인코넬은 내열성, 내식성, 내압성으로 잘 알려진 니켈-크롬 기반 초합금 계열을 말합니다. 인코넬의 3D 프린팅은 항공우주, 에너지, 자동차 등의 산업에서 기존 제조 방식에 비해 설계의 자유도와 기계적 특성이 향상되었습니다.
개요 3D 프린팅 인코넬
인코넬 초합금은 철, 니오븀, 몰리브덴 및 기타 원소를 첨가하여 강화된 니켈-크롬 소재입니다. 인코넬은 온도, 부식 및 피로 저항성이 뛰어나 까다로운 응용 분야에 적합합니다.
파우더 베드 융합 기술을 사용하는 3D 프린팅은 기존 방식에 비해 입자가 더 미세하고 강도가 뛰어난 복잡한 인코넬 부품을 제조할 수 있는 새로운 가능성을 제시합니다. 주요 이점은 다음과 같습니다:
- 복잡하고 가벼운 형상 제작
- 인장 및 피로 거동 개선
- 더 높은 정밀도와 설계 유연성
- 리드 타임 단축 및 수량 감소
- 최적화된 격자 구조 생성 기능
- 서로 다른 재료를 하나의 부품으로 결합
이러한 장점에도 불구하고 고품질 인코넬 부품을 인쇄하려면 잔류 응력, 다공성 위험 및 후처리와 같은 문제를 해결해야 합니다.
전반적으로 적층 가공은 열교환기, 연소 하드웨어, 항공 우주 부품, 생체 의학 임플란트 및 극한의 환경 내구성을 필요로 하는 기타 틈새 시장에서 혁신적인 인코넬 응용 분야를 열어줍니다.
구성 3D 프린팅 인코넬
인코넬은 까다로운 열, 부식 및 압력 응용 분야를 위해 설계된 24가지 이상의 침전 경화 니켈 기반 소재를 지칭하는 광범위한 초합금 브랜드입니다.
니켈 함량이 높아 오스테나이트 FCC 결정 구조를 형성하여 고체 용액을 강화합니다. 크롬, 철, 니오븀, 몰리브덴, 알루미늄, 티타늄과 같은 원소가 추가되어 침전 경화를 촉진하여 기계적 성능을 향상시킵니다.
일반적인 구성 범위:
| 요소 | 구성(% 무게) |
|---|---|
| 니켈(Ni) | 50-80% |
| 크롬(Cr) | 10-25% |
| 철(Fe) | 0-50% |
| 니오븀(Nb) | 0-5% |
| 몰리브덴(Mo) | 0-9% |
| 알루미늄(Al) | 0-6% |
| 코발트 (Co) | 0-2% |
| 티타늄(Ti) | 0-5% |
| 텅스텐(W) | 0-7% |
| 탄소(C) | 0-0.2% |
특정 인코넬 등급은 틈새 애플리케이션을 겨냥하여 합금 범위가 더 엄격합니다. 예를 들어
인코넬 625
- 58% Ni
- 20-23% Cr
- 8-10% Mo
- 3-4% Nb
- 0-5% Fe
인코넬 718
- 50-55% Ni
- 17-21% Cr
- 4.75-5.5% Nb
- 2.8-3.3% Mo
- 0-1% Al
주요 합금 원소의 효과:
- 니켈 - 내식성과 연성을 제공하는 주요 원소
- 크롬 - Cr 산화물 형성을 통한 내산화성 및 경도 향상
- 니오븀 - 강수량 강화에 중요한 초경 전구체
- 몰리브덴 - 고체 용액 강화제
- 철 - 고용체 경화에 기여합니다.
- 알루미늄 + 티타늄 - 감마 프라임 침전물을 형성하여 합금을 획기적으로 강화합니다.
3D 프린팅 인코넬 속성
인코넬 소재는 내열성, 내식성, 고강도, 뛰어난 피로 수명 등 표준 스테인리스강을 훨씬 뛰어넘는 탁월한 조합을 제공합니다. 따라서 더 높은 비용에도 불구하고 극한의 요구사항에 적합합니다.
물리적 특성
- 밀도 - 7.9~8.5g/cm3 범위
- 녹는점 - 정확한 구성에 따라 1300~1450°C
- 전기 저항 - 70-94 μΩ-cm의 범위
- 열 전도성 - 10-20W/m-K에서 약함
- 열팽창 계수 - 약 13-16(μm/m)/°C
기계적 특성
- 인장 강도 - 500-1500 MPa
- 수율 강도 - 240-1200 MPa
- 신장 – 10-55%
- 경도 - 로크웰 B 80-150
- 탄성 계수 - 150-210 GPa
- 골절 인성 - 100-300 MPa-m^1/2^
성능 제한
- 최대 서비스 온도 - 650-1100°C
- 내산화성 - 최대 900-1100°C의 공기 중에서
- 수성 내식성 - 다양한 미디어
- 황산화 저항 - 연속 500-900°C
피로 강도
인코넬의 가장 큰 장점은 열 및 기계적 변형 사이클에서도 유지되는 뛰어난 피로 성능입니다. 예를 들어 인코넬 718은 700°C에 가까운 온도에서 100,000시간 이상의 인상적인 파열 수명을 제공합니다.
