AM-Additive Manufacturing tarjoaa suuria määriä ilmailu- ja avaruustuotantoa monimutkaisia komponentteja, jotka eivät muuten ole mahdollisia perinteisillä valmistustekniikoilla. Vaikka suurissa ilmailualan yrityksissä ja monissa uusissa yrityksissä on monia esimerkkejä, L-PBF-selektiivinen lasermetallifuusio 3D-tulostus on tällä hetkellä hallitsevin prosessi, jota seuraa DED (mukaan lukien LW-DED ja LP-DED).
Yleiset AM-seokset ilmailusovelluksiin
Metallien valikoima ilmailu- ja avaruusteollisuuden lisäaineiden valmistustarpeisiin on laajentunut kattamaan alumiiniseokset, ruostumattomat teräkset, titaaniseokset, nikkeli- ja rautapohjaiset superseokset, kuparilejeeringit ja tulenkestävät seokset.
Joidenkin näiden metalliseosten juuret voidaan jäljittää perinteisiin koneistusmenetelmiin, ja niitä käytetään edelleen ilmailun komponenteissa. Uusia ja olemassa olevia metalliseoksia kehitetään jatkuvasti, joten nykyinen seosluettelo ei ole tyhjentävä.
Lisäksi monet nykyisistä seoksista ovat vasta kehitysvaiheessa, eivätkä ne välttämättä ole täysin kelvollisia ilmailu- ja avaruussovelluksiin, joissa käytetään erityisiä lisäaineita sisältäviä valmistusprosesseja, joissa L-PBF, LP-DED ja AW-DED ovat eniten tutkittuja alueita.
Käytetystä lisäainevalmistusprosessista riippuen raaka-aine vaihtelee esiseostetusta jauheesta (tuotetaan yleensä kaasusumutuksella), langasta, levystä tai kiinteästä sauvasta. Vaikka saatavilla olevien metalliseosten määrä on rajallinen verrattuna taottuun metalliseokseen, saatavilla on edelleen monia yleisiä ja tunnettuja korkean lämpötilan ja suosittuja ilmailu- ja avaruusseoksia, joiden kypsyysaste vaihtelee.
Nikkelipohjaiset superseokset
Nikkelipohjaiset superseokset ovat laajalti suosittuja AM-Additive Manufacturing -alustoilla, ja Inconel 625 ja Inconel 718 ovat käytössä monissa sovelluksissa. Nikkeli- ja rautapohjaiset superseokset valittiin niiden erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, ja niitä käytetään usein ankarissa ympäristöissä (korroosion- ja hapettumisenkestävyys).
Rautapohjaisia superseoksia, kuten A-286, JBK-75 ja NASA HR-1, käytetään yleisesti korkeapaineisissa vetysovelluksissa, kuten rakettimoottoreissa, vähentämään vedyn aiheuttamaan ympäristön haurastumiseen liittyviä riskejä. (HEE). Lisäksi näillä superseoksilla on korkea virumisvastus. Näiden ominaisuuksien yhdistelmä auttaa merkittävästi lisäämään nykyaikaisten lentokoneiden moottoreiden tehokkuutta.
Superseokset ovat keskeisiä metalleja monien korkeapaineisten kaasuturbiinimoottorien komponenttien valmistuksessa, mukaan lukien polttokammio, turbiini, kotelo, levyt ja siivet.
Muita korkean ja matalan lämpötilan sovelluksia ovat nestemäisten rakettimoottoreiden venttiilit, turbokoneet, ruiskutussuuttimet, sytyttimet ja jakoputket. Tällä hetkellä yli 50 prosenttia kehittyneistä lentokoneiden moottoreista koostuu nikkelipohjaisista superseoksista.
Titaaniseos
Lujuus-painosuhde on toinen keskeinen mittari, minkä vuoksi titaaniseokset ovat hyödyllisiä. Titaaniseokset ovat erittäin integroituja ilmailu- ja avaruussovelluksiin - tarjoavat erinomaisen korroosionkestävyyden ja kohtuullisen lämpötilan käytön - ja ne ovat olleet suuren kiinnostuksen kohteena lisäaineiden valmistuksessa.
