Vue d'ensemble de Poudre d'acier inoxydable 316l
La poudre d'acier inoxydable 316L est un alliage d'acier austénitique largement utilisé dans les applications de fabrication additive ou d'impression 3D dans les secteurs de l'aérospatiale, des appareils médicaux, du traitement chimique et de l'outillage. Avec une pureté plus élevée et une teneur en carbone plus faible que la poudre 316 conventionnelle, la poudre 316L permet de fabriquer des composants résistants à la corrosion et répondant aux normes de biocompatibilité.
Cet article couvre les compositions de poudre 316L adaptées aux principaux processus AM, les caractéristiques clés telles que la distribution de la taille des particules, les débits et le pourcentage de particules satellites qui influencent la processabilité de l'impression, ainsi que des exemples d'applications critiques dans des environnements difficiles.
Composition de poudre d'acier inoxydable 316l
La gamme de composition élémentaire de la poudre d'acier inoxydable 316L est résumée ci-dessous :
| Élément | Poids % Composition | Rôle |
|---|---|---|
| Le fer | Balance, 65-70% | Composante principale de la matrice |
| Chrome | 16-18% | Améliore la résistance à la corrosion et à l'oxydation |
| Nickel | 10-14% | Stabilise la structure austénitique |
| Molybdène | 2-3% | Améliore encore la résistance à la corrosion par piqûres et par crevasses |
| Manganèse | <2% | Favorise une bonne soudabilité |
| Carbone | 0,03% max | La diminution du carbone réduit la précipitation des carbures - améliore la résistance à la corrosion et la biocompatibilité |
| Silicium | 0,75% max | Désoxydant empêchant la formation excessive d'oxyde |
| Phosphore | 0,025% max | Impureté régulée pour maximiser la ductilité |
| Soufre | 0,01% max | Impureté régulée pour éviter les fissures |
| Azote | 0,1% max | Stabilise la microstructure |
| Cuivre | 0,5% max | Quantité d'impuretés contrôlée lors de la fusion |
Le "L" indique une teneur en carbone faible ou inférieure à 0,03%. Cette teneur réduit légèrement la limite d'élasticité et la résistance à la traction par rapport à la poudre 316 standard, mais améliore les performances en matière de soudage, de corrosion et de biocompatibilité, qui sont essentielles pour les appareils médicaux ou les applications marines.
Méthodes de production de poudre d'acier inoxydable 316l
La poudre d'acier inoxydable 316L est fabriquée commercialement selon les principales méthodes suivantes :
- Atomisation des gaz: Des jets de gaz inertes à haute pression décomposent un mince filet de métal en fines gouttelettes après solidification sous forme de poudres. Sert le marché de l'aérospatiale.
- Atomisation de l'eau: Technique la plus économique où l'eau brise le métal en fusion, produisant des poudres de formes irrégulières acceptables pour certaines applications industrielles.
- Procédé d'électrodes rotatives à plasma (PREP): L'électrode fondue par l'arc plasma se désintègre sous l'effet de la force centrifuge et projette de la poudre sur les parois du réacteur lors du refroidissement. Donne des formes très sphériques.
- Atomisation de l'hydrogène: Technique spécialisée utilisant de l'hydrogène gazeux pour améliorer l'écoulement des poudres destinées à la fabrication additive. Minimise les particules satellites.
Les variations de gaz, d'eau et de plasma utilisent des taux de solidification rapides pour générer de fines poudres métalliques à partir de la matière première fondue. Chaque technique confère aux particules des caractéristiques subtilement différentes, décrites dans la section suivante.
Poudre d'acier inoxydable 316l Caractéristiques
Les caractéristiques essentielles de la poudre d'acier inoxydable 316L sont mises en évidence ci-dessous :
| Paramètres | Détails | Méthode de mesure |
|---|---|---|
| Forme des particules | Sphérique, satellite autorisé selon ASTM B214 | Imagerie SEM, microscopie |
| Distribution de la taille des particules | D10 : 25-45 μm, D50 : 30-75 μm, D90 : 55-100 μm | Analyseur de taille de particules par diffraction laser |
| Densité apparente | Typiquement 40-50% dense sous forme de poudre masse sur volume | Débitmètre de Hall à entonnoir ou pycnométrie |
| Densité du robinet | Généralement 60-65% dense avec agitation mécanique | Déterminé selon la norme ASTM B527 |
| Débit | 30-35 s/50g, un bon débit est <40 s | Test du débitmètre à effet Hall |
| Perte au feu (LOI) | <0,5 poids.% | Chauffé à 1022°F et perte de masse mesurée |
| Gaz résiduels | 400-800 ppm d'oxygène, <150 ppm d'azote | Fusion de gaz inerte suivie d'une détection de la conductivité thermique |
| Fraction de satellite | <20% idéal | Analyse d'image de la micrographie SEM |
Des paramètres clés tels qu'une distribution granulométrique cohérente, des débits de poudre élevés, des satellites minimaux et de faibles niveaux d'oxygène et d'azote garantissent un traitement optimal de l'impression. Des lots de poudre personnalisés sont conçus pour répondre aux besoins d'applications dans des domaines tels que le biomédical, la quincaillerie marine ou les équipements de traitement chimique exigeant une résistance à la corrosion.