적층 제조 방법
인코넬은 레이저 또는 전자 빔이 디지털 모델 섹션을 기반으로 연속적인 금속 분말 층을 융합하는 파우더 베드 융합 기술을 사용하여 3D 프린팅할 수 있습니다. 이를 통해 감산 방식으로는 얻을 수 없는 복잡한 인코넬 형상을 구현할 수 있습니다.
주로 사용되는 두 가지 기술은 다음과 같습니다:
레이저 파우더 베드 퓨전(L-PBF)
고출력 레이저가 파우더 베드를 스캔하여 부품 단면과 일치하는 영역을 선택적으로 녹여 입자를 빠르게 응고시켜 서로 결합시키는 직접 금속 레이저 소결(DMLS)이라고도 합니다.
전자빔 파우더 베드 융합(E-PBF)
전자 빔은 CAD 모델 형상을 기반으로 파우더 층을 융합하는 데 고밀도 에너지원을 제공합니다. 빌드 환경은 진공 상태이므로 빔 산란 문제가 발생하지 않습니다.
L-PBF는 접근성이 높고 속도가 빠르며, E-PBF는 알루미늄이나 구리 합금과 같이 반사율이 높은 재료를 더 잘 처리할 수 있습니다. 두 방법 모두 단일 인쇄 부품 내에 합금을 혼합할 수 있습니다.
프로세스 고려 사항
특히 인코넬 AM의 경우 균열과 왜곡을 유발하는 높은 열 응력, 형상을 제한하는 고유 잔류 응력, 마감 처리가 필요한 조도, 강재 대비 파라미터 개발의 복잡성, 설계 데이터 부족 등의 문제가 있습니다.
목표 기계적 성능을 달성하려면 스캔 전략, 온도, 빔 출력, 해치 간격, 파우더 특성, 열 관리 및 후처리를 신중하게 최적화해야 합니다.
3D 프린팅 인코넬 인쇄 가능한 성적
인쇄되는 가장 일반적인 가공 인코넬 변형은 75% 이상의 사용량을 나타내는 인코넬 625 및 인코넬 718이며, 그다음으로 인코넬 800, 인코넬 686 및 틈새 애플리케이션을 위한 특수 등급이 있습니다.
인코넬 625
니켈-크롬-몰리브덴 합금은 최대 980°C의 극한 온도에서도 뛰어난 납땜성과 부식 성능으로 강도를 제공합니다. 연소 캔, 엔진 밸브, 열교환기 및 화학 처리 하드웨어에 사용됩니다.
인코넬 718
항공우주 등급 니켈강은 항복 강도가 최대 1,200MPa에 달하고 650°C에서 장시간 사용해도 특성을 유지할 수 있는 뛰어난 성능을 자랑합니다. 높은 강도, 인성 및 피로 저항성으로 인해 터빈 블레이드 및 디스크와 같은 비행 하드웨어에 가장 적합한 초합금입니다.
인코넬 800
최대 1150°C의 침탄 및 산화 환경에 대한 탁월한 내성을 제공하는 철-니켈-크롬 합금. 과열기 튜브, 열처리 장비, 연소 히터 등에 사용됩니다.
인코넬 686
텅스텐과 몰리브덴을 첨가하여 입계 부식 및 피팅 성능을 개선하도록 설계된 인코넬 625의 개량형입니다. 연도 가스 탈황 시스템 및 원자력 증기 발생기에 사용됩니다.
사용자 지정 성적
고부가가치 애플리케이션을 위한 R&D에서는 인코넬과 탄화물, 고엔트로피 합금 또는 기타 입자를 혼합하여 크리프, 피로, 마모 또는 내식성과 같은 특성을 더욱 강화합니다.
3D 프린팅 인코넬 기계적 성능
일반적으로 적층 제조된 인코넬은 주조 또는 단조 인코넬에 비해 인장 및 피로 거동이 개선된 것으로 나타났습니다.
예를 들어 3D 프린팅된 인코넬 718은 기존 가공 소재에 비해 수율과 인장 강도가 30% 이상 높으면서도 연신율이 10% 이상으로 상당한 연성을 유지합니다.
