Leitfaden für FeCoNiCr-Pulver für den Metall-3D-Druck

Überblick über FeCoNiCr-Pulver

FeCoNiCr, auch bekannt als Stellite 21-Legierung, ist ein Mehrzweck-Superlegierungspulver auf Kobaltbasis, das für metallische 3D-Druckanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasindustrie, der Automobilindustrie und der Medizintechnik verwendet wird.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von FeCoNiCr-Pulver gehören:

AttributBeschreibung
ZusammensetzungEisen-, Kobalt-, Nickel- und Chromlegierung
Dichte8,2 g/cc
Schmelzpunkt1350°C
Wesentliche MerkmaleHohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit
Gebräuchliche HandelsnamenStellit 21, Haynes Stellit 21, Deloro 21, Tribaloy T-401

FeCoNiCr wird häufig für den Druck von Teilen verwendet, die eine hohe Härte, Abriebfestigkeit und Biokompatibilität erfordern, wie orthopädische Implantate, Werkzeuge sowie Öl- und Gaskomponenten. Es bietet eine vielseitige Kombination mechanischer Eigenschaften mit herkömmlichen 3D-Druckverfahren für Metalle.

FeCoNiCr-Pulver

Anwendungen von FeCoNiCr-Pulver

Dank seiner vielseitigen Materialeigenschaften hat FeCoNiCr ein breites Spektrum an industriellen Anwendungen:

IndustrieAnwendungen
Luft- und RaumfahrtTurbinenschaufeln, Fahrwerkskomponenten, Triebwerksteile
Öl und GasVentile, Bohrlochkopfkomponenten, Bohrlochwerkzeuge
AutomobilindustrieVentilkomponenten, Kolben, Turboladerräder
IndustriellExtrusionswerkzeuge, Spritzgießformen, Schneidwerkzeuge
MedizinischeOrthopädische Implantate, Prothetik, zahnmedizinische Geräte

Es wird für kritische Anwendungen geschätzt, die Abrieb, hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind. Die Möglichkeit, komplexe Geometrien aus FeCoNiCr in 3D zu drucken, bietet zusätzliche Designfreiheit.

Einige spezifische Anwendungsfälle sind:

  • Turbinenschaufeln - Hohe Festigkeit und Hitzebeständigkeit bei erhöhten Temperaturen
  • Orthopädische Implantate - Biokompatibilität und hohe Verschleißfestigkeit
  • Extrusionsdüsen - Widerstehen dem Verschleiß im Dauerbetrieb
  • Ventile und Dichtungen - Korrosionsbeständigkeit für Öl- und Gasumgebungen
  • Schneidwerkzeuge - Härte und Verschleißeigenschaften für Bearbeitungsanwendungen

FeCoNiCr ermöglicht leichtere, stärker konsolidierte Teile mit besseren mechanischen Eigenschaften als herkömmliche Herstellungsverfahren.

Eigenschaften von FeCoNiCr-Pulver für den 3D-Druck

Das für die additive Fertigung verwendete FeCoNiCr-Pulver hat folgende Zusammensetzung und Eigenschaften:

AttributEinzelheiten
Chemische Zusammensetzung27-38% Cr, 35-55% Co, 15-25% Ni, 3-5% Fe
PartikelformSphärische Morphologie mit einigen Satelliten
Partikelgröße15-45 Mikrometer Durchmesser
FließfähigkeitAusgezeichnete Fließeigenschaften, nicht agglomeriert
Scheinbare DichteTypischerweise über 4 g/cc
Schmelzpunkt1260-1350°C
DruckverfahrenBindemittelstrahlverfahren, Pulverbettschmelzen

Die hohe Pulverqualität und die wiederholbare Zusammensetzung ermöglichen einen stabilen Druck mit hoher Dichte mit FeCoNiCr. Die kugelförmige Morphologie sorgt für einen reibungslosen Pulverfluss und eine gleichmäßige Schichtabscheidung.

