Bột siêu hợp kim gốc niken cho in 3D & Sản xuất bồi đắp trong Ứng dụng Hàng không vũ trụ và Nhiệt độ cao

1. Giới thiệu

Siêu hợp kim gốc niken là vật liệu quan trọng cho các ứng dụng hiệu suất cao trong hàng không vũ trụ, sản xuất điện và tuabin khí công nghiệp do khả năng chịu nhiệt độ cao, chống oxy hóa và chống rão vượt trội. Sản xuất bồi đắp (AM), hay in 3D, cho phép sản xuất các bộ phận phức tạp, nhẹ và hiệu suất cao với thời gian thực hiện và lãng phí vật liệu giảm.

Hướng dẫn này cung cấp một cái nhìn tổng quan chi tiết về:

• Các siêu hợp kim gốc niken chính được sử dụng trong AM

• Phương pháp sản xuất bột

• Quy trình in 3D

• Yêu cầu xử lý sau

• Ứng dụng hàng không vũ trụ & công nghiệp

2. Siêu hợp kim gốc niken chính để in 3D

Các siêu hợp kim niken được sử dụng rộng rãi nhất trong AM bao gồm:

Thành phần hóa học (Điển hình)

3. Phương pháp sản xuất bột cho AM

Bột siêu hợp kim niken phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về hình cầu, phân bố kích thước hạt và độ tinh khiết. Các phương pháp sản xuất chính là:

A. Khí hóa (Phổ biến nhất)

• Quy trình: Kim loại nóng chảy bị phân rã bởi khí trơ áp suất cao (Ar hoặc N₂).

• Ưu điểm: Hình cầu cao, kích thước hạt được kiểm soát (15-150 µm).

• Được sử dụng cho: LPBF, DED, Binder Jetting.

B. Quy trình điện cực quay plasma (PREP)

• Quy trình: Một điện cực quay được làm nóng chảy bằng plasma và lực ly tâm tạo thành các giọt.

• Ưu điểm: Độ tinh khiết rất cao, ít hạt vệ tinh.

• Được sử dụng cho: Các bộ phận hàng không vũ trụ quan trọng.

C. Khí hóa nước (Ít phổ biến hơn)

• Quy trình: Tia nước phá vỡ kim loại nóng chảy (hình cầu thấp hơn).

• Nhược điểm: Hình dạng không đều, hàm lượng oxy cao hơn.

• Được sử dụng cho: Các ứng dụng ít quan trọng hơn (ví dụ: lớp phủ phun nhiệt).

4. Quy trình in 3D cho siêu hợp kim niken

A. Hợp nhất lớp bột bằng laser (LPBF / SLM)

• Tốt nhất cho: Cánh tuabin có độ chính xác cao, vòi phun nhiên liệu.

• Thông số điển hình:

  • Công suất laser: 200-400W

  • Độ dày lớp: 20-50 µm

  • Tốc độ quét: 800-1200 mm/s

B. Nung chảy chùm tia điện tử (EBM)

• Tốt nhất cho: Các bộ phận lớn, chịu ứng suất (ví dụ: đĩa tuabin).

• Thông số điển hình:

  • Dòng điện chùm: 5-50 mA

  • Điện áp gia tốc: 60 kV

  • Sơ bộ: 700-1000°C (giảm ứng suất dư)

C. Bồi đắp năng lượng định hướng (DED / LENS)

• Tốt nhất cho: Sửa chữa cánh tuabin, các bộ phận kết cấu lớn.

• Thông số điển hình:

  • Công suất laser: 500-2000W

  • Tốc độ cấp bột: 5-20 g/phút

5. Xử lý sau cho các bộ phận AM bằng siêu hợp kim niken

A. Xử lý nhiệt

• Giảm ứng suất: 870°C/1h (IN625), 720°C/8h (IN718).

• Ủ dung dịch: 1150°C/1h (IN625), 980°C/1h (IN718).

• Làm già (đối với IN718): 720°C/8h + 620°C/8h.

B. Ép đẳng nhiệt nóng (HIP)

• Mục đích: Loại bỏ các khoảng trống bên trong (cải thiện tuổi thọ mỏi).

• Điều kiện: 1200°C @ 100-150 MPa trong 4h.

C. Gia công & Hoàn thiện

• Gia công CNC: Đối với dung sai chặt chẽ.

• Đánh bóng điện: Cải thiện độ hoàn thiện bề mặt (Ra <1 µm).

• Kiểm tra NDT: Chụp CT tia X, kiểm tra siêu âm.

6. Ứng dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ & công nghiệp

A. Hàng không vũ trụ

• Bộ phận động cơ phản lực: Cánh tuabin, buồng đốt, vòi phun (GE, Rolls-Royce).

• Động cơ tên lửa: Buồng đẩy (động cơ SpaceX Raptor).

• Các bộ phận kết cấu: Giá đỡ, tấm chắn nhiệt.

B. Phát điện

• Cánh tuabin khí: Siemens Energy, Mitsubishi Heavy Industries.

• Bộ phận lò phản ứng hạt nhân: Khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao.

C. Dầu khí

• Dụng cụ giếng khoan: Van chống ăn mòn, mũi khoan.

• Bộ trao đổi nhiệt: Môi trường áp suất cao, nhiệt độ cao.

7. Thách thức & Xu hướng tương lai

Thách thức

• Chi phí bột cao: $100-$500/kg tùy thuộc vào hợp kim.

• Nứt & Ứng suất dư: Yêu cầu các thông số quy trình được tối ưu hóa.

• Giới hạn tái sử dụng bột: Quá trình oxy hóa sau nhiều chu kỳ.

Xu hướng tương lai

• AI/ML để tối ưu hóa quy trình: Giảm khuyết tật.

• In đa vật liệu: Cấu trúc phân loại (ví dụ: IN718 đến HX).

• Tái chế bột bền vững: Giảm lãng phí.

8. Kết luận

In 3D siêu hợp kim gốc niken đang cách mạng hóa các ứng dụng nhiệt độ cao trong hàng không vũ trụ, năng lượng và quốc phòng. Với những tiến bộ trong chất lượng bột, quy trình AM và xử lý sau, sản xuất bồi đắp cho phép các bộ phận nhẹ hơn, bền hơn và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.