Tarkemmin sanottuna Ti-6Al-4V on yleinen seos laskutelineissä, laakerien rungoissa, pyörivissä koneissa, kompressorin levyissä ja teriissä, kryogeenisissa ponneainesäiliöissä ja monissa muissa ilmailun komponenteissa. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) käytetään kompressorin siivissä ja pyörivissä koneissa, kun taas titaanialuminidia (-TiAl) käytetään aktiivisesti turbiinien siivissä .
Alumiiniseos
Vaikka alumiiniseokset ovat heikompia kuin titaaniseokset, niiden lujuus-painosuhde on hyvä, ja ne ovat yleinen (ja vakiintunut) ilmailumateriaalien valinta. 3D Science Valleyn mukaan lisäainevalmisteiden osien valmistuksessa käytettyjä alumiiniseoksia ovat seosaineisiin perustuvat 1xxx-, 2xxx-, 4xxx-, 6xxx- ja 7xxx-sarjat, joista monet valmistetaan käyttämällä kiinteän olomuodon lisäainevalmistusprosesseja ja joita voidaan käyttää. AFS-D- ja UAM-prosessissa käsiteltäväksi.
Alumiiniseokset on kehitetty vähentämään prosessisäröilyä jauhepetisulan metallin 3D-tulostusprosessissa-PBF ja suunnatussa energiapinnoitusmetallin 3D-tulostuksessa-DED-sulatusprosessissa, mukaan lukien AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy jne. Kuitenkin alumiiniseokset Niillä on myös useita haittoja, jotka johtuvat niiden huonosta suorituskyvystä korkeissa lämpötiloissa, hitsin korjausongelmista ja yleensä huonosta jännityskestävyydestä, korroosiohalkeilusta ja muista haasteista.
Ruostumaton teräs
Titaaniin tai superseoksiin verrattuna ruostumattomalla teräksellä on hyvä lujuus-painosuhde, korkean lämpötilan kestävyys ja alhaisemmat kustannukset, joten sitä käytetään laajalti lentokoneissa ja avaruusalusten osissa. Ruostumattomalla teräksellä on korkea korroosionkestävyys, hapettumisenkestävyys ja kulutuskestävyys oikeassa ympäristössä.
Ruostumatonta terästä käytetään moottoreissa ja pakojärjestelmissä, hydraulikomponenteissa, lämmönvaihtimissa, laskutelinejärjestelmissä ja rakenteiden liitoksissa. Terästä käytetään myös ilmailun komponenteissa, kuten saranoissa, kiinnikkeissä, laskutelineissä ja muissa lentokoneiden komponenteissa. AM:n kanssa käytetään yleisesti erilaisia ruostumattomia ja erikoisteräksiä, mukaan lukien austeniittista (eli 316L) ja sadekarkaisua (PH). Näistä eduista huolimatta teräs on kuitenkin suhteellisen tiheää, joten sen käyttö rajoittuu järjestelmän massan vähentämiseen. Teräs ei ole suosittu lisäainevalmistuksessa, koska jotkut seokset ovat alttiita halkeilemaan, ja se voidaan helposti muodostaa perinteisillä tekniikoilla ja sitä käytetään usein vähemmän monimutkaisissa kokoonpanoissa.
Tämä seos kehitettiin alun perin parantamaan mekaanisia ominaisuuksia (esim. virumisvastus, vetolujuus, mikrorakenteen eheys) äärimmäisissä lämpötiloissa. Seos on lupaava metallikomponenteissa kaasuturbiineissa, raketimoottoreissa, ydinreaktoreissa ja muissa korkeissa lämpötiloissa. Perinteiset mekaaniset seostusprosessit tällaisten metalliseosten valmistamiseksi ovat kuitenkin erittäin tehottomia, aikaa vieviä ja kalliita, ja 3D-tulostus avaa oikotien tällaisten seosten saavuttamiseen.
