3D-печать двигателей для БПЛА из инконеля: Inconel 718, 625 и Hastelloy X

Двигатель для БПЛА бывает электрическим, поршневым или газотурбинным. В турбореактивном и газотурбинном двигателе для БПЛА есть горячая часть: камера сгорания, сопловой аппарат, корпус турбины, выхлопной тракт. Для таких деталей производители жаропрочных никелевых сплавов прямо указывают свои материалы ^{1, 2, 3}. Самые известные из них - инконель (Inconel) Inconel 718 и Inconel 625, рядом с ними Hastelloy X.

Все три сплава печатают методом SLM/LPBF - селективного лазерного сплавления порошка слой за слоем. Ниже разберём, какие детали малых газотурбинных двигателей делают так, чем сплавы отличаются друг от друга и что показали публичные проекты. Речь о гражданских и исследовательских аппаратах и о малых ГТД в целом.

Какие детали двигателя печатают из никелевых сплавов

Производители проката в паспортах сплавов перечисляют детали газотурбинных двигателей, для которых эти материалы применяют:

• Inconel 718 - кольца, корпуса и листовые детали авиационных и наземных ГТД, крепёж, детали жидкостных ракетных двигателей ¹.
• Inconel 625 - выхлопные системы, топливные распылители, кольца корпуса турбины, переходные жаровые трубы камеры сгорания, трубки теплообменников ².
• Hastelloy X - детали зоны горения: жаровые трубы, переходные патрубки, распылители, стабилизаторы пламени, а также выхлопные трубы ³.

При печати к этому списку добавляются детали, которые иначе пришлось бы собирать из многих штампованных, точёных и сварных элементов: камера сгорания целиком, форсунки с внутренними каналами, теплообменники, корпуса опор. В демонстраторе турбовинтового двигателя GE, позже названного Catalyst, напечатали 12 деталей: жаровую трубу камеры сгорания, теплообменники, корпус выхлопа, рамы, корпуса подшипников и неподвижные детали проточной части ⁸.

Почему для горячей части берут никелевые сплавы

Горячие детали двигателя нагружены сразу тремя способами: температурой, окислением в потоке газа и термоциклами при каждом запуске и остановке. По паспортам производителей:

• Inconel 718 применяют от -253 до 704 °C ¹;
• Inconel 625 - от криогенных температур до 982 °C ²;
• Hastelloy X рассчитан на окислительную атмосферу: печные ролики из него оставались в хорошем состоянии после 8 700 часов работы при 1177 °C ³.

В карточках наших порошков ориентиры такие: Inconel 718 держит прочность до 650 °C, Hastelloy X рассчитан на окислительную среду до 1200 °C.

Цена жаропрочности - масса. Плотность всех трёх сплавов 8,2-8,4 г/см³ ^{1, 2, 3}. Поэтому из никеля печатают то, что стоит в горячем тракте, а для холодных узлов выбирают более лёгкие материалы.

Инконель: состав Inconel 718, Inconel 625 и Hastelloy X

Для 718 и 625 даны пределы по паспортам Special Metals ^{1, 2}, для Hastelloy X - номинальный состав по данным Haynes International ⁴. Фактический состав конкретной партии порошка смотрите в её паспорте. Для деталей из 718 и 625, выращенных в порошковом слое, есть отдельные стандарты ASTM F3055 и F3056 ^{5, 6}.

Чем инконель 718 отличается от 625 и Hastelloy X в двигателе

Inconel 718 упрочняется старением. После закалки на твёрдый раствор сплав выдерживают при 593-816 °C, и в металле выделяются упрочняющие фазы с никелем, алюминием, титаном и ниобием ¹. Для напечатанной детали это отдельная операция в печи, её закладывают в техпроцесс. Типичные места - нагруженные корпуса, кольца, крепёж.

Inconel 625 прочен за счёт молибдена и ниобия в твёрдом растворе, старение ему не нужно ². По паспорту он работает до более высокой температуры, чем 718. Отсюда выхлопные тракты, распылители топлива, переходные жаровые трубы и трубки теплообменников ².

Hastelloy X берут ради стойкости к окислению при самом сильном нагреве: это материал жаровых труб, переходных патрубков и стабилизаторов пламени ³. В печати он капризнее двух других. В образцах LPBF возникают внутренние трещины. Их закрывает горячее изостатическое прессование (ГИП), после него остаточная пористость ниже 0,1 %, затем проводят отжиг на твёрдый раствор ⁷.

Что даёт 3D-печать двигателей: меньше деталей в сборке

Главный выигрыш SLM/LPBF в двигателе - не скорость печати одной детали. Десятки отдельных элементов превращаются в одну деталь, и становится меньше сварных швов, паек и операций сборки. Три публичных примера:

• GE, турбовинтовой двигатель для деловой авиации. В демонстраторе 855 деталей обычного изготовления заменили 12 напечатанными. Масса снизилась на 5 %, удельный расход топлива улучшился на 1 % ⁸.
• Sierra Turbines, микротурбина Aurelius Mk1. Ядро турбины, которое собирали бы из 61 детали, напечатано одной деталью из Hastelloy X. Печать заняла около 50 часов вместо месяцев обычного изготовления. Среди рынков компания называет силовые установки для беспилотников, реактивные и гибридно-электрические ⁹.
• Самарский университет. В 2016 году напечатал на установке SLM 280 камеру сгорания малоразмерного ГТД из отечественного порошка ¹⁰. В 2017 году испытал с напечатанной камерой сгорания серийный двигатель ТА-8, вспомогательную силовую установку самолёта Ту-134. Свойства выращенных образцов оказались сопоставимы с деталями, изготовленными традиционно ¹¹.

Ограничения тоже есть. Деталь растёт на платформе с поддержками, их потом срезают. Порошок нужно полностью удалить из внутренних каналов. Горячим деталям нужна термообработка, а Hastelloy X ещё и ГИП ⁷. Размер детали ограничен камерой построения принтера. Поэтому новую деталь проверяют на образцах и в испытаниях двигателя, как это делали в Самаре ¹¹.

Где купить порошок инконель 718, 625 и Hastelloy X

В каталоге VMPowder все три сплава есть в виде порошка для SLM/LPBF: Inconel 718 и Hastelloy X во фракции 15-53 мкм, Inconel 625 - 15-50 мкм. Тара - по 5 и 10 кг в зависимости от партии. Актуальная цена указана в карточках, другие марки - в разделе никелевых порошков. Как подобрать фракцию под принтер, рассказываем в статье «Как выбрать металлический порошок для 3D-печати».

Чтобы подобрать сплав и фракцию, напишите, какую деталь печатаете, на каком принтере и при какой температуре она работает.

office@vmpowder.ru · +7 (495) 191-75-73

Частые вопросы