인코넬 718: 적층 제조를 위한 궁극의 초합금

우리의 재료 과학 블로그 시리즈는 일반적으로 사용되는 제조 소재, 그 특성, 기타 관련 특성을 소개합니다. 이 게시물은 대표적인 적층 제조 소재인 인코넬 718을 다루며, 이 니켈 기반 초합금의 특성과 일반적인 적층 응용 분야를 탐구합니다.

인코넬이란 무엇인가?

인코넬은 '초합금'으로 간주됩니다. 제2차 세계대전 이후 초합금이라는 용어는 항공기 부품의 극한 열 노출 시 성능 수명을 연장하기 위해 개발된 고성능 합금 그룹을 설명하기 위해 등장했습니다.

항공우주 OEM용으로 적층 제조된 이 연소 라이너는 인코넬 718로 제작되었습니다.

합금은 강도와 내식성 같은 초금속 특성을 달성하기 위해 결합된 금속 혼합물입니다. 초합금(고성능 합금, 내열 합금, 고온 합금으로도 알려짐)은 항공우주, 석유화학, 자동차 경주, 오일 및 가스 등 여러 산업의 주력 소재입니다.

1965년 대량 생산으로 확대된 인코넬 718은 적층 제조 산업에서 잘 알려진 니켈-크로뮴 주력 소재입니다. 카르노 사이클(가장 효율적인 열기관 사이클)을 요약하면, 더 뜨거운 연소는 에너지 효율을 가져오고, 에너지 효율은 연료 효율로 이어집니다.

이것이 인코넬 718 같은 초합금이 효율적이고 비용 효율적인 설계에 매우 중요한 이유입니다. 극한 환경에서의 안정성과 내식성, 크리프, 열충격 저항 능력은 항공우주 산업에 이상적인 후보가 됩니다.

이 차트는 고성능 소재의 비강도를 보여줍니다. 이미지 제공: laserchirp.com

이 니켈-크로뮴-몰리브덴 초합금은 터빈 블레이드, 덕팅 시스템, 엔진 배기 시스템의 고온 구간 구성품에 사용됩니다. 실제로 항공기 및 로켓 엔진에 사용되는 소재의 50%가 니켈 기반 초합금입니다.

인코넬 718과 유사한 합금은 항공기 및 로켓 이외의 응용 분야에서도 발견됩니다. 화학 및 석유화학 플랜트(용기, 펌프, 밸브, 배관), 발전소(산업용 가스 터빈), 잠수함(프로펠러 블레이드, 퀵 디스커넥트 피팅, 보조 추진 모터), 원자로(열교환 튜브, 피팅), 오일 및 가스 산업(다운홀 튜블러, 웰헤드 하드웨어, 플레어 붐) 등이 인코넬 718의 제조 및 생산 용도에 기여합니다.

극저온 응용 분야에서도 인코넬 718을 사용하는데, 매우 낮은 온도에서 취성 파손을 견디는 능력 때문입니다.

인코넬 vs 티타늄 vs 강철

위 오른쪽 차트에 표시된 것처럼, 니켈 기반 합금인 인코넬 718은 가혹한 온도 환경에서의 성능 측면에서 티타늄이나 강철보다 적합한 소재 후보가 될 수 있습니다. 니켈 기반 합금의 산화 보호층은 기계적 성능을 더욱 향상시킵니다. 아래 표에는 인코넬 718, 스테인리스 강, 티타늄의 특성이 나열되어 있습니다. 프로토랩스의 모든 소재에 대한 자세한 내용은 소재 비교 가이드에서 확인할 수 있습니다.

적층 인코넬 718 특성

적층 17-4 PH 스테인리스 강 특성

적층 316L 스테인리스 강 특성

적층 티타늄/Ti6 Al-4V 특성

적층 제조가 그림에서 차지하는 위치

비적층 인코넬로 원하는 설계를 얻는 것은 어려울 수 있습니다. 즉, 기존 제조 방법이 사용되면 고온 내식성과 크리프 저항성 같은 기계적 성능 속성에 영향을 미쳐 구성품 성능이 저하될 수 있습니다. 어닐링 단계는 가공, 단조, 용접 공정 초기에도 필요합니다. 인코넬 718의 적층 제조는 기계적 특성이 희생되지 않으며, 주조나 단조 부품의 특성을 초과할 수도 있음을 보여주었습니다.

항공우주 산업과 GE Aviation 같은 기업들은 이미 항공기 제트 엔진용 적층 제조 부품을 생산하고 있습니다. 설계 자유도, 부품 통합, 공급망 효율성이 궁극적으로 연료와 비용 절감을 달성할 때 적층 제조 항공우주 부품을 주목받게 합니다.

2017년 물리학회(IOP) 재료 과학 및 공학 컨퍼런스에서 발표된 논문에 따르면 여러 적층 초합금 극저온 응용 분야도 적층 제조를 사용하고 있습니다. 튜브와 쉘, 극저온 현가 및 지지 시스템, 임펠러 또는 펌프 구조물, 밸브 스템, 냉각 튜브, 열 파이프, 단열 설계, 열교환기, 고다공성 시스템의 가스 저장 등은 극저온(-460°F)부터 1,400°F까지 온도 범위에서 고강도 초합금이 필요한 응용 분야에 모두 적합합니다.

분말 금속의 개발과 산업용 금속 3D 프린팅 기계의 발전이 많은 산업 내 대화를 발전시켜 적층 제조 초합금의 이점을 개방했습니다. 인코넬 718로 부품을 제작하는 능력은 사실상 부품을 제작하려는 누구에게나 현실입니다.

프로토랩스에서는 최대 31.5인치 x 15.7인치 x 19.7인치(800mm x 398mm x 500mm) 빌드 볼륨의 적층 소재 옵션으로 인코넬 718을 제공합니다. GE Additive X Line 2000R 기계를 라인업에 도입함으로써 대형 적층 인코넬 718 부품에 단일 공급업체 의존을 가능하게 하고 있습니다.

또한 인코넬의 기계적 특성을 향상시키는 열처리 옵션을 수행할 수 있습니다. 많은 열처리 옵션 중 하나는 열간 등방성 프레스(HIP)로, 부품 내 밀도를 높이고 기공을 줄여 기계적 특성을 개선하는 데에도 수행될 수 있습니다.

Rachel Hunt는 프로토랩스 3D 프린팅 마케팅 매니저입니다. 전 프로토랩스 고객으로 의료 기기 산업에서 엔지니어링 및 마케팅 직책을 역임했습니다. Hunt는 전 세계 최종 사용자 고객 및 제조 공급업체와 협력하여 수술 기기를 상용화했습니다. 노스캐롤라이나 주립대 생체의공학 학사, 듀크대 공학 경영 석사 학위를 보유하고 있습니다.