Лидер в области аддитивного производства металлов, компания EOS, недавно представила медно-никелевый сплав EOS CopperAlloy CuNi30, специально разработанный для технологии прямого лазерного спекания металлов . Этот сплав, созданный совместно с компаниями Phillips Federal и Austal USA, соответствует строгим требованиям ВМС США к характеристикам критически важных компонентов подводных лодок, обеспечивая при этом все преимущества проектирования и производства, присущие 3D-печати.

Морская среда предъявляет самые высокие требования к конструкционным материалам. Соленая вода вызывает сильную коррозию металла, колебания температуры подвергают испытанию прочность конструкции, а механические нагрузки от волн, течений и бортовых систем негативно сказываются на долговечности. На протяжении десятилетий медно-никелевые сплавы были предпочтительным выбором для судостроения и морского оборудования благодаря своей превосходной коррозионной стойкости и надежности.

Из стратегической необходимости

Разработка сплава CuNi30 была обусловлена стратегической целью: устранить узкие места в цепочке поставок, вызванные длительными сроками изготовления литых медно-никелевых компонентов. Для программы ВМС США «2+1 подводные лодки класса «Колумбия» и «Вирджиния» требовался альтернативный метод литья, который соответствовал бы эксплуатационным стандартам и одновременно сокращал бы задержки в производстве.

Компания EOS ответила на это созданием материала, соответствующего спецификациям UNS C96400 стандарта ASTM B369-09 и обладающего той же коррозионной стойкостью и прочностью, что и традиционные медно-никелевые сплавы, но оптимизированного для аддитивного производства. Типичные области применения медного сплава CuNi30 от EOS включают различные типы компонентов морского назначения, в частности, насосы и рабочие колеса.

По словам Анкита Сахарана, старшего менеджера по технологиям металлов в EOS, проект был реализован в ускоренном режиме в соответствии с графиком ВМС, что привело к коммерческому запуску всего через несколько месяцев после начала разработки.

Композиция и исполнение

EOS CopperAlloy CuNi30 — это сплав на основе меди с содержанием никеля 28–32%, сбалансированный небольшим количеством ниобия, железа и марганца для повышения механической прочности и коррозионной стойкости. Тщательно сбалансированный состав обеспечивает высокую пластичность даже при экстремально низких температурах, что критически важно для судов, работающих в арктических водах или на больших глубинах.

Механические испытания показывают прочность на растяжение до 700 МПа в термообработанных горизонтальных образцах, предел текучести до 560 МПа и относительное удлинение при разрыве более 30% в состоянии изготовления. Даже при термообработке для снятия напряжений сплав сохраняет относительное удлинение более 20%, что обеспечивает высокую стойкость к хрупкому разрушению. Его твёрдость варьируется от 75 HRB в состоянии изготовления до 90 HRB после термообработки, что обеспечивает как долговечность, так и обрабатываемость.

Одним из наиболее впечатляющих качеств CuNi30 является его способность сохранять высокую пластичность и механическую прочность при различных производственных условиях и температурах.

Применение в суровых морских условиях

Коррозия в морской воде представляет постоянную угрозу для морского судостроения, приводя к дорогостоящему ремонту, простоям и, в некоторых случаях, к катастрофическим поломкам. Высокое содержание никеля в составе CuNi30 способствует образованию защитного оксидного слоя, предохраняющего компоненты от точечной и щелевой коррозии. Его устойчивость к биообрастанию также снижает потребность в частой очистке и обслуживании.

Сплав стабильно работает даже при низких температурах, гарантируя сохранение прочности и ударной вязкости деталей в условиях Арктики и глубоководных операций. Благодаря своей стабильности CuNi30 одинаково подходит как для военно-морских оборонных систем, так и для коммерческого морского применения.

Благодаря своим свойствам CuNi30 является отличным выбором для систем, подверженных воздействию морской воды. Он уже применяется в таких компонентах подводных лодок, как клапаны забора морской воды, трубопроводы высокого давления и движительное оборудование. Как уже упоминалось, он одинаково эффективен в насосах и импеллерах, где его устойчивость к коррозии и эрозии частиц продлевает срок службы в сложных условиях.

К другим областям применения аддитивного оборудования относятся морские теплообменники и конденсаторы, которые выигрывают от высокой теплопроводности и коррозионной стойкости CuNi30, обеспечивая эффективную теплопередачу и долговременную надежность. В морской нефтегазовой инфраструктуре, где постоянное воздействие соленой воды, высокого давления и коррозионных газов является обязательным, CuNi30 может использоваться для продления срока службы стояков, соединителей и подводной арматуры.

Аддитивное производство меняет всё

Традиционно литьё медно-никелевых сплавов для этих целей — медленный и дорогостоящий процесс из-за сложности форм, строгого контроля качества и ограниченных возможностей поставщиков. Благодаря технологии DMLS компоненты из CuNi30 можно производить по запросу, вблизи места их использования и без необходимости использования дорогостоящей оснастки.

Этот переход позволяет судостроительным и военно-морским предприятиям сократить многомесячные сроки изготовления, а также открывает новые возможности проектирования. Внутренние каналы, оптимизированная геометрия и облегченные конструкции, невозможные при литье, теперь стали реальностью, что повышает эксплуатационные характеристики и сокращает расход материала.

Сплав CuNi30 доступен для систем EOS среднего и большого размера, в частности, для серий EOS M 290 и EOS M 400. Он обрабатывается слоем толщиной 60 микрон в атмосфере аргона, что позволяет получать детали высокой плотности с содержанием дефектов менее 0,1%. Изменение размеров после термообработки обычно составляет около 0,1%, что позволяет соблюдать точные допуски.

Ещё одной выдающейся особенностью является его прочность в широком диапазоне температур. Испытания по Шарпи с V-образным надрезом показывают значения ударной энергии до 190 Дж при -85 °C в состоянии после изготовления, что подтверждает его способность выдерживать ударные нагрузки в экстремальных условиях.

Стратегическое преимущество для военно-морских операций

Обеспечивая региональное производство критически важных деталей по запросу, CuNi30 снижает зависимость от длинных цепочек поставок литья. Это не только ускоряет техническое обслуживание и новое строительство, но и укрепляет национальную безопасность, обеспечивая возможность быстрого производства важнейших компонентов внутри страны.

Как отметил Джон Харрисон, старший вице-президент по глобальным присадкам компании Phillips Federal, этот сплав «имеет решающее значение во многих морских применениях и будет играть важную роль в наших усилиях по поддержке Центра передового опыта ВМС США».

Подходит для систем EOS M 290 и EOS M 400 (с разрешением 60 мкм), EOS CopperAlloy CuNi30 можно приобрести в интернет-магазине EOS в упаковке 10 кг по цене 1432,40 евро (около 150 евро за кг).

EOS CopperAlloy CuNi30 представляет собой новую производственную модель для морского сектора. Сочетая прочность и коррозионную стойкость традиционных медно-никелевых сплавов со свободой проектирования, скоростью и гибкостью аддитивного производства, он предоставляет судостроителям и морским инженерам мощный инструмент для эффективного решения задач, связанных с океаном.

Источник