اینکونل چیست؟
اینکونل به عنوان یک «سوپرآلیاژ» در نظر گرفته می شود. پس از جنگ جهانی دوم، اصطلاح سوپرآلیاژ برای توصیف گروهی از آلیاژهای با کارایی بالا که برای افزایش عمر عملکرد اجزای هواپیما در معرض گرمای شدید ساخته شده بودند، به وجود آمد.
این محفظه ی احتراق ساخته شده برای هوافضای OEM به روش تولید افزایشی با اینکونل 718 ساخته شده است.
آلیاژها مخلوطی از فلزات هستند که برای دستیابی به ترکیبی فوق العاده از ویژگی های فلزی مانند استحکام و مقاومت در برابر خوردگی ترکیب می شوند. سوپرآلیاژها - همچنین با نام آلیاژهای با کارایی بالا، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت یا آلیاژهای با دمای بالا شناخته می شوند - مواد اصلی مورد استفاده در صنایع بسیاری از جمله هوافضا، پتروشیمی، مسابقات اتومبیلرانی و نفت و گاز هستند.
اینکونل 718 که در سال 1965 به تولید انبوه رسید، به عنوان ماده ای از ترکیب نیکل کروم برای صنعت تولید افزایشی شناخته شده است. با جوشاندن چرخه کارنو یا کارآمدترین چرخه موتور حرارتی، احتراق داغ تر منجر به بهره وری انرژی می گردد. بهره وری انرژی نیز منجر به بهره وری سوخت می شود.
به همین دلیل است که سوپرآلیاژهایی مانند اینکونل 718 برای طراحی های کارآمد و مقرون به صرفه بسیار حیاتی هستند. پایداری آنها در محیط‌های ناهمگن و توانایی مقاوم ماندن در برابر خوردگی، خزش و شوک حرارتی، آنها را به گزینه ای ایده‌آل برای صنعت هوافضا تبدیل می‌کند.
این نمودار مقاومت ویژه مواد با کارایی بالا را نشان می دهد. تصویر برگرفته از laserchirp.com
این سوپرآلیاژ مرکب از نیکل-کروم-مولیبدن در اجزای بخش گرم پرههای توربین، سیستم های کانال کشی و سیستم های اگزوز موتور استفاده می شود. در واقع 50 درصد مواد مورد استفاده در موتورهای هواپیما و موشک، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل هستند.
اینکونل 718 و آلیاژهای مشابه دارای کاربردهای غیرهوافضایی و موشکی نیز می باشند. کارخانه های شیمیایی و پتروشیمی (مخازن، پمپ ها، شیرها، لوله ها)، نیروگاه ها (توربینهای گازی صنعتی)، زیردریایی ها (تیغه های پروانه ای، اتصالات قطع سریع، موتورهای پیشران کمکی)، راکتورهای هسته ای (لوله های مبدل حرارتی، اتصالات) و صنعت نفت و گاز (مجراه ای چاه، سخت افزار سر چاه، فلربوم ها) در تولید و استفاده از اینکونل 718 مشارکت دارند.
همچنین اینکونل 718 به دلیل مقاومت در برابر شکست ترد در دماهای بسیار پایین، در صنایع برودنی نیز مورد استفاده قرار می گیرد.
مقایسه ی اینکونل، تیتانیوم و فولاد
همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است، آلیاژهای بر پایه ی نیکل مانند اینکونل 718، می توانند گزینه ی مناسبتری نسبت به تیتانیوم یا فولاد برای عملکرد در محیط های با دمای بسیار بالا باشند. لایه های محافظ اکسید شده در آلیاژهای بر پایه ی نیکل، عملکرد مکانیکی را بهبود می بخشند. جداول زیر خواص اینکونل 718، فولاد ضد زنگ و تیتانیوم را نشان می دهد.
