AM-Additive Manufacturing предлага голям обем аерокосмическо производство на компоненти с висока сложност, което иначе не е възможно с традиционните производствени техники. Въпреки че има много примери в големи аерокосмически компании и много стартиращи компании, L-PBF селективното лазерно сливане на метали 3D принтиране в момента е най-доминиращият процес, следван от DED (включително LW-DED и LP-DED).
Обичайни AM сплави за аерокосмически приложения
Изборът на метали за нуждите на производството на аерокосмически добавки се разшири, за да включва алуминиеви сплави, неръждаеми стомани, титанови сплави, суперсплави на базата на никел и желязо, медни сплави и огнеупорни сплави.
Корените на някои от тези сплави могат да бъдат проследени до традиционните методи на обработка и продължават да се използват в авиационни компоненти. Постоянно се разработват нови и съществуващи сплави, така че настоящият списък от сплави не е изчерпателен.
Освен това, много от настоящите сплави са достигнали само етап на разработка и може да не са напълно квалифицирани за аерокосмически приложения, използващи специфични адитивни производствени процеси, където L-PBF, LP-DED и AW-DED са най-проучваните области.
В зависимост от използвания процес на производство на добавки, суровината варира от предварително легиран прах (обикновено произведен чрез газова пулверизация), тел, лист или твърд прът. Въпреки че броят на наличните сплави е ограничен в сравнение с кованите сплави, все още има много често срещани и добре известни високотемпературни и популярни аерокосмически сплави, с предупреждението, че нивата на зрялост варират.
Суперсплави на базата на никел
Свръхсплавите на базата на никел са широко популярни в платформите за производство на добавки за АМ, а Inconel 625 и Inconel 718 се използват в много приложения. Свръхсплавите на базата на никел и желязо бяха избрани заради техните отлични механични свойства при високи температури и налягания и често се използват в тежки среди (устойчивост на корозия и окисление).
Свръхсплави на базата на желязо, като A-286, JBK-75 и NASA HR-1, обикновено се използват в приложения с водород под високо налягане, като например ракетни двигатели, за намаляване на рисковете, свързани с крехкостта на околната среда с водород (HEE). В допълнение, тези суперсплави имат висока устойчивост на пълзене. Комбинацията от тези свойства спомага за значително повишаване на ефективността на съвременните самолетни двигатели.
Суперсплавите са ключови метали в производството на много компоненти в газотурбинни двигатели с високо налягане, включително горивна камера, турбина, корпус, дискове и лопатки.
Други приложения при високи и ниски температури включват клапани за ракетни двигатели с течно гориво, турбомашини, инжектори, възпламенители и колектори. В момента над 50 процента от усъвършенстваните авиационни двигатели по тегло са съставени от суперсплави на базата на никел.
Титаниева сплав
Съотношението якост към тегло е друг ключов показател, поради което титаниевите сплави са полезни. Титаниевите сплави са силно интегрирани в аерокосмическите приложения - предлагайки отлична устойчивост на корозия и използване при умерена температура - и са били обект на силен интерес в производството на добавки.
По-конкретно, Ti-6Al-4V е често срещана сплав за колесници, лагерни рамки, въртящи се машини, компресорни дискове и лопатки, резервоари за криогенно гориво и много други аерокосмически компоненти. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) се използва в компресорни лопатки и въртящи се машини, докато титановият алуминид (-TiAl) се използва активно в турбинни лопатки .
Алуминиева сплав
Макар и по-слаби от титаниевите сплави, алуминиевите сплави имат добро съотношение на якост към тегло и са често срещан (и утвърден) избор на аерокосмически материал. Според 3D Science Valley алуминиевите сплави, използвани в производството на детайли, произведени с добавки, включват сериите 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx и 7xxx, базирани на легиращи елементи, много от които са произведени чрез адитивни производствени процеси в твърдо състояние и могат да се използват в AFS-D и UAM процес към процес.
Алуминиевите сплави са разработени за намаляване на процеса на напукване чрез процес на 3D принтиране на прахов слой от разтопен метал-PBF и процес на топене на метал с насочено отлагане на енергия 3D принтиране-DED, включително AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy и др. Въпреки това, алуминиевите сплави имат и редица недостатъци, дължащи се на лошото им представяне при висока температура, проблеми с ремонта на заварки и като цяло слаба устойчивост на напрежение, корозионно напукване и други предизвикателства.
