Nikel Bazlı Süperalaşım Inconel 718 için SLM Proses Optimizasyonu: Uçak Motoru Sıcak Bölge Bileşenlerinde Eklemeli İmalat Yolu

Giriş: Sıcak bölge bileşenleri neden eklemeli imalata ihtiyaç duyar?

Uçak motoru sıcak bölge bileşenleri yüksek çalışma sıcaklıklarına, karmaşık yüzey geometrilerine, küçük parti üretimlerine ve acil teslimat gereksinimlerine sahiptir. Geleneksel proseslerde dövme taslaktan bitmiş ürüne malzeme kullanım oranı yalnızca yaklaşık %15 ila %20’dir; pahalı alaşımların büyük bir kısmı talaş olarak uzaklaştırılır. Inconel 718 yüksek akma dayanımına ve ciddi iş sertleşmesine sahiptir; bu nedenle talaşlı imalatta kesici takımlar hızlı aşınır ve parça başına işlem süresi yüksektir. SLM (Seçici Lazer Ergitme), katman katman ergitme yoluyla malzeme kullanım oranını %60’ın üzerine çıkarır; aynı zamanda konformal soğutma kanallarını ve hafifletilmiş yapıları tek parça halinde üretebilir. Bu da onu sıcak bölge bileşenlerinde ağırlık azaltma ve hızlı geliştirme için ideal bir yol haline getirir.

1. Toz özellikleri prosesin başlangıç noktasıdır

Inconel 718 oksijen içeriğine son derece duyarlıdır. Gaz atomizasyonu ile üretilmiş küresel tozların kullanılması önerilir; tane boyutu dağılımı 15 ila 53 mikron olmalı, oksijen içeriği 300 ppm’in altında kontrol edilmeli ve akışkanlık değeri (Hall akış hızı) 50 gram başına 18 saniyeden daha iyi olmalıdır. Tozdaki niyobyum, molibden ve titanyum oranları Laves fazı çökelmesini doğrudan etkiler. Niyobyum segregasyonu eşik değeri aştığında, tane sınırlarında düşük ergime noktalı ötektik fazların oluşması kolaylaşır ve bu durum sıcak çatlakların başlangıç noktası haline gelir. Fırına alınmadan önce eleme yapılmalı (53 mikron elek önerilir), nem ve görünür yoğunluk testleri uygulanmalı ve metalografik referans numuneleri hazırlanmalıdır.

2. Lazer proses penceresinde parametre seçimi

Sıcak bölgede yük taşıyan parçalar için genellikle 250 ila 400 watt lazer gücü, 80 ila 120 mikron spot çapı, 800 ila 1200 mm/s tarama hızı ve 30 ila 50 mikron katman kalınlığı kombinasyonu kullanılır. Hacimsel enerji yoğunluğunun 55 ila 75 J/mm³ aralığında kontrol edilmesi önerilir: enerji çok düşük olduğunda ergimeme kusurları ve gözeneklilik artar; çok yüksek olduğunda ise aşırı yanma, element kaybı ve sıçrama şiddetlenir. Tarama stratejisi olarak 67 ila 73 derece katmanlar arası döndürme ile satranç tahtası tipi bölgelendirme önerilir; bu, tek yönlü ısı birikimini azaltır. Taban plakasının 80 ila 120°C’ye ön ısıtılması çatlamayı belirgin biçimde bastırabilir.

3. Sıcak çatlak ve artık gerilmenin mühendislik kontrolü

Inconel 718, katılaşmanın son aşamasında tane sınırları boyunca Laves fazı çökelmesine ve buna eşlik eden mikro çatlaklara yatkındır; bu durum özellikle köşelerde ve kalınlık geçişlerinin ani olduğu bölgelerde görülür. Mühendislik uygulamalarında üç yöntemle buna karşılık verilir: birincisi, tarama hızını artırıp katman enerjisini düşürerek ergiyik havuzundaki termal gradyanı küçültmek; ikincisi, büyük boyutlu parçalar için taban plakasında kademeli ön ısıtma ve yavaş soğutma uygulamak; üçüncüsü, şekillendirme sonrasında çözeltiye alma (980 ila 1020°C) ve çift kademeli yaşlandırma (720 ve 620°C) ısıl işlemi uygulayarak Laves fazının yeniden çözünmesini, güçlendirici fazların homojen çökelmesini ve artık gerilmelerin %80’den fazlasının giderilmesini sağlamak. Gerilme giderme sonrası tel erozyon ile ayırma, doğrudan su verme işlemine göre daha kararlıdır.

4. Son işlemler ve boyutsal kararlılık

Desteklerin uzaklaştırılmasında öncelik tel erozyon veya elektroerozyon yöntemlerine verilmelidir; mekanik darbelerin mikro çatlak oluşturmasından kaçınılmalıdır. Yüzeyde kumlama ve polisaj uygulanarak Ra değeri 3,2 mikronun altında kontrol edilmelidir. İç kusurlar için endüstriyel BT (çözünürlük 20 mikrondan büyük olmamalı) ve metalografik örnekleme kontrolleri yapılmalı; hacimsel gözeneklilik oranının %0,5’in altında ve en büyük kusur gözenek çapının 200 mikrondan küçük olması istenmelidir. Yük taşıyan akış kanalları için ayrıca floresan penetrant muayenesi ve basınç kaçak testi yapılmalıdır.

5. Numuneden motora takılmaya uzanan kalite doğrulaması

Sıcak bölge bileşenleri, mekanik performans matrisiyle doğrulanmalıdır: oda sıcaklığında ve 650°C’de çekme dayanımı, akma dayanımı, uzama oranı ve 650°C’de 100 saatlik kalıcı dayanım değerlendirilmelidir; mikroyapı ise çift fazlı güçlendirme gerekliliklerini karşılamalıdır. Kritik parçalar için ilk parça onayı ve proses yeterliliği uygulanmalı (CPK en az 1,33 olmalı); toz partisi, proses parametreleri, BT görüntüleri ve mekanik sonuçları kapsayan eksiksiz bir izlenebilirlik zinciri kurulmalıdır. Ancak bundan sonra küçük parti motor montaj doğrulamasına geçilebilir.

Sonuç

Inconel 718’in SLM süreci, yalnızca tozu eritmekten ibaret değildir; toz kalite kontrolünden parametre penceresine, gerilme giderme ısıl işleminden motor montaj doğrulamasına uzanan sistematik bir mühendislik sürecidir. Laves fazı ve artık gerilme olmak üzere iki ana hattı doğru yönetmek, uçak motoru sıcak bölge bileşenlerinde eklemeli imalatı “basılabilir” olmaktan “güvenle motora takılabilir” seviyesine taşımak için gereklidir.