Az AM-Additive Manufacturing nagy volumenű repülőgépgyártást kínál nagy összetettségű alkatrészekből, amelyek egyébként nem lehetségesek a hagyományos gyártási technikákkal. Míg számos példa van a nagy repülőipari vállalatoknál és számos induló vállalkozásnál, jelenleg az L-PBF szelektív lézeres fémfúziós 3D nyomtatás a legdominánsabb eljárás, ezt követi a DED (beleértve az LW-DED-et és az LP-DED-et is).
Általános AM ötvözetek repülési alkalmazásokhoz
Az űrhajózási adalékanyagok gyártásához szükséges fémek választéka az alumíniumötvözetek, a rozsdamentes acélok, a titánötvözetek, a nikkel- és vasalapú szuperötvözetek, a rézötvözetek és a tűzálló ötvözetekre is kiterjedt.
Ezen ötvözetek némelyikének gyökerei a hagyományos megmunkálási módszerekre vezethetők vissza, és továbbra is használatosak a repülőgép-alkatrészekben. Az új és a meglévő ötvözetek folyamatosan fejlesztés alatt állnak, így az ötvözetek jelenlegi listája nem teljes.
Ezen túlmenően a jelenlegi ötvözetek közül sok még csak a fejlesztési szakaszba érkezett, és előfordulhat, hogy nem teljesen alkalmas speciális additív gyártási folyamatokat használó repülőgép-ipari alkalmazásokhoz, ahol az L-PBF, LP-DED és AW-DED a leginkább tanulmányozott területek.
Az alkalmazott adalékos gyártási eljárástól függően a nyersanyag előötvözött por (általában gázporlasztással állítják elő), huzal, lemez vagy tömör rúd lehet. Míg a rendelkezésre álló ötvözetek száma korlátozott a kovácsolt ötvözetekhez képest, továbbra is sok általános és jól ismert magas hőmérsékletű és népszerű repülőgép-űrötvözet áll rendelkezésre, azzal a figyelmeztetéssel, hogy az érettségi szintek eltérőek.
Nikkel alapú szuperötvözetek
A nikkel alapú szuperötvözetek széles körben népszerűek az AM-Additive Manufacturing platformokon, és az Inconel 625 és Inconel 718 számos alkalmazásban használatos. A nikkel- és vasalapú szuperötvözeteket a magas hőmérsékleten és nyomáson fennálló kiváló mechanikai tulajdonságaik miatt választották, és gyakran használják zord környezetben (korrózió- és oxidációállóság).
A vasalapú szuperötvözetek, mint például az A-286, a JBK-75 és a NASA HR-1, általánosan használatosak nagynyomású hidrogén-alkalmazásokban, például rakétahajtóművekben, hogy csökkentsék a hidrogén által okozott környezeti ridegség kockázatát. (HEE). Ezenkívül ezek a szuperötvözetek nagy kúszási ellenállással rendelkeznek. Ezen tulajdonságok kombinációja jelentősen növeli a modern repülőgép-hajtóművek hatékonyságát.
A szuperötvözetek kulcsfontosságú fémek a nagynyomású gázturbinás motorok számos alkatrészének gyártásában, beleértve az égőteret, a turbinát, a házat, a tárcsákat és a lapátokat.
Egyéb magas és alacsony hőmérsékletű alkalmazások közé tartoznak a folyékony rakétamotorok szelepei, a turbógépek, az injektorok, a gyújtók és az elosztók. Jelenleg a fejlett repülőgép-hajtóművek tömegének több mint 50 százaléka nikkel alapú szuperötvözetekből áll.
Titán ötvözet
A szilárdság-tömeg arány egy másik kulcsfontosságú mérőszám, ezért a titánötvözetek jól jönnek. A titánötvözetek nagymértékben integrálódnak az űrrepülési alkalmazásokba – kiváló korrózióállóságot és mérsékelt hőmérsékleti felhasználást kínálnak –, és intenzív érdeklődés tárgyát képezik az adalékanyagok gyártása terén.
Pontosabban, a Ti{0}}Al-4V a futóművek, a csapágykeretek, a forgó gépek, a kompresszortárcsák és -lapátok, a kriogén hajtóanyagtartályok és sok más repülőgép-alkatrészek ötvözete. A Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-t (Ti6242) kompresszorlapátokban és forgógépekben, míg a titán-aluminidot (-TiAl) a turbinák lapátjaiban használják. .
Alumínium ötvözet
Bár gyengébbek, mint a titánötvözetek, az alumíniumötvözetek jó szilárdság/tömeg arányúak, és gyakori (és jól bevált) repülési anyagválasztás. A 3D Science Valley szerint az additív gyártású alkatrészek gyártásához használt alumíniumötvözetek közé tartozik az 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx és 7xxx ötvözőelemeken alapuló sorozat, amelyek közül sok szilárdtest-adalékos gyártási eljárással készül, és felhasználható. AFS-D és UAM folyamatban kell feldolgozni.
Az alumíniumötvözeteket a porágyas olvadt fém 3D nyomtatási eljárással – PBF és irányított energiával történő leválasztással, fém 3D nyomtatással – DED olvasztási eljárással történő repedés csökkentésére fejlesztették ki, beleértve az AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy stb. Az alumíniumötvözetek azonban számos hátrányuk is van a gyenge magas hőmérsékleti teljesítményük, a hegesztési varratok javítási problémái és általában a gyenge feszültségállóság, a korróziós repedés és egyéb kihívások miatt.