Неръждаема стомана
В сравнение с титан или суперсплави, неръждаемата стомана има добро съотношение на якост към тегло, устойчивост на висока температура и по-ниска цена, така че се използва широко в компонентите на самолети и космически кораби. Неръждаемата стомана показва висока устойчивост на корозия, устойчивост на окисляване и устойчивост на износване в правилната среда.
Неръждаемата стомана се използва в двигателни и изпускателни системи, хидравлични компоненти, топлообменници, системи за колесници и структурни съединения. Стоманата се използва и в авиационни компоненти като панти, крепежни елементи, колесник и други компоненти на самолети. Разнообразие от неръждаеми и специални стомани обикновено се използват с АМ, включително аустенитни (т.е. 316L) и утайки закалени (PH). Въпреки тези предимства обаче стоманата е сравнително плътна, така че използването й е ограничено до намаляване на масата на системата. Стоманата не е популярна за адитивно производство, тъй като някои сплави са склонни към напукване и могат лесно да бъдат формовани чрез традиционни техники и често се използват в по-малко сложни възли.
Тази сплав първоначално е разработена за подобряване на механичните свойства (напр. устойчивост на пълзене, якост на опън, микроструктурна цялост) при екстремни температури. Сплавта е обещаваща в метални компоненти за газови турбини, ракетни двигатели, ядрени реактори и други високотемпературни приложения. Традиционните процеси на механично легиране за производство на такива сплави обаче са изключително неефективни, отнемат много време и са скъпи, а 3D принтирането отваря пряк път за постигане на такива сплави.
Материалът ODS-MEA на НАСА се обработва чрез технология за 3D печат на метал L-PBF със селективно лазерно топене. Сплавта може да бъде произведена в сложни геометрии и е устойчива на напукване под напрежение и дендритна сегрегация.
Доказано е, че процесът на НАСА създава компоненти с 10 пъти подобрен живот на разрушаване при пълзене при 1100 градуса и 30 процента по-здрави от сегашните 3D отпечатани части. Новите ODS-MEA сплави могат да намерят приложения, където в момента се използват ODS сплави (напр. такива, включващи екстремни термични среди), включително за производство на електроенергия, задвижване (ракети, реактивни двигатели и др.), приложения в ядрената енергия и минното дело и цимента производствени индустрии, производствено оборудване, компоненти за газови турбини (увеличаването на температурата на входящия въздух повишава ефективността) и др.
Суперсплави на базата на кобалт, медни сплави
За високотемпературни приложения, където не се изисква висока топлопроводимост, могат да се използват сплави на основата на кобалт (включително CoCr и Stellite). Когато обаче топлопроводимостта е приоритет, на преден план излизат медните сплави. Тяхната висока топлопроводимост е естествено подходяща за топлообменници. За ракетни приложения най-големият топлинен поток възниква в модула на тяговата камера, така че тази зона е тази, която изпитва високо налягане. На свой ред, медните сплави, използвани в тези среди, изискват висока якост и висока топлопроводимост (като същевременно отговарят на изискванията за съвместимост на материала с избраното гориво).
Добре установените често срещани медни сплави AM-AM включват GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) и GlidCop.
друго
Адитивното производство може да създаде персонализирани биметални и мултиметални метали. Материалите могат да бъдат дискретно добавени към дизайна за оптимизиране на термичните или структурните свойства. Продуктите могат да бъдат произведени със структурни ризи, фланци, издатини или други характеристики за оптимизиране на теглото на цялата подсистема. Те могат да включват дискретни метални преходи или функционално градирани материали (FGM).
Други метални сплави, които могат да се използват в космическите приложения, включват огнеупорни метали като ниобий, тантал, молибден, рений и волфрам и техните сплави. Базираният на ниобий C-103 е често срещан в приложения като дюзи за радиационно охлаждане, системи за контрол на космически реакции и предни ръбове на хиперзвукови крила.
Други сплави на базата на ниобий (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) се използват в системи за термична защита на самолети и структури на сърцевината на космическия реактор.
Базираните на тантал сплави (Ta10W, Ta111, Ta122) обикновено се използват в корозивни среди с високо налягане и свръхвисока температура.
Огнеупорите на основата на молибден се използват в приложения с ултрависока температура, като топлинни тръби с алкални метали и горивни елементи за ядрено термично задвижване. Тежките сплави са много по-малко разработени за производство на добавки, но имат потенциални приложения в самозапалващи се горивни камери и монокристални турбинни лопатки.