AM-Additive Manufacturing nabízí velkoobjemovou leteckou výrobu vysoce složitých součástí, které by jinak nebyly možné tradičními výrobními technikami. I když existuje mnoho příkladů ve velkých leteckých společnostech a mnoha začínajících firmách, v současnosti je nejdominantnějším procesem selektivní laserový fúzní 3D tisk L-PBF, následovaný DED (včetně LW-DED a LP-DED).
Běžné AM slitiny pro letecké aplikace
Výběr kovů pro potřeby výroby aditiv v letectví se rozšířil o slitiny hliníku, nerezové oceli, slitiny titanu, superslitiny na bázi niklu a železa, slitiny mědi a žáruvzdorné slitiny.
Kořeny některých z těchto slitin lze vysledovat zpět k tradičním metodám obrábění a nadále se používají v leteckých součástech. Nové a stávající slitiny jsou neustále vyvíjeny, takže aktuální seznam slitin není vyčerpávající.
Navíc mnoho současných slitin dosáhlo pouze vývojové fáze a nemusí být plně kvalifikované pro použití v letectví a kosmonautice pomocí specifických aditivních výrobních procesů, kde L-PBF, LP-DED a AW-DED jsou nejvíce studovanými oblastmi.
V závislosti na použitém aditivním výrobním procesu se surovina liší od předlegovaného prášku (obvykle vyráběného atomizací plynem), drátu, plechu nebo plné tyče. Zatímco počet dostupných slitin je ve srovnání s tvářenými slitinami omezený, stále je k dispozici mnoho běžných a dobře známých vysokoteplotních a oblíbených slitin pro letectví a kosmonautiku, s výhradou, že úrovně zralosti se liší.
Superslitiny na bázi niklu
Superslitiny na bázi niklu jsou široce oblíbené na platformách AM-Additive Manufacturing a Inconel 625 a Inconel 718 se používají v mnoha aplikacích. Superslitiny na bázi niklu a železa byly vybrány pro své vynikající mechanické vlastnosti při vysokých teplotách a tlacích a často se používají v náročných prostředích (odolnost proti korozi a oxidaci).
Superslitiny na bázi železa, jako jsou A-286, JBK-75 a NASA HR-1, se běžně používají ve vysokotlakých vodíkových aplikacích, jako jsou raketové motory, aby se snížila rizika spojená s vodíkovým environmentálním zkřehnutím (HEE). Kromě toho mají tyto superslitiny vysokou odolnost proti tečení. Kombinace těchto vlastností pomáhá výrazně zvýšit účinnost moderních leteckých motorů.
Superslitiny jsou klíčové kovy při výrobě mnoha součástí vysokotlakých plynových turbínových motorů, včetně spalovací komory, turbíny, skříně, kotoučů a lopatek.
Mezi další vysokoteplotní a nízkoteplotní aplikace patří ventily pro kapalné raketové motory, turbosoustrojí, vstřikovače, zapalovače a potrubí. V současné době se více než 50 procent pokročilých leteckých motorů podle hmotnosti skládá ze superslitin na bázi niklu.
Titanová slitina
Poměr pevnosti a hmotnosti je další klíčovou metrikou, a proto se slitiny titanu hodí. Titanové slitiny jsou vysoce integrované do leteckých aplikací – nabízejí vynikající odolnost proti korozi a použití při mírných teplotách – a jsou předmětem intenzivního zájmu v aditivní výrobě.
Konkrétně Ti-6Al-4V je běžná slitina pro přistávací zařízení, rámy ložisek, rotační stroje, disky a lopatky kompresorů, nádrže na kryogenní pohonné hmoty a mnoho dalších součástí leteckého průmyslu. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) se používá v lopatkách kompresorů a rotačních strojích, zatímco aluminid titanu (-TiAl) se aktivně používá v lopatkách turbín .
Slitina hliníku
Ačkoli jsou hliníkové slitiny slabší než slitiny titanu, mají dobrý poměr pevnosti k hmotnosti a jsou běžnou (a dobře zavedenou) volbou materiálů pro letectví a kosmonautiku. Podle 3D Science Valley hliníkové slitiny používané při výrobě aditivně vyráběných dílů zahrnují řady 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx a 7xxx na bázi legujících prvků, z nichž mnohé jsou vyráběny pomocí procesů výroby aditiv v pevné fázi a lze je použít. v procesu AFS-D a UAM ke zpracování.
Hliníkové slitiny byly vyvinuty za účelem snížení procesního praskání 3D tiskovým procesem z roztaveného kovu v práškovém loži – PBF a procesem tavení 3D tisk s řízenou energií – DED, včetně AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy atd. Hliníkové slitiny však mají také řadu nevýhod v důsledku jejich špatného výkonu při vysokých teplotách, problémů s opravami svarů a obecně špatné odolnosti proti pnutí, koroznímu praskání a dalším problémům.