Durch spezielle Gaszerstäubungstechniken wird FeCoNiCr-Pulver hergestellt, das den strengen Größenverteilungen entspricht, die für Metall-AM-Verfahren erforderlich sind. Die Bestandteile werden geschmolzen und in feine Tröpfchen geschleudert, die sich zu Pulver verfestigen.

Metall 3D Drucker Spezifikationen für FeCoNiCr

Für das Drucken von FeCoNiCr-Teilen sind industrielle 3D-Metalldrucker mit den folgenden typischen Fähigkeiten erforderlich:

ParameterSpezifikation
Volumen aufbauen100-500 x 100-500 x 100-500 mm
Laserleistung300-500 W
Präzisionsoptik50-100 μm Spotgröße
Schichtdicke20-100 μm
ScangeschwindigkeitBis zu 10 m/s
Inertes GasArgon oder Stickstoff
Handhabung des PulversAutomatisierte Systeme mit geschlossenem Regelkreis
KontrolliertRobuste Software für die Produktion

Die wichtigsten Anforderungen sind eine hohe Laserleistung zum Schmelzen der FeCoNiCr-Legierung, eine geringe Schichtdicke für die Auflösung und integrierte Pulverhandhabungssysteme.

Spezialisierte Warmarbeitsstähle oder Aluminiumoxid-Keramikplatten widerstehen den hohen Temperaturen. Hochleistungsfähige Inertgasfiltersysteme schützen die Optik vor reaktiven Metallpulvern.

Konstruktionsprinzipien für den 3D-Druck mit FeCoNiCr

Zur Optimierung von Teilen, die aus FeCoNiCr-Pulversollten die folgenden Gestaltungsgrundsätze beachtet werden:

EntwurfsbereichLeitlinien
WandstärkeMindestens 1 mm Wandstärke, bei tragenden Teilen höher
ÜberhängeMindestens 45°-Winkel, bei Bedarf Stützen verwenden
ToleranzenBerücksichtigung von ±0,2% Maßgenauigkeit und Nachbearbeitung
OberflächengüteWie gedruckt ist die Oberfläche rau, maschinell bearbeitet, poliert oder kugelgestrahlt
EigenspannungKonstruktion zur Minimierung von Verformungen, Einsatz von spannungsreduzierenden Wärmebehandlungen
FluchtlöcherDrainagepfade zum Entfernen von losem Pulver einschließen

Die Simulation von Bauteilen mit den tatsächlichen Parametern und Pulvereigenschaften dient der Validierung des Entwurfs. Eine Software zur Topologieoptimierung kann FeCoNiCr-Teile für eine bessere Leistung leichter machen.

Typische mechanische Eigenschaften der FeCoNiCr-Legierung

Die gedruckten FeCoNiCr-Komponenten weisen die folgenden ungefähren mechanischen Eigenschaften auf:

EigentumWert
Dichte8,2 g/cc
Härte50 HRC
Zugfestigkeit1050 MPa
Streckgrenze880 MPa
Dehnung bei Bruch8%
Elastizitätsmodul210 GPa

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sie sich gut für tragende Teile, die eine hohe Härte und Festigkeit erfordern. Eine Wärmebehandlung kann die mechanische Leistung der Legierung weiter verbessern.

FeCoNiCr-Pulver

Lieferanten von FeCoNiCr-Pulver für den 3D-Druck

Zu den weltweit führenden Anbietern von gasverdüstem FeCoNiCr-Pulver gehören:

UnternehmenProdukt-GüteklassenTypische Preisgestaltung
TischlertechnikStellit 21$100-200/kg
SandvikFischadler 21-IG$120-250/kg
AP&CFeCoNiCr, CoNiCrW$150-300/kg
PraxairTrillium 21$180-350/kg
TLS TechnikTermo 21$130-220/kg

Die Preise variieren je nach Auftragsvolumen, Zusammensetzung und Partikelgrößenverteilung. Kundenspezifische Legierungen und Partikeleigenschaften können zu höheren Preisen führen.

Qualitativ hochwertiges, auf AM-Prozesse zugeschnittenes FeCoNiCr-Pulver ist entscheidend, um die gewünschten Materialeigenschaften in gedruckten Teilen zu erreichen.