NASAn ODS-MEA-materiaali on käsitelty selektiivisellä lasersulatusmenetelmällä L-PBF metallin 3D-tulostusteknologialla. Seos voidaan valmistaa monimutkaisiksi geometrioiksi, ja se kestää jännityshalkeilua ja dendriittien erottelua.
NASAn prosessin on osoitettu luovan komponentteja, joilla on 10 kertaa parempi virumisrepeämisikä 1100 asteessa ja 30 prosenttia vahvempia kuin nykyiset 3D-painetut osat. Uudet ODS-MEA-lejeeringit voivat löytää sovelluksia, joissa ODS-seoksia tällä hetkellä käytetään (esim. äärimmäisissä lämpöolosuhteissa), mukaan lukien voimantuotanto, propulsio (raketit, suihkumoottorit jne.), ydinenergiasovellukset sekä kaivos- ja sementtiteollisuus. tuotantoteollisuudet valmistuslaitteet, kaasuturbiinien komponentit (imuilman lämpötilan nousu lisää tehokkuutta) ja paljon muuta.
Kobolttipohjaiset superseokset, kupariseokset
Korkean lämpötilan sovelluksissa, joissa korkeaa lämmönjohtavuutta ei vaadita, voidaan käyttää kobolttipohjaisia seoksia (mukaan lukien CoCr ja Stellite). Kuitenkin kun lämmönjohtavuus on etusijalla, kupariseokset tulevat etualalle. Niiden korkea lämmönjohtavuus sopii luonnollisesti lämmönvaihtimiin. Rakettisovelluksissa suurin lämpövuo esiintyy työntökammiokokoonpanossa, joten tämä alue kokee korkean paineen. Näissä ympäristöissä käytettävät kupariseokset puolestaan vaativat suurta lujuutta ja korkeaa lämmönjohtavuutta (samalla kun ne täyttävät materiaalien yhteensopivuusvaatimukset valitun ponneaineen kanssa).
Vakiintuneita yleisiä AM-AM-kupariseoksia ovat GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) ja GlidCop.
muu
Lisäainevalmistus voi luoda mukautettuja bimetalli- ja monimetallimetalleja. Materiaaleja voidaan lisätä suunnitteluun huomaamattomasti lämpö- tai rakenteellisten ominaisuuksien optimoimiseksi. Tuotteisiin voidaan valmistaa rakenteelliset vaipat, laipat, ulokkeet tai muut ominaisuudet koko osajärjestelmän painon optimoimiseksi. Näitä voivat olla erilliset metallisiirtymät tai toiminnallisesti lajitellut materiaalit (FGM).
Muita metalliseoksia, joita voidaan käyttää ilmailusovelluksissa, ovat tulenkestävät metallit, kuten niobium, tantaali, molybdeeni, renium ja volframi sekä niiden seokset. Niobiumiin perustuva C-103 on yleinen sovelluksissa, kuten säteilyjäähdytyssuuttimissa, avaruusreaktion ohjausjärjestelmissä ja hypersonic-siipien etureunoissa.
Muita niobipohjaisia seoksia (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) käytetään lentokoneiden lämpösuojajärjestelmissä ja avaruusreaktorin sydänrakenteissa.
Tantaalipohjaisia seoksia (Ta10W, Ta111, Ta122) käytetään tyypillisesti syövyttävissä korkeapaineisissa ja erittäin korkeissa lämpötiloissa.
Molybdeenipohjaisia tulenkestäviä aineita käytetään erittäin korkeiden lämpötilojen sovelluksissa, kuten alkalimetallilämpöputkissa ja ydinlämpöpropulsion polttoaine-elementeissä. Raskaspohjaiset metalliseokset ovat paljon vähemmän kehitettyjä lisäainevalmistukseen, mutta niillä on potentiaalista käyttöä itsestään syttyvissä polttimissa ja yksikiteisissä turbiinien siivissä.