Inconel 718：增材制造的主力材料

我们的材料科学博文系列展示了常用的制造材料、它们的特性和其他相关特性。这篇文章着眼于常用的增材制造材料 Inconel 718，探索这种镍基高温合金的特性和常见的增材应用。

什么是铬镍铁合金？

Inconel 被认为是一种“超级合金”。在第二次世界大战之后，出现了超级合金一词来描述一组高性能合金，这些合金是为延长暴露在极热环境下的飞机部件的性能寿命而开发的。

这种为航空航天 OEM 制造的燃烧衬套采用 Inconel 718 增材制造。

合金是一种金属混合物，它们结合在一起可实现金属特性的超级融合，例如强度和耐腐蚀性。高温合金又称高性能合金、耐热合金或高温合金，是航空航天、石油化工、赛车、石油和天然气等多个行业的主要材料。

Inconel 718 于 1965 年实现大规模生产，是增材制造行业众所周知的镍铬主力材料。归结为卡诺循环或最高效的热机循环，更热的燃烧会提高能源效率。能源效率导致燃料效率。

这就是为什么像 Inconel 718 这样的高温合金对于高效和具有成本效益的设计如此重要。它们在极端环境中的稳定性以及保持抗腐蚀、蠕变和热冲击的能力，使它们成为航空航天工业的理想选择。

此图表显示了高性能材料的比强度。图片由 laserchirp.com 提供

这种镍铬钼高温合金用于涡轮叶片、管道系统和发动机排气系统的热截面部件。事实上，用于飞机和火箭发动机的材料中有50%是镍基高温合金。

Inconel 718 和类似合金也用于非飞机和火箭应用。化学和石油化工厂（容器、泵、阀门、管道）、发电厂（工业燃气轮机）、潜艇（螺旋桨叶片、快速断开接头、辅助推进电机）、核反应堆（热交换器管、接头），以及石油和天然气行业（井下管件、井口硬件、火炬吊杆）对 Inconel 718 的制造和生产使用做出了贡献。

低温应用也使用 Inconel 718，因为它能够在极低的温度下承受脆性断裂。

因科镍合金与钛与钢

如上图右图所示，就恶劣温度环境下的性能而言，镍基合金（如 Inconel 718）可以成为优于钛或钢的合适材料。镍基合金中的氧化保护层进一步提高了机械性能。下表列出了 Inconel 718、不锈钢和钛的特性。有关 Protolabs 所有材料的更多详细信息，请参阅我们的材料比较指南。

Inconel 718 添加剂的特性

条件	科技大学	0.2% 的收益率	伸长率（%）	硬度（HRC）
竣工 (ASTM F3055)	140 ksi	95 ksi	35	31
解决方案 Treat and Age (AMS 5662)	207 ksi	175 ksi	18	46
解决方案 Treat and Age (AMS 5664)	208 ksi	170 ksi	21	45

添加剂 17-4 PH 不锈钢的特性

条件	科技大学	0.2% 的收益率	伸长率（%）	硬度（HRC）
Solution Treat + H900 (AMS 5604)	195 ksi	175 ksi	10	42

添加剂 316L 不锈钢的特性

条件	悉尼科技大学	0.2% 的收益率	伸长率（%）	硬度（HRC）
应力消除 (ASTM F3184)	92 ksi	70 ksi	60	95

添加剂钛/Ti6 AL-4V 的特性

条件	科技大学	0.2% 的收益率	伸长率（%）	硬度（HRC）
减压（AMS 2801）	180 ksi	165 ksi	8	42
减压 (PRLB)	143 ksi	127 ksi	14	35

增材制造在图片中的位置

使用非添加 Inconel 获得所需的设计可能具有挑战性。也就是说，当使用传统制造方法时，组件性能可能会受到影响，因为它们会影响机械性能属性，如高温腐蚀和抗蠕变性。在任何机加工、锻造或焊接工艺开始时也需要退火步骤。 Inconel 718 的增材制造表明，其机械性能并未牺牲，甚至可以超过铸件或锻件的性能。

航空航天业和 GE Aviation 等公司已经在为飞机喷气发动机生产增材制造零件。当最终实现燃料和成本节约时，设计自由度、零件减少和供应链效率使增材制造的航空航天部件成为人们关注的焦点。

2017 年在物理研究所 (IOP) 材料科学与工程会议上发表的一篇论文报告说，几种增材超合金低温应用也在使用增材制造。管和壳、低温悬挂和支撑系统、叶轮或泵的结构、阀杆、冷却管、热管、隔热设计、热交换器和高孔隙率系统中的气体储存都非常适合需要高强度超级合金的应用，其中温度范围从低温（-460 华氏度）到 1,400 华氏度。

粉末金属的发展，加上工业级金属 3D 打印机的进步，推动了许多行业内的对话，以释放增材制造高温合金的好处。事实上，对于任何希望使用 Inconel 718 制造零件的人来说，开发零件的能力都是现实。

在 Protolabs，我们提供 Inconel 718 作为添加材料选项，可用于构建体积高达 31. 5 英寸 x 15.7 英寸 x 19.7 英寸（800 毫米 x 398 毫米 x 500 毫米）的零件。通过在我们的产品线中引入 GE Additive X Line 2000R 机器，我们为行业依赖单一供应商生产大型增材 Inconel 718 零件铺平了道路。

此外，可以执行增强铬镍铁合金机械性能的热处理选项。许多热处理选项之一包括热等静压 (HIP)，也可以通过增加零件内的密度和减少孔隙率来提高机械性能。

Protolabs 的增材制造能力
3D 打印 构建体积高达 31.5 英寸 x 15.7 英寸 x 19.7 英寸。 零件分辨率选项从 20 到 60 微米 最小特征尺寸选项从 0.030 英寸到 0.015 英寸不等。 后加工 3 轴和 5 轴铣削 转向 电火花加工 攻丝和铰孔 粉末分析与材料 可追溯性 化学 粒度和分布分析 机械试片测试 机械测试 拉伸 洛氏硬度 疲劳 振动 热处理 缓解压力 热等静压 (HIP) 固溶退火 老化 质量检查和报告 带有膨胀报告的尺寸检查 按照 AS9102 进行首件检验 (FAI) CMM、光学和 CT 扫描 X光 表面粗糙度 材料选项 铬镍铁合金 718 铝/ALSi10Mg 钴铬合金 不锈钢 17-4 PH 不锈钢 316L 钛/Ti 6AL-4V 铜/CuNi2SiCr

Rachel Hunt 是 Protolabs 的 3D 打印营销经理。作为 Protolabs 的前客户，她在医疗设备行业担任过工程和营销职位。亨特在全球范围内与终端用户和制造供应商合作，将手术器械商业化。她拥有学士学位。北卡罗来纳州立大学生物医学工程学士学位和杜克大学工程管理硕士学位。