dépôt d'énergie dirigée (DED / LENS)

• Processus: Un laser ou un faisceau d'électrons fait fondre la poudre In625 au fur et à mesure de son dépôt.

• Les avantages:

  • Taux de dépôt plus élevés (50 à 200 cm3/h)

  • Convient pour les grands composants et réparations de turbines

• Paramètres typiques:

  • Puissance du laser: 500 à 2000 W

  • Rate d'alimentation en poudre: 5 à 20 g/min

C. Fusion par faisceau d'électrons (EBM)

• Processus: utilise un faisceau d'électrons dans le vide pour faire fondre la poudre In625.

• Les avantages:

  • Réduction de la contrainte résiduelle (en raison de la température élevée de préchauffage)

  • Des taux de construction plus rapides que les LPBF

• Paramètres typiques:

  • Courant de faisceau: 5 à 50 mA

  • Voltage d'accélération: 60 kV

  • Épaisseur de couche: 50 à 100 μm

4. Post-traitement pour les composants de turbines aérospatiales

Pour répondre aux exigences strictes de l'aérospatiale, le post-traitement est essentiel:

A. Traitement thermique

• Réduction du stress: 870°C pendant 1 heure (refroidissement par air)

• Solution Rechauffement: 1150°C pendant 1 heure (assouplissement à l'eau)

• Vieillissement (le cas échéant): 700 à 800 °C pendant 8 à 24 heures

B. Pression isostatique à chaud (HIP)

• Objectif: Élimine la porosité interne (améliore la durée de vie de la fatigue)

• Paramètres: 1200°C à 100 à 150 MPa pendant 4 heures

C. Traitement et finition

• Machining CNC: pour les caractéristiques de tolérance étroite

• Finition de surface: polissage électrochimique ou usinage par débit abrasif pour des surfaces plus lisses

• Tests non destructifs: tomodensitométrie par rayons X, tests ultrasoniques ou inspection des produits de pénétration des colorants

5. Applications de turbines aérospatiales

L'In625 imprimé en 3D est utilisé dans les composants critiques des turbines, notamment:

• Blades et pales de turbine (avec conduits de refroidissement internes)

• Les revêtements de combustion (résistance à la chaleur et à la corrosion)

• Nozzles d'échappement (stabilité à haute température)

• Buse de carburant (le moteur LEAP de GE Aviation utilise l'In625 imprimé en 3D)

• Réparation de pièces usées de turbines (via DED)

Avantages par rapport à la fabrication traditionnelle

✔ Réduction du poids (optimisation des structures de réseau et de la topologie)
✔ Production plus rapide (pas besoin d'outils complexes)
✔ Amélioration des performances (channels de refroidissement optimisés)
✔ Économies de matériaux (fabrication en forme de filet)

6. Défis et tendances futures

Les défis:

• Le coût élevé de la poudre In625

• Stress résiduel et distorsion (requiert un traitement thermique approprié)

• Limites de réutilisabilité de la poudre (généralement 5 à 10 cycles avant la dégradation)

Les tendances à venir:

• Optimisation des processus basée sur l'IA (pour une impression sans défaut)

• Fabrication hybride (combinant l'AM avec l'usinage CNC)

• Développement de nouveaux alliages (variantes à température plus élevée)