Inconel 718 : Le superalliage ultime pour la fabrication additive

Notre série de billets de blog « Science des matériaux » met en avant les matériaux de fabrication couramment utilisés, leurs propriétés et autres caractéristiques pertinentes. Ce billet examine le matériau de référence pour la fabrication additive, l'Inconel 718, en explorant les propriétés et les applications additives courantes de ce superalliage à base de nickel.

Qu'est-ce que l'Inconel ?

L'Inconel est considéré comme un « superalliou ». Dans l'après-Seconde Guerre mondiale, le terme superalliage est apparu pour décrire un groupe d'alliages haute performance développés pour prolonger la durée de vie des composants d'avion exposés à une chaleur extrême.

Cette chemise de combustion réalisée pour un OEM aérospatial a été fabriquée additivement avec l'Inconel 718.

Les alliages sont un mélange de métaux combinés pour obtenir un super mélange de caractéristiques métalliques, comme la résistance et la résistance à la corrosion. Les superalliages — également connus sous le nom d'alliages haute performance, alliages résistants à la chaleur ou alliages haute température — sont des matériaux incontournables pour plusieurs industries telles que l'aérospatiale, la pétrochimie, la course automobile et le pétrole et gaz.

L'Inconel 718, qui a atteint la production de masse en 1965, est un matériau de travail bien connu, à base de nickel-chrome, pour l'industrie de la fabrication additive. En résumant le cycle de Carnot, ou le cycle de moteur thermique le plus efficace, une combustion plus chaude entraîne une efficacité énergétique. L'efficacité énergétique entraîne une efficacité carburant.

C'est pourquoi les superalliages, comme l'Inconel 718, sont si critiques pour des conceptions efficaces et rentables. Leur stabilité dans les environnements extrêmes et leur capacité à rester résistants à la corrosion, au fluage et au choc thermique en font des candidats idéaux pour l'industrie aérospatiale.

Ce graphique montre la résistance spécifique des matériaux haute performance. Image fournie par laserchirp.com

Ce superalliage nickel-chrome-molybdène est utilisé dans les composants de section chaude des aubes de turbine, les systèmes de conduits et les systèmes d'échappement de moteur. En fait, 50 % des matériaux utilisés dans les moteurs d'avion et de fusée sont des superalliages à base de nickel.

L'Inconel 718 et des alliages similaires se trouvent également dans des applications non aéronautiques et non spatiales. Les usines chimiques et pétrochimiques (vaisseaux, pompes, vannes, tuyauterie), les centrales électriques (turbines à gaz industrielles), les sous-marins (pales d'hélice, raccords à déconnexion rapide, moteurs de propulsion auxiliaires), les réacteurs nucléaires (tubes d'échangeur de chaleur, raccords), et l'industrie pétrolière et gazière (tubes de fond de trou, équipements de tête de puits, torches de brûlage) contribuent à la fabrication et à l'utilisation de production de l'Inconel 718.

Les applications cryogéniques utilisent également l'Inconel 718 en raison de sa capacité à résister à la fracture fragile à des températures très basses.

Inconel vs Titane vs Acier

Comme le montre le graphique ci-dessus, à droite, les alliages à base de nickel tels que l'Inconel 718 peuvent être le bon candidat matériel par rapport au titane ou à l'acier en termes de performance dans des environnements à température extrême. Les couches protectrices oxydées dans les alliages à base de nickel augmentent encore la performance mécanique. Les tableaux ci-dessous listent les propriétés de l'Inconel 718, de l'acier inoxydable et du titane. Plus de détails sur tous nos matériaux chez Protolabs peuvent être trouvés dans notre Guide de comparaison des matériaux.

PROPRIÉTÉS DE L'INCONEL 718 ADDITIF

CONDITION	Rm (UTS)	Limite élastique 0,2 %	Allongement (%)	Dureté (HRC)
Tel que construit (ASTM F3055)	140 ksi	95 ksi	35	31
Traitement solution + revenu (AMS 5662)	207 ksi	175 ksi	18	46
Traitement solution + revenu (AMS 5664)	208 ksi	170 ksi	21	45

PROPRIÉTÉS DE L'ACIER INOXYDABLE 17-4 PH ADDITIF

CONDITION	Rm (UTS)	Limite élastique 0,2 %	Allongement (%)	Dureté (HRC)
Traitement solution + H900 (AMS 5604)	195 ksi	175 ksi	10	42

PROPRIÉTÉS DE L'ACIER INOXYDABLE 316L ADDITIF

CONDITION	Rm (UTS)	Limite élastique 0,2 %	Allongement (%)	Dureté (HRC)
Revenu contrainte (ASTM F3184)	92 ksi	70 ksi	60	95