일반적인 인쇄 인코넬 재종의 일반적인 기계적 특성
| 합금 | 최대 인장 강도(MPa) | 항복 강도(MPa) | 연신율(%) |
|---|---|---|---|
| 인코넬 625 | 860-980 | 500-690 | 40-55 |
| 인코넬 718 | 1250-1300 | 1050-1160 | 12-25 |
| 인코넬 800 | 450-760 | 240-550 | 30-60 |
강도가 증가한 것은 인쇄 인코넬의 경우 입자 크기가 5-10미크론으로 크게 개선되었기 때문입니다(단조의 경우 ASTM 평균 입자 크기가 50미크론 이상인 것과 달리). 이러한 홀-패치 강화와 일부 유지된 금속 간 상이 결합되어 향상된 기계적 성능을 설명합니다.
예상 하중 조건에 맞춘 방향성 고형화 유형의 미세 구조와 텍스처는 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 반면에 부적절한 인쇄 매개변수로 인한 다공성이나 균열과 같은 결함은 특성에 부정적인 영향을 미칩니다.
3D 프린팅 인코넬 애플리케이션
3D 프린팅은 복잡한 형상, 빠른 처리 시간 또는 맞춤형 합금이 필요한 성능에 중요한 애플리케이션으로 인코넬 사용을 확대하는 동시에 재료의 한계를 넘지 않는 단순한 부품의 경우 기존의 감산 기술을 보완합니다.
항공우주
적층 가공된 로켓 추진 부품, 터빈 블레이드, 연료 노즐, 연소 라이너는 극한의 열 플럭스와 압력에서 기존 초합금 가공품보다 뛰어난 성능을 발휘합니다. 최적화된 냉각 채널과 더 가벼운 통합 어셈블리도 실현되었습니다.
석유 및 가스
웰헤드 하드웨어, 다운홀 공구, 드릴 비트 및 케이스는 다른 방식으로 제조하기 어려운 기하학적 구조와 내장 센서 통합을 갖춘 방향성 고형화 인코넬 부품의 향상된 내마모성 및 내식성의 이점을 누릴 수 있습니다.
전력 생성
열교환기 튜브, 과열기 코일 및 가스터빈 핫 섹션 구성품은 맞춤형 인코넬 구성과 복잡한 컨포멀 채널로 중요 부위를 냉각하여 수명이 2~4배 연장됩니다.
자동차
서로 다른 인코넬 재종을 혼합하면 배기 매니폴드 기능을 통합한 단일 실린더 헤드가 냉각수 흐름을 최적화하면서 녹거나 균열 없이 850°C 이상의 온도를 견딜 수 있습니다.
새로운 애플리케이션
맞춤형 의료 및 치과용 임플란트, 미세 유체 반응기 및 방열판, 전기 분해용 전극, 틈새 항공 우주 분야에서는 특히 인코넬 AM의 유연성을 활용합니다.
글로벌 공급업체 및 가격
다양한 계약 제조업체, 금속 프린터, 인쇄소, 파우더 공급업체, 소프트웨어 회사, 부품 마감업체가 전 세계적으로 인코넬 부품 생산을 지원합니다. 가격은 주문량, 공차 요구 사항, 리드 타임 및 품질 요구 사항과 같은 요인에 따라 달라집니다.
| 회사 | 본사 위치 |
|---|---|
| 레니쇼 | UK |
| GE 애디티브 | US |
| 3D Systems | US |
| EOS | 독일 |
| Velo3D | US |
| 목수 첨가제 | US |
| 프로토랩 | US |
| 구체화 | 벨기에 |
| 회가나스 | 스웨덴 |
| 오베르 & 듀발 | 프랑스 |
예상 부품 비용:
인코넬 인쇄 부품의 범위는 다음과 같습니다. 입방인치당 $50-500 복잡성, 소모품 사용률, 강철이나 티타늄과 같은 기존 합금에 비해 가공 난이도, 필요한 마감 품질에 따라 결정됩니다. 대량 약정은 규모의 경제를 크게 향상시킵니다.
