AM-Additive Manufacturing nudi aero-svemirsku proizvodnju velikih količina komponenti visoke složenosti inače nije moguća tradicionalnim tehnikama proizvodnje. Iako postoji mnogo primjera u velikim avio kompanijama i mnogim novoosnovanim kompanijama, L-PBF selektivno lasersko fuziono 3D štampanje je trenutno najdominantniji proces, a slijedi ga DED (uključujući LW-DED i LP-DED).
Uobičajene AM legure za primjenu u svemiru
Izbor metala za potrebe proizvodnje aditiva u vazduhoplovstvu proširio se na legure aluminijuma, nerđajući čelik, legure titanijuma, superlegure na bazi nikla i gvožđa, legure bakra i vatrostalne legure.
Korijeni nekih od ovih legura mogu se pratiti do tradicionalnih metoda strojne obrade i nastavljaju se koristiti u zrakoplovnim komponentama. Nove i postojeće legure se stalno razvijaju, tako da trenutna lista legura nije konačna.
Osim toga, mnoge od sadašnjih legura su tek dostigle razvojnu fazu i možda nisu u potpunosti kvalificirane za primjenu u svemiru koristeći specifične aditivne proizvodne procese, gdje su L-PBF, LP-DED i AW-DED područja koja se najviše proučavaju.
Ovisno o korištenom procesu proizvodnje aditiva, sirovina varira od prethodno legiranog praha (obično proizvedenog plinskom atomizacijom), žice, lima ili čvrste šipke. Dok je broj dostupnih legura ograničen u poređenju sa kovanim legurama, još uvek postoji mnogo uobičajenih i dobro poznatih visokotemperaturnih i popularnih legura za vazduhoplovstvo, uz upozorenje da nivoi zrelosti variraju.
Superlegure na bazi nikla
Superlegure na bazi nikla su široko popularne na platformama AM-Additive Manufacturing, a Inconel 625 i Inconel 718 se koriste u mnogim aplikacijama. Superlegure na bazi nikla i gvožđa odabrane su zbog svojih odličnih mehaničkih svojstava na visokim temperaturama i pritiscima, i često se koriste u teškim okruženjima (otpornost na koroziju i oksidaciju).
Superlegure na bazi gvožđa kao što su A-286, JBK-75 i NASA HR-1 se obično koriste u aplikacijama vodonika pod visokim pritiskom kao što su raketni motori kako bi se smanjili rizici povezani sa krhkom okoline vodonika (HEE). Osim toga, ove superlegure imaju visoku otpornost na puzanje. Kombinacija ovih svojstava pomaže značajnom povećanju efikasnosti modernih motora aviona.
Superlegure su ključni metali u proizvodnji mnogih komponenti u gasnoturbinskim motorima visokog pritiska, uključujući ložište, turbinu, kućište, diskove i lopatice.
Druge primjene na visokim i niskim temperaturama uključuju ventile za tečne raketne motore, turbomašine, injektore, upaljača i razdjelnike. Trenutno se preko 50 posto naprednih motora aviona po težini sastoji od superlegura na bazi nikla.
Titanijumska legura
Odnos čvrstoće i težine je još jedna ključna metrika, zbog čega su titanijumske legure korisne. Legure titanijuma su visoko integrisane u vazduhoplovnoj primeni – nudeći odličnu otpornost na koroziju i korišćenje umerenih temperatura – i bile su predmet intenzivnog interesovanja u proizvodnji aditiva.
Konkretno, Ti-6Al-4V je uobičajena legura za stajni trap, okvire ležaja, rotirajuće mašine, diskove i lopatice kompresora, rezervoare za kriogeno gorivo i mnoge druge vazduhoplovne komponente. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) se koristi u lopaticama kompresora i rotirajućim mašinama, dok se titanijum aluminid (-TiAl) aktivno koristi u lopaticama turbina .
Aluminijumska legura
Iako su slabije od legura titanijuma, aluminijumske legure imaju dobar odnos čvrstoće i težine i uobičajeni su (i dobro utvrđeni) izbor materijala za vazduhoplovstvo. Prema 3D Science Valley, legure aluminijuma koje se koriste u proizvodnji aditivno proizvedenih delova uključuju serije 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx i 7xxx zasnovane na legirajućim elementima, od kojih su mnoge proizvedene korišćenjem procesa proizvodnje aditiva u čvrstom stanju i mogu se koristiti u AFS-D i UAM procesu za obradu.
Aluminijske legure su razvijene da smanje proces pucanja postupkom rastopljenog metala u prahu, procesom 3D štampanja-PBF i usmjerenim energetskim taloženjem metala 3D štampanjem-DED procesom topljenja, uključujući AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy, itd. Međutim, legure aluminijuma takođe imaju niz nedostataka zbog svojih loših performansi pri visokim temperaturama, problema sa popravkom zavara i generalno slabe otpornosti na naprezanje, pucanja od korozije i drugih izazova.