خواص اینکونل 718 به عنوان ماده ی افزودنی
|
شرایط |
استحکام کششی نهایی |
0.2% تسلیم شدن |
ازدیاد طول (%) |
سختی (HRC) |
|
اصلی (ASTM F3055) |
ksi 140 |
ksi 95 |
35 |
31 |
|
اصلاح شده (AMS 5662) |
ksi 207 |
ksi 175 |
18 |
46 |
|
اصلاح شده (AMS 5664) |
ksi 208 |
ksi 170 |
21 |
45 |
خواص فولاد ضد زنگ PH 17-4 به عنوان ماده ی افزودنی
|
شرایط |
استحکام کششی نهایی |
0.2% تسلیم شدن |
ازدیاد طول (%) |
سختی (HRC) |
|
اصلاح شده +H900 (AMS 5604) |
ksi 195 |
ksi 175 |
10 |
42 |
خواص فولاد ضد زنگ 316L به عنوان ماده ی افزودنی
|
شرایط |
استحکام کششی نهایی |
0.2% تسلیم شدن |
ازدیاد طول (%) |
سختی (HRC) |
|
تنش زدایی شده (ASTM F3184) |
ksi 92 |
ksi 70 |
60 |
95 |
خواص تیتانیوم Ti6 AL-4V به عنوان ماده ی افزودنی
|
شرایط |
استحکام کششی نهایی |
0.2% تسلیم شدن |
ازدیاد طول (%) |
سختی (HRC) |
|
تنش زدایی شده (AMS 2801) |
ksi 180 |
ksi 165 |
8 |
42 |
|
تنش زدایی شده (PRLB) |
ksi 143 |
ksi 127 |
14 |
35 |
جایی که تولید افزایشی مناسب به نظر می رسد
به دست آوردن طرح های مورد نظر بدون استفاده از اینکونل به عنوان ماده ی افزودنی می تواند چالش برانگیز باشد. به عنوان مثال، زمانی که از روش‌های تولید سنتی استفاده می‌شود، عملکرد اجزا ممکن است دچار مشکل شود؛ زیرا این روش ها میتوانند بر ویژگی‌های عملکرد مکانیکی مانند خوردگی در دمای بالا و مقاومت در برابر خزش تأثیر بگذارند. یک مرحله بازپخت نیز در ابتدای هر فرآیند ماشینکاری، آهنگری، یا جوشکاری مورد نیاز است. تولید افزایشی اینکونل 718 نشان داده است که در این روش، خواص مکانیکی نه تنها تضعیف نمی شوند، بلکه می توانند از خواص قطعات ریخته گری شده یا فرفورژه نیز فراتر روند.
صنعت هوافضا، هم اکنون در حال تولید قطعات ساخته شده با روش تولید افزایشی برای موتورهای جت هواپیما هستند. آزادی در طراحی، کاهش قطعات و کارایی زنجیره ی تامین، اجزای مرتبط با صنعت هوافضای ساخته شده به روش تولید افزایشی را به دلیل صرفه‌جویی در مصرف سوخت و هزینه نهایی، در کانون توجه قرار می‌دهد.
مقاله ای در سال 2017 در کنفرانس مؤسسه فیزیک (IOP) در مورد علم مواد و مهندسی آن ارائه شد و گزارش داد که در چندین مورد از کاربردهای برودتی سوپرآلیاژهای افزودنی نیز از ساخت افزایشی استفاده می شود. لوله ها و محفظه ها، سیستم های تعلیق و پشتیبانی برودتی، سازه های پروانه ها یا پمپ ها، میل سوپاپ ها، لوله های خنک کننده، لوله های حرارتی، طرح های عایق حرارتی، مبدلهای حرارتی و ذخیره سازی گاز در سیستمهای با تخلخل بالا، همگی برای کاربردهایی که نیاز به سوپرآلیاژهای با استحکام بالا دارند، مناسب هستند. در این موارد، دماها میتوانند از حالت برودتی (460- درجه فارنهایت) تا 1400 درجه فارنهایت متغیر باشند.
توسعه فلزات پودری، همراه با پیشرفت در دستگاه های چاپ سه بعدی فلزی در مقیاس صنعتی، زمینه را در بسیاری از صنایع برای افزایش مزایای تولید سوپرآلیاژها به صورت افزایشی توسعه داده است. در واقع، توانایی توسعه قطعات برای هر کسی که به دنبال ساخت آنها از اینکونل 718 است، یک واقعیت می باشد.
قابلیت های تولید افزایشی
پس از ماشینکاری
· فرزکاری 3 و 5 محوره
· تراشکاری
· ماشینکاری با تخلیه الکتریکی
· قلاویزکاری و برقوکاری
تجزیه و تحلیل پودر و مواد
· قابلیت ردیابی
· شیمی
· تجزیه و تحلیل توزیع و اندازه ذرات
· تست کوپن مکانیکی
تست مکانیکی
· کششی
· سختی راکول
· خستگی
· لرزش
عملیات حرارتی
· تنش زدایی
· پرس ایزواستاتیک داغ (HIP)
· محلول آنیلینگ
· پیرسازی
بازرسی و گزارش کیفیت
· گزارش بازرسیهای ابعادی
· اولین بازرسی مقاله (FAI) مطابق AS9102
· اسکنهای CMM، نوری و سی تی اسکن
· اشعه ایکس
· زبری سطح
گزینه های مواد
· اینکونل 718
· آلومینیوم / AlSi10MG
· کبالت کروم
· فولاد ضدزنگ 17-4 PH
· فولاد ضدزنگ 316L
· تیتانیوم / Ti6Al-4V
· مس / CuNi2SiCr