Poudre d'acier inoxydable 316l Propriétés mécaniques
L'acier inoxydable 316L imprimé présente les caractéristiques mécaniques suivantes :
| Paramètres | Tel qu'imprimé 316L | Recuit 316L |
|---|---|---|
| Résistance à la traction | 500-650 MPa | 450-550 MPa |
| Limite d'élasticité | 400-500 MPa | 240-300 MPa |
| Allongement à la rupture | 35-50% | 40-60% |
| Dureté | 80-90 HRB | 75-85 HRB |
| Rugosité de la surface | Jusqu'à 20 μm Ra en raison des crêtes de la couche. | Réduit à 0,4 μm Ra ou mieux par des techniques de finition de surface. |
Le recuit des pièces ou des composants imprimés à 1900°F pendant au moins une heure permet de soulager les tensions internes dues au processus de fabrication couche par couche. Cela permet de retrouver des niveaux de ductilité équivalents à ceux du 316L fabriqué de manière conventionnelle, tout en réduisant légèrement la résistance.
Poudre d'acier inoxydable 316l Applications
En raison de sa résistance à la corrosion, la poudre 316L est idéale pour la fabrication additive de composants à travers le monde :
- Quincaillerie marine: Roues, vannes, raccords et autres pièces océaniques exposées à l'eau salée.
- Traitement chimique: Corps de pompe, vannes, réacteurs et tuyauteries nécessitant une compatibilité chimique.
- Biomédical: Outils chirurgicaux, implants orthopédiques répondant aux spécifications de biocompatibilité de la FDA imposées par ISO 10993 et/ou ASTM F138.
- Transformation des aliments: Couverts, pièces d'usure pour la transformation de la viande ne permettant pas la contamination croisée.
En raison de ces diverses applications, de l'équipement de forage en mer aux boîtiers de stimulateurs cardiaques en passant par les composants de préparation des aliments, le 316L est un alliage polyvalent et omniprésent que les concepteurs doivent garder à portée de main.
Analyse des coûts
| Dépenses | Total | Par unité |
|---|---|---|
| 316L Poudre | $106/kg | $35 |
| Frais d'imprimante | $100/kg taux de construction | $33 |
| Travail | $50 | $17 |
| Total | $256 | $85 |
Ici, l'analyse suppose que la masse totale de la pièce est relativement faible, ~3 kg, et que la poudre représente donc environ 40% des dépenses totales. Mais pour les composants plus grands, le temps de fabrication domine les coûts plus que le matériau lui-même. En comparaison, l'usinage de la même géométrie à partir d'une barre recuite de 316L coûterait $45-$75 par kg - mais l'AM permet de consolider les ports, les fixations et de réduire le poids, ce qui compense l'augmentation des coûts d'impression par des économies de production au bout de la chaîne.
Poudre d'acier inoxydable 316l Fournisseurs
Plusieurs usines et distributeurs proposent de la poudre d'acier inoxydable 316L couvrant toute la gamme de tailles et de caractéristiques. Parmi les principaux fournisseurs mondiaux, on peut citer
| Entreprise | Méthode de production | Disponibilité de la taille des particules | Matériel supplémentaire |
|---|---|---|---|
| Sandvik Osprey | Gaz atomisé | 15-150 μm | 17-4PH, 15-5PH, 304L, acier maraging |
| Additif pour charpentier | PREP + gaz atomisé | 15-63 μm | 17-4PH, alliages spéciaux |
| Praxair | Eau pulvérisée | Jusqu'à 240 μm | Ti-6-4, Inconel 718, grades inoxydables |
| Technologie LPW | Eau pulvérisée | 45-150 μm | Alliages maîtres 316L disponibles |
| Hoganas | Gaz atomisé | 22-100 μm | Service d'optimisation des particules sur mesure |
Poudre d'acier inoxydable 316l Normes
Normes ASTM et autres normes harmonisées au niveau mondial pour la production de poudre 316L et les tests d'assurance qualité :
| Standard | Description |
|---|---|
| ASTM A240 | Limites de composition chimique pour Cr, Ni, Mo, C, N et autres gammes d'alliages mineurs |
| ASTM B214 | Couvre les caractéristiques acceptables des particules de poudre 316L, telles que les satellites, le débit du hall et les procédures de test de la maille. |
| ASTM E562 | Méthodologie d'essai pour déterminer la composition chimique à l'aide de techniques d'analyse par voie humide telles que l'ICP-OES |
| ISO 9001 | Système de gestion de la qualité pour l'adhésion des fournisseurs en tant que base pour les spécifications des clients |
| ASTM F3049 | Guide pour la caractérisation et l'optimisation des poudres métalliques AM comme le 316L |
| ASTM F3056 | Spécification pour le contrôle de la qualité de la poudre 316L comme matière première pour les constructions de qualification AM |
La certification de la poudre 316L par rapport à ces spécifications garantit qu'elle répond aux normes de densité, de composition chimique et de forme des particules pour une mise en œuvre fiable de l'impression, quelle que soit la méthode de production.