Wie wählt man ein FeCoNiCr-Pulver Anbieter

Bei der Auswahl eines Lieferanten für FeCoNiCr-Pulver sollten die folgenden Faktoren berücksichtigt werden:

FaktorKriterien
Kontrolle der ZusammensetzungEnge Toleranzen für Elemente wie Cr, Co, Ni, C
HerstellungsverfahrenGaszerstäubung gegenüber Wasserzerstäubung bevorzugt
PartikelgrößenverteilungD50 von 20-45 μm, enge Partikelbereiche
Morphologie des PulversSphärische Form und glatte Oberfläche
Technische UnterstützungF&E-Unterstützung, Anwendungsdaten, Tests
QualitätszertifikateISO 9001, AS9100, ISO 13485
Vorlaufzeit und VerfügbarkeitKurze Vorlaufzeiten, keine langfristigen Verträge
Reputation und ReferenzenVertrauenswürdige Marke, Fallstudien, Kundenrezensionen

Mit kleinen Testmustern kann die Druckfähigkeit überprüft werden, bevor große Mengen an Pulver gekauft werden.

Druckparameter für FeCoNiCr-Legierung

Um beim Drucken von FeCoNiCr-Teile mit hoher Dichte zu erhalten, sind typische Parameter für das Laser-Pulverbettschmelzen:

ParameterBereich
Schichtdicke20-50 μm
Laserleistung150-400 W
Durchmesser des Strahls50-120 μm
Scan-Geschwindigkeit500-1000 mm/s
Abstand zwischen den Luken50-150 μm
AbschirmgasArgon, Stickstoff
Vorwärmen der Bauplatte200-400°C

Feine Schraffurabstände werden verwendet, um die Porosität zu begrenzen. Das Vorheizen der Bauplatte minimiert Eigenspannungen und Rollneigung. Für die Wahl der optimalen Parameter sind Probeaufbauten erforderlich.

Für das gerichtete Auftragen mit Energie werden höhere Laserleistungen von 1-4 kW mit größeren Schmelzbädern und dickeren Schichten um 0,5 mm verwendet. Die Drahtvorschubgeschwindigkeiten liegen je nach Bauteilmerkmalen zwischen 2 und 10 g/min.

Nachbearbeitungsmethoden für FeCoNiCr-Teile

Nach dem 3D-Druck umfassen die üblichen Nachbearbeitungsschritte für FeCoNiCr-Komponenten:

MethodeZweck
Entfernung der StützeEntfernen von Stützstrukturen aus dem gedruckten Teil
StressabbauAbbau von Eigenspannungen durch Wärmebehandlung
Heißisostatisches PressenBeseitigung innerer Hohlräume und Erhöhung der Dichte
OberflächenbehandlungGlätten von rauen, bedruckten Oberflächen durch Schleifen oder Polieren
Beitritt zuZusammenschweißen mehrerer Komponenten nach dem Druck
BeschichtungenGalvanische Beschichtung oder DLC-Beschichtung für Verschleißfestigkeit

Die richtige Kombination von Nachbearbeitungsverfahren hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. HIP und Endbearbeitung werden üblicherweise bei funktionellen FeCoNiCr-Teilen eingesetzt.

Metallurgische Eigenschaften von gedrucktem FeCoNiCr

Das Drucken von FeCoNiCr-Pulver mittels Laser-Pulverbettschmelzen führt zu den folgenden metallurgischen Eigenschaften im Druckzustand:

AttributTypisches Ergebnis
MikrostrukturDendritische, schnell erstarrende Struktur
PorositätWeniger als 1% mit optimierten Parametern
Homogenität der LegierungKonsistente Verteilung der Elemente
Härte550-650 HV, 50-55 HRC
Zugfestigkeit1050-1200 MPa in der XY-Ebene
Oberflächenrauhigkeit (Ra)Etwa 15 μm im gedruckten Zustand

Die rasche Erstarrung führt zu einem feinen Korngefüge und einer höheren Feststofflöslichkeit der Legierungselemente im Vergleich zur konventionellen Verarbeitung.