표준 및 사양
기존 인코넬 가공 표준에 따른 인쇄 파라미터 개발은 구성과 기준 기계적 기대치를 일치시키는 데 도움이 됩니다:
| 표준 | 조직 | 적용되는 성적 |
|---|---|---|
| AMS 5662 | SAE | 인코넬 625 |
| AMS 5663 | SAE | 인코넬 718 |
| AMS 2875 | SAE | 인코넬 X-750 |
그러나 인쇄된 인코넬에 대한 설계, 자격, 테스트, 인증, 분말 처리 및 기타 고려 사항을 다루는 AM 관련 표준은 전반적으로 계속 발전하고 있습니다:
- ASTM F3055 - 분말 베드 융합을 사용한 적층 제조 니켈 합금(UNS N06625)의 표준 사양
- ASTM F3056 - 분말 베드 융합을 사용한 적층 제조 니켈 합금(UNS N07718)의 표준 사양
- ASME BPVC 섹션 IX - 용접, 브레이징 및 용착 자격 취득
- AWS D20.1 - 적층 제조를 사용한 금속 부품 제조
이러한 사양에 따라 인쇄 공정의 변동성을 제어하면서 기존 가공 등급을 공급 원료로 사용하면 일관된 인코넬 인쇄 특성을 보장할 수 있습니다.
적층 제조 인코넬의 장단점
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| - 향상된 강도 및 내구성 | - 프린터 및 입력 자료의 높은 비용 |
| - 격자와 같은 복잡한 내부 기능 | - 프린터 봉투에 따라 제한된 크기 |
| - 제작 시간 단축 | - 주조/단조 대비 낮은 처리량 |
| - 맞춤형 합금 및 미세 구조 | - 상당한 후처리가 필요한 경우가 많음 |
| - 컨포멀 냉각 채널 | - 레이어 증착으로 인한 이방성 특성 |
| - 토폴로지 최적화 경량 부품 | - 잔류 스트레스 및 왜곡 위험 |
| - 단일 구성 요소로 부품 통합 | - 자격 및 인증 과제 |
| - 공급망 유연성 향상 | - 가공 대비 일부 기계적 특성 감소 |
| - 리드 타임 및 재고 감소 | - 루스 파우더 취급 시 주의사항 |
| - 빼기 방식을 뛰어넘는 설계의 자유 |
일반적으로 프린터 기능과 애플리케이션 요구 사항 및 비용의 균형을 맞추는 것이 인코넬 부품 제작을 위한 최적의 경로를 결정합니다.
자주 묻는 질문
Q: 3D 프린팅된 인코넬 부품의 품질을 개선하기 위한 모범 사례에는 어떤 것이 있나요?
A: 파라미터 최적화, 파우더 관리, 스캐닝 전략 변경, 맞춤형 열 주기, HIP 및 열 처리, 표면 마감, CT 스캔 및 포괄적인 기계적 검증 테스트는 적층 공정 문제를 극복하여 전체 운영 수명 주기 동안 신뢰할 수 있는 인코넬 프린팅 무결성을 보장하는 데 도움이 됩니다.
Q: 레이저 또는 전자빔 파우더 베드 융착 중 어떤 프린팅 공정이 더 우수한 인코넬 부품을 생산합니까?
A: 두 방법 모두 고밀도 인코넬 부품을 만들 수 있지만 레이저는 표면 마감을 더 잘 처리하는 반면 전자 빔은 속도가 느리지만 더 높은 종횡비 특징을 구현할 수 있습니다. 또한 성능은 빔 출력, 스폿 크기, 래스터 경로, 챔버 크기 및 정밀도와 같은 특정 장비 기능에 따라 달라집니다.
Q: 인쇄된 인코넬의 피로 수명은 기존 제조 부품과 비교했을 때 어떤 차이가 있나요?
A: 높은 사이클 피로 조건에서 적층 제조된 인코넬은 일반적으로 주조 및 단조 합금을 충족하거나 초과합니다. 예를 들어 인코넬 718은 주조보다 6~8배 더 긴 수명을 보여줍니다. 그러나 복잡한 열-기계적 피로 조건에서는 다른 공정에 비해 최적화 수준에 따라 결함 제어 실패로 인해 수명이 짧아지거나 길어질 수 있습니다.
Q: 625 및 718과 같은 일반 등급을 넘어 맞춤형 인코넬 합금을 3D 프린팅할 수 있나요?
A: 예, R&D에서는 텅스텐, 탄탈륨, 코발트, 알루미늄, 탄소 등의 원소를 인코넬 제품군 매개변수 내에서 제어적으로 첨가하여 강성, 강도, 연성, 마모 성능, 고온 거동 및 내식성과 같은 특성을 강화하는 특수 분말 혼합물을 개발하는 경우가 많습니다.
Q: 적층 제조 인코넬 부품의 사용은 어떤 발전으로 인해 더욱 증가할까요?
A: 생산 비용을 절감하는 더 빠른 장비, AM과 감산 기술을 하나의 시스템으로 결합한 하이브리드 제조, 결함을 최소화하는 고급 공정 중 모니터링 및 폐쇄 루프 제어, 확장된 합금 옵션, 더 완벽한 설계 데이터, 인쇄 인코넬을 대상으로 한 엄격한 자격 표준 등이 모두 채택을 확대할 것입니다.