Poudre 316L vs alliages coulés et corroyés
| Paramètres | Métallurgie des poudres 316L | Fonte 316L | Corroyé 316L |
|---|---|---|---|
| Coût | $$$$ | $-$$ | $-$$$ |
| Délai d'exécution | De quelques jours à 2 semaines en général | 4-8 semaines | 8-12 semaines |
| Contrôle de la chimie | Très cohérent à 0,25% près | Variable jusqu'à 1% | Moyenne 0,5% écarts |
| Porosité | Impressions denses et complètes | 5-10% niveaux de porosité | Essentiellement non poreux |
| Impuretés | Traces uniquement | Inclusions modérées | Faibles inclusions |
| Structure du grain | Dépend des paramètres d'impression | Gros grains de fonte | Structure plus finement ouvragée |
| Limites de l'offre | Les petites quantités de lots peuvent nécessiter un MOQ | Facilement disponible | Minimums possibles pour les moulins |
Ainsi, bien que la fabrication additive utilisant de la poudre 316L coûte beaucoup plus cher par kg imprimé que l'achat de barres, la liberté de conception, la personnalisation et la fiabilité de la chimie compensent ce surcoût dans les industries qui privilégient la performance plutôt que le prix initial du matériau.
Considérations relatives à la manipulation des poudres 316L
Pour éviter la dégradation des propriétés de la poudre pendant le stockage et la réutilisation, les précautions suivantes doivent être prises :
- Stocker les conteneurs de poudre scellés sous gaz inerte comme l'argon.
- Limiter l'exposition pendant le tamisage/la manipulation des poudres afin d'éviter l'absorption d'oxygène/d'humidité.
- Faire cuire les poudres à 100°C pendant 6 heures tous les 3 à 6 mois pour éliminer les gaz absorbés.
- Contrôler périodiquement la teneur en oxygène et en azote de la poudre
- Tamiser correctement pour briser les agglomérations éventuelles avant l'impression.
- Respecter les directives du fabricant concernant la réutilisation des poudres, les rapports de mélange et les durées de vie.
Le respect de ces instructions de manipulation permet de maintenir la fluidité de la poudre et d'éviter la formation de pores pendant l'impression au cours de dizaines de cycles de construction avec les mêmes lots de 316L.
FAQ
| Question | Répondre |
|---|---|
| La poudre 316L est-elle recyclable après impression ou se dégrade-t-elle après une utilisation unique ? | Oui, la poudre 316L peut généralement être réutilisée 5 à 10 fois avant d'être rafraîchie avec des lots vierges si elle est stockée correctement. Le tamisage pour éviter la formation de nouvelles particules et la surveillance de la teneur en oxygène sont essentiels. |
| La poudre 316L nécessite-t-elle un pressage isostatique à chaud après l'impression 3D pour améliorer les densités ? | Bien que le HIP puisse densifier davantage les composants imprimés en 316L, il est possible d'atteindre des densités de 99%+ même sans HIP, en fonction des paramètres d'impression optimisés. Le HIP sert davantage à améliorer les performances en matière de fatigue. |
| Les pièces en 316L fabriquées à l'aide de poudre AM peuvent-elles atteindre une résistance à la corrosion équivalente à celle de l'acier inoxydable 316L corroyé de manière traditionnelle ? | Oui - l'imprimé 316L égale et même dépasse la résistance à la corrosion des formes coulées ou forgées dans de nombreux environnements chimiques en raison des niveaux inférieurs de défauts et d'impuretés. |
| Quel est l'impact de la teneur élevée en nickel de la poudre 316L sur sa recyclabilité ? | Tout en augmentant les coûts, les teneurs élevées en Ni et Cr protègent contre la dégradation de la poudre, à condition que les niveaux d'oxygène pendant le stockage soient activement contrôlés. Ces éléments d'alliage améliorent considérablement la viabilité de la réutilisation. |
Résumé
Avec une chimie finement contrôlée à faible teneur en carbone visant la biocompatibilité et la soudabilité, Poudre d'acier inoxydable 316L sert à des applications de fabrication additive résistantes à la corrosion, depuis les implants médicaux jusqu'aux composants marins travaillant dans des environnements salins difficiles. Le maintien d'une teneur en carbone inférieure à 0,03% et de traces d'azote garantit que la microstructure austénitique résiste à la corrosion par piqûres et par crevasses dans les acides, les chlorures, les alcools et toute une série de solutions chimiques. La combinaison de poudres réutilisables dépassant les spécifications de l'ASTM pour la distribution de la taille des particules, les satellites et le débit du hall avec des imprimantes 3D optimisées permet d'imprimer des pièces en 316L denses qui rivalisent avec les performances de corrosion des variétés fabriquées traditionnellement, voire les dépassent. Au fur et à mesure que le matériel, les logiciels et le développement des paramètres des imprimantes continuent de s'améliorer, la poudre AM en acier inoxydable 316L sera adoptée par de nouveaux marchés tels que les puits de pétrole, les réacteurs chimiques et les outils chirurgicaux où une dureté, une solidité et une résistance aux alcalis élevées s'avèrent essentielles.