Rozsdamentes acél
A titánnal vagy szuperötvözetekkel összehasonlítva a rozsdamentes acél jó szilárdság-tömeg arányú, magas hőmérséklet-állósággal és alacsonyabb költséggel rendelkezik, ezért széles körben használják repülőgépekben és űrhajóalkatrészekben. A rozsdamentes acél magas korrózióállóságot, oxidációállóságot és kopásállóságot mutat a megfelelő környezetben.
A rozsdamentes acélt motor- és kipufogórendszerekben, hidraulikus alkatrészekben, hőcserélőkben, futóművekben és szerkezeti kötésekben használják. Az acélt repülőgép-alkatrészekben is használják, például zsanérokban, rögzítőkben, futóművekben és más repülőgép-alkatrészekben. Különféle rozsdamentes és speciális acélokat gyakran használnak az AM-hez, beleértve az ausztenites (azaz 316 literes) és a csapadékos edzést (PH). Azonban ezen előnyök ellenére az acél viszonylag sűrű, ezért használata a rendszer tömegének csökkentésére korlátozódik. Az acél nem népszerű az additív gyártásban, mert egyes ötvözetek hajlamosak a repedésre, hagyományos technikákkal könnyen alakítható, és gyakran használják kevésbé bonyolult összeállításokban.
Ezt az ötvözetet eredetileg a mechanikai tulajdonságok (pl. kúszásállóság, szakítószilárdság, mikroszerkezeti integritás) javítására fejlesztették ki extrém hőmérsékleteken. Az ötvözet ígéretesnek bizonyul a gázturbinák, rakétahajtóművek, atomreaktorok és más magas hőmérsékletű alkalmazások fémalkatrészeiben. Az ilyen ötvözetek előállítására szolgáló hagyományos mechanikus ötvözési eljárások azonban rendkívül nem hatékonyak, időigényesek és költségesek, és a 3D nyomtatás rövid utat nyit az ilyen ötvözetek előállításához.
A NASA ODS-MEA anyagát szelektív lézerolvasztással, L-PBF fém 3D nyomtatási technológiával dolgozzák fel. Az ötvözet összetett geometriájúvá alakítható, és ellenáll a feszültségrepedésnek és a dendrites szegregációnak.
Bebizonyosodott, hogy a NASA eljárása 10-szer jobb kúszás-szakadási élettartammal rendelkező alkatrészeket hoz létre 1100 fokban, és 30 százalékkal erősebb, mint a jelenlegi 3D nyomtatott alkatrészek. Az új ODS-MEA ötvözetek olyan alkalmazási területeket találhatnak, ahol jelenleg ODS-ötvözeteket használnak (pl. szélsőséges termikus környezetek esetén), beleértve az energiatermelést, a meghajtást (rakéták, sugárhajtóművek stb.), a nukleáris energiát, valamint a bányászatot és a cementet. termelő iparágak gyártóberendezések, gázturbina alkatrészek (a beszívott levegő hőmérsékletének növelése növeli a hatékonyságot), stb.
Kobalt alapú szuperötvözetek, rézötvözetek
A magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz, ahol nincs szükség nagy hővezető képességre, kobalt alapú ötvözetek (beleértve a CoCr-t és a Stellite-t) használhatók. Ha azonban a hővezető képesség prioritást élvez, akkor a rézötvözetek kerülnek előtérbe. Magas hővezető képességük természetesen alkalmas hőcserélőkhöz. Rakéta-alkalmazások esetén a legnagyobb hőáram a tolókamra-szerelvényen belül jelentkezik, ezért ez a terület az, ahol nagy nyomás éri. Az ilyen környezetben használt rézötvözetek viszont nagy szilárdságot és magas hővezető képességet igényelnek (miközben teljesítik az anyagkompatibilitási követelményeket a választott hajtóanyaggal).
A jól bevált AM-AM rézötvözetek közé tartozik a GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) és GlidCop.
Egyéb
Az additív gyártás egyedi bimetallikus és többfémes fémeket hozhat létre. Az anyagok diszkréten hozzáadhatók a tervezéshez a termikus vagy szerkezeti tulajdonságok optimalizálása érdekében. A termékek szerkezeti köpenyekkel, karimákkal, kiemelkedésekkel vagy egyéb jellemzőkkel gyárthatók a teljes alrendszer súlyának optimalizálása érdekében. Ezek lehetnek diszkrét fémátmenetek vagy funkcionálisan osztályozott anyagok (FGM).
Az űrrepülésben használható egyéb fémötvözetek közé tartoznak a tűzálló fémek, például a nióbium, a tantál, a molibdén, a rénium és a volfrám, valamint ezek ötvözetei. A nióbium alapú C-103 gyakori az olyan alkalmazásokban, mint a sugárzó hűtőfúvókák, a térreakciót vezérlő rendszerek és a hiperszonikus szárnyak élei.
Más nióbium alapú ötvözeteket (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) használnak a repülőgépek hővédelmi rendszereiben és az űrreaktorok magszerkezeteiben.
A tantál alapú ötvözetek (Ta10W, Ta111, Ta122) jellemzően korrozív, nagy nyomású és ultramagas hőmérsékletű környezetben használatosak.
A molibdén alapú tűzálló anyagokat ultramagas hőmérsékletű alkalmazásokban használják, például alkálifém hőcsövekben és nukleáris hőhajtású fűtőelemekben. A nehéz alapú ötvözetek sokkal kevésbé fejlettek az additív gyártáshoz, de potenciálisan alkalmazhatók öngyulladó égetőkben és egykristályos turbinalapátokban.