Häufige Defekte in gedruckten FeCoNiCr-Teilen

Zu den möglichen Fehlern beim Drucken von FeCoNiCr-Teilen gehören:

DefektVerursachtPrävention
VerziehenEigenspannungen aus thermischen GradientenScanstrategie optimieren, Vorwärmung nutzen
KnackenSpröde Legierung, hohe SpannungenÄnderung der Geometrie, Wärmebehandlung für Duktilität
AnisotropieGerichtetes GefügeDrehen Sie die Bauausrichtung, entlasten Sie sich
OberflächenrauhigkeitTeilweise geschmolzenes Pulver, KugelformEinstellen von Scan-Geschwindigkeit, Strahlfokus und Pulvergröße
EinschlüsseVerunreinigungen in PulverHochreines Pulver verwenden, Inertgas filtern
MaßhaltigkeitSchrumpfung, thermische VerformungenMaschine kalibrieren, Stützstrukturen optimieren

Versuche zur Parameteroptimierung und eine strenge Qualitätskontrolle des eingehenden Pulvers verringern die Fehlerquote.

Anwendungen von wärmebehandelten FeCoNiCr-Teilen

Durch Lösungsglühen und Aushärten lassen sich die Eigenschaften der gedruckten FeCoNiCr-Bauteile individuell anpassen:

AnmeldungTypische WärmebehandlungVorteile
Luft- und Raumfahrtturbinen1240°C Lösung, 850°C AlterungErhöhte Zugfestigkeit, Kriechstromfestigkeit
Werkzeuge für die Extrusion1150°C Lösung, luftgekühltVerbesserte Härte, Verschleißfestigkeit
Kfz-Ventile1200°C Lösung, LuftabschreckungHöhere Festigkeit für Ermüdungsfestigkeit
SchneidewerkzeugeAlterung bei 1080°C für 16 StundenMaximale Härte, um Abrieb zu widerstehen

Durch die Wärmebehandlung werden das Mikrogefüge und die Ausscheidungsbildung maßgeschneidert, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Gedrucktes FeCoNiCr bietet Flexibilität bei der Wärmebehandlung.

Qualifizierte gedruckte FeCoNiCr-Teile

Gedruckte FeCoNiCr-Komponenten erfordern die folgenden Tests und Prüfungen, um die Teile für die Endanwendung zu qualifizieren:

PrüfverfahrenTypische Akzeptanzkriterien
Visuelle KontrolleKeine Risse, Oberflächenanomalien, Pulvereinschlüsse
DichtheitsprüfungÜberprüfen Sie, dass die versiegelten Komponenten keine internen Lecks aufweisen.
Analyse der DimensionenKritische Abmessungen innerhalb der technischen Toleranz
Messung der DichteGrößere relative Dichte als 99%
ZugfestigkeitsprüfungMechanische Eigenschaften erfüllen oder übertreffen die Mindestwerte
MikrostrukturÜberprüfung der gleichmäßigen, fehlerfreien Kornstruktur

Durch zerstörungsfreie Prüfungen wie CT-Scans können innere Hohlräume aufgespürt werden, ohne dass Prüfstücke ausgeschnitten werden müssen. Gründliche Prüfungen gewährleisten eine zuverlässige Leistung im Betrieb.

Hauptanwendungen der FeCoNiCr-Legierung

Die einzigartigen Eigenschaften von FeCoNiCr machen es zu einem geeigneten Material für:

AnmeldungVorteile
Turbinenschaufeln für die Luft- und RaumfahrtHält Temperaturen von 700°C und Verschleiß stand
Ventilsitze und -führungen für KraftfahrzeugeWidersteht Verschleiß und Abgasen mit hohen Temperaturen
Medizinische ImplantateBiokompatibel mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit
Werkzeuge für die ExtrusionHärte und Abriebfestigkeit bei 900°C
Komponenten für Bohrungen im BohrlochHohe Festigkeit in korrosiven Umgebungen und unter hohem Druck

Der 3D-Druck ermöglicht leichtere, konsolidierte Komponenten mit verbesserter Leistung für diese anspruchsvollen Anwendungen.