Nehrđajući čelik
U poređenju sa titanijumom ili superlegurama, nerđajući čelik ima dobar odnos čvrstoće i težine, otpornost na visoke temperature i nižu cenu, tako da se široko koristi u komponentama aviona i svemirskih letelica. Nerđajući čelik pokazuje visoku otpornost na koroziju, otpornost na oksidaciju i otpornost na habanje u pravom okruženju.
Nerđajući čelik se koristi u motorima i izduvnim sistemima, hidrauličkim komponentama, izmenjivačima toplote, sistemima stajnih trapa i strukturalnim spojevima. Čelik se takođe koristi u vazduhoplovnim komponentama kao što su šarke, pričvršćivači, stajni trap i druge komponente na avionima. Različiti nerđajući i specijalni čelici se obično koriste sa AM, uključujući austenitno (tj. 316L) i otvrdnjavanje precipitacijom (PH). Međutim, uprkos ovim prednostima, čelik je relativno gust, pa je njegova upotreba ograničena na smanjenje mase sistema. Čelik nije popularan za aditivnu proizvodnju jer su neke legure sklone pucanju, a može se lako formirati tradicionalnim tehnikama i često se koristi u manje složenim sklopovima.
Ova legura je prvobitno razvijena da poboljša mehanička svojstva (npr. otpornost na puzanje, vlačnu čvrstoću, mikrostrukturni integritet) na ekstremnim temperaturama. Legura obećava u metalnim komponentama za plinske turbine, raketne motore, nuklearne reaktore i druge primjene na visokim temperaturama. Međutim, tradicionalni mehanički procesi legiranja za proizvodnju takvih legura su izuzetno neefikasni, dugotrajni i skupi, a 3D štampa otvara prečicu za postizanje takvih legura.
NASA-in ODS-MEA materijal se obrađuje tehnologijom selektivnog laserskog topljenja L-PBF metala 3D štampe. Legura se može izraditi u složene geometrije i otporna je na pucanje pod naponom i dendritsku segregaciju.
Pokazalo se da NASA-in proces stvara komponente sa 10 puta poboljšanim vijekom trajanja puzanja na 1100 stepeni i 30 posto jačim od trenutnih 3D štampanih dijelova. Nove ODS-MEA legure mogu pronaći primjene gdje se ODS legure trenutno koriste (npr. one koje uključuju ekstremna termička okruženja), uključujući za proizvodnju energije, pogon (rakete, mlazni motori, itd.), primjenu nuklearne energije, te rudarstvo i cement proizvodne industrije proizvodne opreme, komponenti gasnih turbina (povećanje temperature usisnog vazduha povećava efikasnost) i drugo.
Superlegure na bazi kobalta, legure bakra
Za primjene na visokim temperaturama gdje nije potrebna visoka toplinska provodljivost, mogu se koristiti legure na bazi kobalta (uključujući CoCr i stelit). Međutim, kada je toplotna provodljivost prioritet, legure bakra dolaze do izražaja. Njihova visoka toplotna provodljivost je prirodno pogodna za izmjenjivače topline. Za raketne aplikacije, najveći toplotni tok se javlja unutar sklopa potisne komore, tako da je ovo područje ono koje doživljava visoki pritisak. Zauzvrat, legure bakra koje se koriste u ovim okruženjima zahtevaju visoku čvrstoću i visoku toplotnu provodljivost (iako ispunjavaju zahteve kompatibilnosti materijala sa pogonskim gorivom po izboru).
Dobro utvrđene uobičajene AM-AM legure bakra uključuju GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) i GlidCop.
ostalo
Aditivna proizvodnja može stvoriti prilagođene bimetalne i multimetalne metale. Materijali se mogu diskretno dodati u dizajn kako bi se optimizirala toplinska ili strukturalna svojstva. Proizvodi se mogu proizvesti sa strukturalnim omotačem, prirubnicama, nastavcima ili drugim karakteristikama kako bi se optimizirala težina cijelog podsistema. Oni mogu uključivati diskretne metalne prijelaze ili funkcionalno gradirane materijale (FGM).
Druge legure metala koje se mogu koristiti u svemirskim aplikacijama uključuju vatrostalne metale kao što su niobij, tantal, molibden, renijum i volfram i njihove legure. C-103 na bazi niobija je uobičajen u aplikacijama kao što su radijacijske rashladne mlaznice, sistemi kontrole svemirske reakcije i prednje ivice hipersoničnih krila.
Druge legure na bazi niobija (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) se koriste u sistemima toplotne zaštite aviona i strukturama jezgra svemirskog reaktora.
Legure na bazi tantala (Ta10W, Ta111, Ta122) se obično koriste u korozivnim okruženjima visokog pritiska i ultra-visokih temperatura.
Vatrostalni materijali na bazi molibdena koriste se u aplikacijama na ultravisokim temperaturama kao što su toplotne cijevi alkalnih metala i gorljivi elementi nuklearnog termičkog pogona. Teške legure su mnogo manje razvijene za aditivnu proizvodnju, ali imaju potencijalnu upotrebu u samozapaljivim ložištima i jednokristalnim lopaticama turbina.