PROPRIÉTÉS DU TITANE/Ti6 AL-4V ADDITIF

CONDITION	Rm (UTS)	Limite élastique 0,2 %	Allongement (%)	Dureté (HRC)
Revenu contrainte (AMS 2801)	180 ksi	165 ksi	8	42
Revenu contrainte (PRLB)	143 ksi	127 ksi	14	35

Où la fabrication additive s'inscrit dans le tableau

Obtenir les conceptions souhaitées avec l'Inconel non additif peut être difficile. À savoir, la performance des composants peut souffrir lorsque des méthodes de fabrication traditionnelles sont utilisées car elles peuvent affecter les attributs de performance mécanique comme la corrosion à haute température et la résistance au fluage. Une étape de recuit est également requise au début de tout processus d'usinage, de forgeage ou de soudage. La fabrication additive de l'Inconel 718 a montré que les propriétés mécaniques ne sont pas sacrifiées, et peuvent même dépasser celles des pièces coulées ou forgées.

L'industrie aérospatiale, et des entreprises comme GE Aviation, produisent déjà des pièces fabriquées additivement pour les moteurs à réaction d'avion. La liberté de conception, la réduction de pièces et les efficacités de la chaîne d'approvisionnement mettent les composants aérospatiaux fabriqués additivement sous les projecteurs lorsque des économies de carburant et de coûts sont finalement réalisées.

Un article de 2017 présenté à une conférence de l'Institute of Physics (IOP) sur la science et l'ingénierie des matériaux a rapporté que plusieurs applications cryogéniques de superalliages additifs utilisent également la fabrication additive. Tubes et coques, systèmes de suspension et de support cryogéniques, structures pour impulseurs ou pompes, tiges de soupape, tubes de refroidissement, caloducs, conceptions d'isolation thermique, échangeurs de chaleur et stockage de gaz dans des systèmes à haute porosité sont tous bien adaptés pour des applications nécessitant des superalliages à haute résistance où les températures peuvent varier du cryogénique (-460 °F) jusqu'à 1 400 °F.

Le développement de poudres métalliques, couplé à l'avancement des machines d'impression 3D métal de qualité industrielle, a fait avancer la conversation au sein de nombreuses industries pour débloquer les avantages de la fabrication additive de superalliages. La capacité de développer des pièces est, en fait, une réalité pour quiconque cherche à fabriquer des pièces à partir d'Inconel 718.

Chez Protolabs, nous proposons l'Inconel 718 comme option de matériau additif disponible pour construire des volumes de pièces jusqu'à 31,5 in x 15,7 in x 19,7 in (800 mm x 398 mm x 500 mm). Avec l'introduction de la machine GE Additive X Line 2000R dans notre gamme, nous ouvrons la voie aux industries pour compter sur un seul fournisseur pour de grandes pièces additifs en Inconel 718.

De plus, des options de traitement thermique qui améliorent les propriétés mécaniques de l'Inconel peuvent être effectuées. L'une des nombreuses options de traitement thermique inclut le pressage isostatique à chaud (HIP), qui peut également être effectué pour améliorer les propriétés mécaniques en augmentant la densité et en réduisant la porosité à l'intérieur des pièces.

Capacités de production additive de Protolabs

Impression 3D Volume de construction jusqu'à 31,5 in x 15,7 in x 19,7 in Options de résolution de 20 à 60 microns Options de taille de détail minimum de 0,030 in. à 0,015 in. Post-usinage Fraisage 3 et 5 axes Tournage Électroérosion par fil Taraudage et alésage Analyse de poudre & Matériau Traçabilité Chimie Analyse de la taille et distribution des particules Essais mécaniques sur éprouvettes Essais mécaniques Traction Dureté Rockwell Fatigue Vibration Traitements thermiques Revenu de contrainte Pressage isostatique à chaud (HIP) Recuit de solution Vieillissement Inspections qualité & Rapports Inspections dimensionnelles avec rapport ballonné Inspection de premier article (FAI) selon AS9102 CMM, optique et scanner CT Rayons X Rugosité de surface Options de matériaux Inconel 718 Aluminium / ALSi10Mg Chrome-Cobalt Acier inoxydable 17-4 PH Acier inoxydable 316L Titane / Ti 6AL-4V Cuivre / CuNi2SiCr

Rachel Hunt est directrice marketing pour l'impression 3D chez Protolabs. Ancienne cliente Protolabs, elle a occupé des postes d'ingénierie et de marketing dans l'industrie des dispositifs médicaux. Hunt a travaillé mondialement avec des clients finaux et des fournisseurs de fabrication pour commercialiser des dispositifs chirurgicaux. Elle détient un B.S. en génie biomédical de North Carolina State University et un Master en gestion de l'ingénierie de Duke University.