Wirtschaftliche Vorteile von FeCoNiCr im Vergleich zu herkömmlichen Materialien

Für viele Anwendungen bietet gedrucktes FeCoNiCr Kosten- und Leistungsvorteile gegenüber herkömmlichen Materialien wie Werkzeugstahl, Edelstahl und Inconel-Superlegierungen:

FeCoNiCrVergleichsmaterial
Dichte8,2 g/cc7,5-8,4 g/cc
Härte50-55 HRC30-55 HRC
Stärke1050 MPa550-1200 MPa
AbriebfestigkeitAusgezeichnetMäßig bis ausgezeichnet
KorrosionsbeständigkeitAusgezeichnetSchlecht bis ausgezeichnet
Kosten pro kg$100-300$20-500

FeCoNiCr bietet ein optimales Gleichgewicht zwischen Eigenschaften und Kosten, was es für die anspruchsvollsten Anwendungen wettbewerbsfähig macht.

Nachhaltigkeitsvorteile des Metall-3D-Drucks mit FeCoNiCr

Additive Fertigung mit FeCoNiCr-Pulver bietet gegenüber der konventionellen Herstellung Vorteile in Bezug auf die Nachhaltigkeit:

  • Weniger Abfall - Drucken Sie nur das benötigte Material, anstatt es wegzubearbeiten
  • Leichtbau - Optimierung von Konstruktionen zur Gewichtsreduzierung und Materialeinsparung
  • Teilekonsolidierung - Kombinieren Sie Baugruppen zu einzelnen gedruckten Teilen
  • On-Demand-Produktion - Druck von Teilen nach Bedarf statt Massenproduktion
  • Hohe Wiederverwertbarkeit von Schrott - Nicht verwendetes Pulver kann für zukünftige Drucke wiederverwendet werden
  • Lokale Produktion - Verringerung des CO2-Fußabdrucks von Transport und Logistik

Die Technologie ermöglicht nachhaltigere technische Ansätze über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. FeCoNiCr ist eine ausgezeichnete Wahl für umweltfreundliche Materialien.

FeCoNiCr-Pulver

FAQ

FrageAntwort
Welche Partikelgröße ist für den Druck von FeCoNiCr am besten geeignet?20-45 Mikrometer sind optimal. Zu fein führt zu schlechtem Fluss, zu grob zu geringer Auflösung.
Welche Alternativen gibt es zur FeCoNiCr-Legierung?Inconel 718, rostfreier Stahl 316L und 17-4PH bieten ähnliche Eigenschaften.
Welche Oberflächenbeschaffenheit kann bei gedruckten FeCoNiCr-Teilen erzielt werden?Die Oberfläche im Druckzustand ist mit Ra 15-20 μm rau. Durch Polieren kann eine Oberfläche von unter 1 μm erreicht werden.
Ist FeCoNiCr anfällig für Rissbildung während des Drucks?Ja, sorgfältiges Vorwärmen und strategisches Abtasten helfen, die Rissbildung zu verringern.
Welche Nachbearbeitungen sind erforderlich?In der Regel werden Stützentfernung, Spannungsentlastung, HIP und Oberflächenbearbeitung eingesetzt.

Zusammenfassung

  • FeCoNiCr-Legierungspulver ermöglicht vielseitige Eigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen durch Metall-AM-Verfahren.
  • Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, Festigkeit, Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit.
  • Weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasindustrie, der Automobilindustrie und der Medizintechnik.
  • Die Gasverdüsung sorgt für eine optimale Pulvermorphologie und -zusammensetzung.
  • Es werden Industriedrucker mit auf FeCoNiCr abgestimmten Parametern benötigt.
  • Strenge Qualitätskontrollen und Tests sind erforderlich, um gedruckte Komponenten zu qualifizieren.
  • Bietet Leistungs- und Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Materialien.
  • Eine wirtschaftliche Wahl für hochwertige Metalldruckanwendungen.

Die einzigartigen Eigenschaften von FeCoNiCr-Pulver machen es zu einem wichtigen Material für die Weiterentwicklung des industriellen Metall-3D-Drucks.

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