Additive Manufacturing of Inconel 625 - Corrosion Properties

Abstract

Inconel 625 (IN625) er en nikkelbasert superlegering med utmerket korrosjonsbestandighet og styrke ved høye temperaturer. Derfor har den blitt brukt i flere industrier som opererer under tøffe forhold. Eksempler på applikasjonsområder er luftfart, energi og petroleum industri. Til tross for de gode korrosjonsegenskapene har IN625 lav bearbeidbarhet, noe som setter begrensinger for at den kan brukes til å produsere mer avanserte komponenter. Additive tilvirkning (3D-printing) med IN625 har blitt brukt som erstatning for konventionelle produksjonsmetoder som smiing og støping. På denne måten kan man produsere IN625 komponenter med nye muligheter ved å skape svært optimaliserte og komplekse geometrier. Forskning har blitt utført på dette området, og resultatene til nå er lovende for 3D-printing med IN625. Til tross for dette er det fremdeles krav om videre undersøkelse av korrosjonsegenskapene til AM IN625.

Målet med denne oppgaven var å undersøke spaltkorrosjonsegenskapene til AM IN625 produsert ved bruk av 'Laser Powder Bed Fusion' teknologi. For å sammenligne med traditionelle produksjonmetoder er det brukt en smidd og varmebehandlet IN625 legering. For å oppnå ønskede egenskaper som samsvarer med krav fra industrien er det blitt anbefalt å varmebehandle AM legeringer etter printing. Derfor ble det i denne oppgaven utført to forskjellige varmebehandlinger for å studere effekten av varmebehandling på mikrostrukturen og korrosjonsegenskapene til AM IN625; 900 °C i 1 time og 1000 °C i 1 time.

For å undersøke motstandsdyktigheten for spaltkorrosjon ble det uført syklisk potentiodynamisk polarisering i henhold til ASTM G61. Dette ble utført i en 3.5 vekt % natriumklorid (NaCl) løsning ved 60 ° C og 90 °C. En modifisert versjon av ASTM G48 ble brukt for å bestemme kritisk spale temperatur i en 6 vekt % jernklorid elektrolytt. For å undersøke graden av korrosjonsangrepene ble det brukt et 3D optisk mikroskop (OM). Korrosjonsegenskapene til AM IN625-prøver er diskutert i forhold til TM IN625-referansematerialet. Videre ble effekten av varmebehandling, posisjon, planorientering (XY, XZ) og overflateruhet for AM IN625-prøver evaluert.

Resultatene viste at AM IN625-prøver hadde høyere korrosjonsmostand enn det smidde referansematerialet, TM IN625. Samlet sett var det kritiske spaltepotensialet høyere, og omfanget av angrep var mer alvorlig for TM IN625-materialet. Varmebehandlingen bidro til å øke korrosjonsmotstanden for AM IN625-prøven, som vist ved høyere Ec for begge varmebehandlingene. Resultatene viste at de prøvene som ble varmebehandlet ved 900 °C i 1 time hadde høyest motstandsdyktighet for lokalisert korrosjonsangrep. Overflateundersøkelsen av prøvene etter elektrokjemisk testing viste i hovedsak uniforme korrosjonsangrep for AM IN625-prøvene som var varmebehandlet ved 900 °C.

Det ble ikke funnet noen variasjoner i korrosjonsegenskaper langs bygningsretningen for AM IN625-prøver. Resultatene viste imidlertig at de ulike planoritenteringne (XY og XZ) hadde en innvirkning på spaltekorrosjonsmotstanden, der den vertikalt kuttede prøver (XZ-plan) viste en forbedret korrosjonsmotstand sammenlignet med horisontalt kuttede prøver (XY-plan). Effekten av overflateruhet på korrosjonsegenskaper ble ikke riktig bekreftet i dette arbeidet.

Ytterligere evaluering av CCT-test i henhold til G48 på Ni-legeringer er nødvendig for at denne metoden skal implementeres for bruk som for rustfritt stål.

The aim of this thesis was to investigate the crevice corrosion resistance of Additive Manufactured Inconel 625 (AM IN625) produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology. For comparison, there is used a heat-treated Traditionally Manufactured Inconel 625 (TM IN625) alloy. Post-build heat treatment (HT) for AM alloys is suggested to obtain specific properties to match industrial requirements. In this regard, two different heat treatments were used to study the effect of heat treatment on the microstructure and corrosion properties of AM IN625; Stress Relief (SR) 900 °C for 1 hour (h) and Soft Annealing (SA) 1000 °C for 1 h.

Cyclic Potentiodynamic Polarization (CPP) tests according to ASTM G61 were conducted to determine the susceptibility to localized corrosion. This was performed in a 3.5 wt % sodium chloride (NaCl) solution at 60 °C and 90 °C. Also, a modified version of ASTM G48 was used to determine the Critical Crevice Temperature (CCT) on a few selected samples. This was performed in a 6 wt % ferric chloride electrolyte. After electrochemical testing, a 3D optical microscope (OM) was used for crevice attack characterization. The corrosion performance of AM IN625 samples is discussed in comparison to the TM IN625 reference material. Further, the effect of heat treatment, position, plane orientation (XY, XZ) and surface roughness for AM IN625 samples were evaluated.

The results showed that AM IN625 samples had a higher corrosion resistance than the forged reference material TM IN625. Overall, the critical crevice potential was higher, and the extent of attacks were more severe for TM IN625. The heat treatments increased the corrosion resistance for AM IN625 sample, proved by the higher critical crevice potential (Ec) for both SR and SA sample, compared to as-built (AB) condition. Furthermore, it was found that the SR samples (900 °C / 1 h) gave the highest resistance for localized corrosion attack. The surface investigation revealed uniform corrosion attack on almost all SR AM IN625 samples.

There were not found any variations in corrosion properties along the building direction for AM IN625. However, it was found that the plane orientation had an impact on the crevice corrosion resistance, where the vertically machined samples (XZ-plane) revealed an improved corrosion resistance compared to horizontally cut samples (XY-plane). The effect of surface roughness on corrosion properties was not properly confirmed in this work.

Further evaluation of CCT test according to G48 on Ni-alloys is needed for this method to be implemented for use as for Stainless Steels (SS).