AM (Additiv Manufacturing) af speciallegeringer til offshore

Transkript

1 AM (Additiv Manufacturing) af speciallegeringer til offshore Søren Mark Teknologisk Institut - Center for Metal- og Overfladeteknologi Prøveemner leveret af Produktudvikling, TI (Jeppe Skinnerup Byskov)

2 Additive Manufacturing (AM) - generelt Byggeri og anlæg Mange fordele: Kompleksitet er gratis Variationer/ændringer er gratis Kort leveringstid Få designbegrænsninger Mulighed for topologi optimering Mindre materialespild

3 AM af metalkomponenter på TI Byggeri og anlæg Aktiviteter: Produktion: Småserie produktion Prototyper Reparationer Rådgivning Udviklingsprojekter Legeringer: Rustfri stål ( L) Titanium (Ti 6AL 4V) Værktøjstål ( H13) Aluminium (AlSi12 Al4047) Inconel (718) Procestype: Selective Laser Melting (SLM)

4 Solgte engheder Fremtidsperspektiver Antal solgte AM maskiner til produktion af metal komponenter Årstal

5 Fremtidsperspektiver FORDELING AF STØRSTE BRANCHER DER ANVENDER AM (METAL OG PLAST) I 2014 Øvrig 20,2 % Industrimaskiner/- produkter 18,5 % Luftfart 12,3 % Forbruger produkter/elektronik 18 % Barrierer for anvendelse: Kompetencer til validering Mangel på standarder og referencer Medico 17,3 % Motorkøretøjer 17,3 %

6 Standardisering af AM i dag Byggeri og anlæg Tekniske komiteer: ASTM F42 ISO/TC 261 Formål standardisering inden for AM: Processer Begreber Definitioner Testprocedure Kvalitetsparametre Leveringsaftaler osv.

7 AM til offshore Hvorfor kan offshore drage nytte af AM? Få styktal Minimering af down-time Hurtigt og lokal erstatning af defekte komponenter Long-life produkt (kræver support med del-komponenter) Byggeri og anlæg Hvilke krav stilles der offshore? Høj sikkerhed og materialekvalitet Krævende miljø og belastninger speciallegeringer Rustfri stål (duplex og super duplex) Aluminium Titanium Inconel

8 AM fremstilling af nikkellegeringer på TI Byggeri og anlæg Legering - Inconel 718 Procestype - SLM Evalueret med udgangspunkt i: ASTM F a Standard Specification for Additive Manufactoring Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion Formål: Beskrive testmetoder/kriterier Definere krav til komponenter - sikre ensartede materialeegenskaber

9 Inconel 718 Byggeri og anlæg Kemisk sammensætning: % nikkel % krom bal. % jern Fantastisk evne til modstå krævende driftsbetingelser i: Korrosive miljøer Høje temperatuer Store spændinger Kombinationer Karakteristika: Mulighed for modningshærdning Anvendelser: Gasturbiner, brændkamre, højtemperatur sammenføjninger osv.

10 Procesparameter screening Procesparametre: Exposure time [µs] Laser power [ma] Procesparametre screening metode: Position 5.20 Position Visuel inspektion af tværsnit Attraktive fremstillingsparametre Hårdhedsmålinger i tværsnit

11 Procesparameter screening Exposure time [µs] x 10 Byggeri og anlæg Y Specimen No. HV10 STD , , , , , , , , ,7 10 N/A N/A Z X Laser power [ma] x 10 2

12 Fremstilling af testemner 14 stænger: 8 liggende (X og Y-retning) 6 stående (Z-retning/byggeretningen) Byggeri og anlæg Spændingsudløsning (2t/810 C + argonflow) Bearbejdning: Runde trækprøvestænger Ø8mm Y Varmebehandling: Opløsningsglødning (1t/980 C + bratkøling) Ældning (8t/718 C + 10t/621 C) Z X d 0

13 Udfordringer Liggende emner: Store revner Mangelende sammensmeltning Z Store termiske spændinger Reduceret emnestørrelse Y X

14 Udfordringer Liggende emner Stående emner Manglende sammensmeltning Brudspænding [MPa] Bedre sammensmeltning Brudspænding [MPa]

15 Udfordringer Liggende emner Stående emner Manglende sammensmeltning Brudspænding [MPa] Bedre sammensmeltning Brudspænding [MPa]

16 02-spændingen stående emner 1300 R p0.2-0,2 % plastisk deformation ASTM F3055 MPa CLASS F: Spændingsudløsning, opløsningsglødning og ældning CLASS A: Spændingsudløsning 500 Ikke varmebehandlet (1 emne) Varmebehandlet ( 5 emner) Special Metal INCONEL alloy 718

17 Brudspændingen stående emner 1300 R m - Brudspændingen ASTM F3055 MPa CLASS F: Spændingsudløsning, opløsningsglødning og ældning CLASS A: Spændingsudløsning 800 Ikke varmebehandlet (1 emne) Varmebehandlet ( 5 emner) Special Metal INCONEL alloy 718

18 Deformationsevnen stående emner 30 A - Brudforlængelse 25 ASTM F3055 A [%] CLASS F: Spændingsudløsning, opløsningsglødning og ældning 5 8,1 - CLASS A: Spændingsudløsning 0 Ikke varmebehandlet (1 emne) Varmebehandlet ( 5 emner) Special Metal INCONEL alloy 718

19 Porestørrelse: 2-6 [µm] Mikroundersøgelse 200x forstørrelse Laveste brudforlængelse: A 5 = 6 [%] Mange defekter Store porer A 5 Porestørrelse: 8 46 [µm] Højeste brudforlængelse: A 5 = 9,5 [%] Færre defekter Mindre porer A 5

20 Konklusion - AM Inconel 718 Liggende emner: Ringe mekaniske værdier Termiske spændinger Byggeri og anlæg Manglende sammensmeltning/revnedannelser Reduceret effektivt areal Stående emner: Tilfredsstillende R02 og Rm. R02 og Rm matcher smedet INCONEL 718 Brudforlængelsen afviger fra ASTM F3055 Defekter og porer observeret Næste skridt: EDAX/mikrostruktur undersøgelse af mikroslib ifb. defekter og porer Forbedret supportstruktur Arbejde med andre procesparametre (f.eks. laser power, varmebehandling) Analyse af pulver form, fordeling og størrelse Yderligere test af materiale (f.eks. ASTM G48, brudmekaniske test, CTOD)

21 Anbefalinger Byggeri og anlæg Man kan ikke bare trykke på start Mange fejl muligheder Vigtig med interageret evaluering og test Tæt samarbejde mellem produktion og validering Standardisering er vigtigt og skal sikre: Fælles testmetoder/kriterier Ensartede materialeegenskaber, kvalitet og reproducerbarhed