Nerezová ocel
Ve srovnání s titanem nebo superslitinami má nerezová ocel dobrý poměr pevnosti k hmotnosti, odolnost vůči vysokým teplotám a nižší náklady, takže je široce používána v letadlech a součástech kosmických lodí. Nerezová ocel vykazuje vysokou odolnost proti korozi, oxidaci a odolnost proti opotřebení ve správném prostředí.
Nerezová ocel se používá v motorech a výfukových systémech, hydraulických součástech, výměnících tepla, podvozkových systémech a konstrukčních spojích. Ocel se také používá v leteckých součástech, jako jsou panty, spojovací prvky, přistávací zařízení a další součásti letadel. S AM se běžně používají různé nerezové a speciální oceli, včetně austenitické (tj. 316L) a precipitačního kalení (PH). Navzdory těmto výhodám je však ocel poměrně hustá, takže její použití je omezeno na snížení hmotnosti systému. Ocel není oblíbená pro aditivní výrobu, protože některé slitiny jsou náchylné k praskání a lze ji snadno tvarovat tradičními technikami a často se používá v méně složitých sestavách.
Tato slitina byla původně vyvinuta pro zlepšení mechanických vlastností (např. odolnost proti tečení, pevnost v tahu, mikrostrukturální integritu) při extrémních teplotách. Slitina je slibná v kovových součástech pro plynové turbíny, raketové motory, jaderné reaktory a další vysokoteplotní aplikace. Tradiční procesy mechanického legování k výrobě takových slitin jsou však extrémně neefektivní, časově náročné a nákladné a 3D tisk otevírá cestu k dosažení takových slitin.
Materiál ODS-MEA NASA je zpracován technologií selektivního laserového tavení kovu L-PBF 3D tisku. Slitina může být vyrobena do složitých geometrií a je odolná vůči praskání pod napětím a dendritické segregaci.
Ukázalo se, že proces NASA vytváří součásti s 10krát vylepšenou životností při tečení při 1100 stupních a o 30 procent pevnějšími než současné 3D tištěné díly. Nové slitiny ODS-MEA mohou najít aplikace tam, kde se v současné době používají slitiny ODS (např. ty, které zahrnují extrémní tepelná prostředí), včetně výroby energie, pohonu (rakety, tryskové motory atd.), aplikací jaderné energie a těžby a cementu. výrobní průmysl výrobní zařízení, součásti plynových turbín (zvyšující se teplota nasávaného vzduchu zvyšuje účinnost) a další.
Superslitiny na bázi kobaltu, slitiny mědi
Pro vysokoteplotní aplikace, kde není vyžadována vysoká tepelná vodivost, lze použít slitiny na bázi kobaltu (včetně CoCr a Stellitu). Pokud je však prioritou tepelná vodivost, do popředí se dostávají slitiny mědi. Jejich vysoká tepelná vodivost je přirozeně vhodná pro výměníky tepla. U raketových aplikací dochází k nejvyššímu tepelnému toku v sestavě náporové komory, takže tato oblast je oblastí, která je vystavena vysokému tlaku. Slitiny mědi používané v těchto prostředích zase vyžadují vysokou pevnost a vysokou tepelnou vodivost (přičemž splňují požadavky na materiálovou kompatibilitu s vybranou pohonnou látkou).
Mezi dobře zavedené běžné slitiny mědi AM-AM patří GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) a GlidCop.
jiný
Aditivní výroba může vytvářet zakázkové bimetalické a multimetalické kovy. Materiály mohou být diskrétně přidány do návrhu pro optimalizaci tepelných nebo strukturálních vlastností. Produkty mohou být vyrobeny s konstrukčními plášti, přírubami, nálitky nebo jinými prvky pro optimalizaci hmotnosti celého subsystému. Ty mohou zahrnovat diskrétní kovové přechody nebo funkčně odstupňované materiály (FGM).
Mezi další kovové slitiny, které lze použít v leteckých aplikacích, patří žáruvzdorné kovy, jako je niob, tantal, molybden, rhenium a wolfram a jejich slitiny. C-103 na bázi niobu je běžný v aplikacích, jako jsou radiační chladicí trysky, systémy řízení vesmírných reakcí a náběžné hrany hypersonických křídel.
Jiné slitiny na bázi niobu (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) se používají v systémech tepelné ochrany letadel a konstrukcích aktivní zóny vesmírných reaktorů.
Slitiny na bázi tantalu (Ta10W, Ta111, Ta122) se typicky používají v korozivních vysokotlakých a ultravysokoteplotních prostředích.
Žáruvzdorné materiály na bázi molybdenu se používají v aplikacích pro ultravysoké teploty, jako jsou tepelné trubky z alkalických kovů a palivové články jaderného tepelného pohonu. Slitiny na těžké bázi jsou mnohem méně vyvinuty pro aditivní výrobu, ale mají potenciální využití v samozápalných spalovacích komorách a jednokrystalových turbínových lopatkách.