AM-Additive Manufacturing ponúka veľkoobjemovú leteckú výrobu vysoko komplexných komponentov, ktoré by inak neboli možné pri tradičných výrobných technikách. Aj keď existuje veľa príkladov vo veľkých leteckých spoločnostiach a mnohých začínajúcich podnikoch, v súčasnosti je najdominantnejším procesom selektívna laserová fúzna 3D tlač L-PBF, po ktorej nasleduje DED (vrátane LW-DED a LP-DED).
Bežné AM zliatiny pre letecké aplikácie
Výber kovov pre potreby výroby aditív v letectve sa rozšíril o zliatiny hliníka, nehrdzavejúce ocele, zliatiny titánu, superzliatiny na báze niklu a železa, zliatiny medi a žiaruvzdorné zliatiny.
Korene niektorých z týchto zliatin možno vystopovať späť k tradičným metódam obrábania a naďalej sa používajú v komponentoch leteckého priemyslu. Nové a existujúce zliatiny sa neustále vyvíjajú, takže aktuálny zoznam zliatin nie je úplný.
Navyše mnohé zo súčasných zliatin sa dostali len do štádia vývoja a nemusia byť plne kvalifikované pre letecké aplikácie využívajúce špecifické procesy výroby aditív, kde L-PBF, LP-DED a AW-DED sú najviac študovanými oblasťami.
V závislosti od použitého výrobného procesu aditíva sa surovina líši od predlegovaného prášku (zvyčajne vyrábaného plynovou atomizáciou), drôtu, plechu alebo pevnej tyče. Zatiaľ čo počet dostupných zliatin je v porovnaní s tvárnenými zliatinami obmedzený, stále je k dispozícii veľa bežných a dobre známych vysokoteplotných a populárnych zliatin pre letectvo a kozmonautiku s upozornením, že úrovne zrelosti sa líšia.
Superzliatiny na báze niklu
Superzliatiny na báze niklu sú veľmi populárne na platformách AM-Additive Manufacturing a Inconel 625 a Inconel 718 sa používajú v mnohých aplikáciách. Superzliatiny na báze niklu a železa boli zvolené pre ich vynikajúce mechanické vlastnosti pri vysokých teplotách a tlakoch a často sa používajú v drsnom prostredí (odolnosť voči korózii a oxidácii).
Superzliatiny na báze železa, ako napríklad A-286, JBK-75 a NASA HR-1, sa bežne používajú vo vysokotlakových vodíkových aplikáciách, ako sú raketové motory, aby sa znížili riziká spojené s krehnutím vodíkového prostredia (HEE). Okrem toho majú tieto superzliatiny vysokú odolnosť proti tečeniu. Kombinácia týchto vlastností pomáha výrazne zvýšiť účinnosť moderných leteckých motorov.
Superzliatiny sú kľúčové kovy pri výrobe mnohých komponentov vysokotlakových motorov s plynovou turbínou, vrátane spaľovacej komory, turbíny, krytu, kotúčov a lopatiek.
Medzi ďalšie vysokoteplotné a nízkoteplotné aplikácie patria ventily pre kvapalné raketové motory, turbostroje, vstrekovače, zapaľovače a rozvody. V súčasnosti viac ako 50 percent pokročilých leteckých motorov podľa hmotnosti pozostáva zo superzliatin na báze niklu.
Zliatina titánu
Pomer pevnosti a hmotnosti je ďalšou kľúčovou metrikou, a preto sú zliatiny titánu užitočné. Zliatiny titánu sú vysoko integrované do leteckých aplikácií - ponúkajú vynikajúcu odolnosť proti korózii a použitie pri miernych teplotách - a sú predmetom intenzívneho záujmu v oblasti aditívnej výroby.
Konkrétne je Ti-6Al-4V bežnou zliatinou pre podvozky, rámy ložísk, rotačné stroje, kotúče a lopatky kompresorov, nádrže na kryogénne palivo a mnoho ďalších komponentov leteckého priemyslu. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) sa používa v lopatkách kompresorov a rotačných strojoch, zatiaľ čo aluminid titánu (-TiAl) sa aktívne používa v lopatkách turbín .
Hliníková zliatina
Hoci sú hliníkové zliatiny slabšie ako zliatiny titánu, majú dobrý pomer pevnosti k hmotnosti a sú bežnou (a dobre zavedenou) voľbou materiálu pre letecký priemysel. Podľa 3D Science Valley hliníkové zliatiny používané pri výrobe aditívne vyrábaných dielov zahŕňajú sériu 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx a 7xxx založenú na legujúcich prvkoch, z ktorých mnohé sa vyrábajú pomocou procesov výroby aditív v tuhom stave a možno ich použiť. v procese AFS-D a UAM na spracovanie.
Hliníkové zliatiny boli vyvinuté na zníženie procesného praskania pomocou procesu 3D tlače roztaveného kovu v práškovom lôžku – PBF a procesu tavenia 3D tlače s riadenou energiou – DED, vrátane AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy atď. Avšak hliníkové zliatiny majú aj množstvo nevýhod v dôsledku ich slabého výkonu pri vysokých teplotách, problémov s opravou zvarov a všeobecne nízkej odolnosti voči namáhaniu, korózneho praskania a iných problémov.
Nehrdzavejúca oceľ
V porovnaní s titánom alebo superzliatinami má nehrdzavejúca oceľ dobrý pomer pevnosti k hmotnosti, odolnosť voči vysokej teplote a nižšiu cenu, takže sa široko používa v komponentoch lietadiel a kozmických lodí. Nerezová oceľ vykazuje vysokú odolnosť proti korózii, odolnosť voči oxidácii a odolnosť voči opotrebovaniu v správnom prostredí.
Nerezová oceľ sa používa v motorových a výfukových systémoch, hydraulických komponentoch, výmenníkoch tepla, podvozkových systémoch a konštrukčných spojoch. Oceľ sa používa aj v leteckých komponentoch, ako sú pánty, upevňovacie prvky, pristávacie zariadenia a ďalšie komponenty lietadiel. S AM sa bežne používajú rôzne nehrdzavejúce a špeciálne ocele, vrátane austenitickej (tj 316L) a precipitačného kalenia (PH). Napriek týmto výhodám je však oceľ relatívne hustá, takže jej použitie je obmedzené na zníženie hmotnosti systému. Oceľ nie je populárna pre aditívnu výrobu, pretože niektoré zliatiny sú náchylné na praskanie a dá sa ľahko tvarovať tradičnými technikami a často sa používa v menej zložitých zostavách.
Táto zliatina bola pôvodne vyvinutá na zlepšenie mechanických vlastností (napr. odolnosť proti tečeniu, pevnosť v ťahu, mikroštrukturálna integrita) pri extrémnych teplotách. Zliatina je sľubná v kovových komponentoch pre plynové turbíny, raketové motory, jadrové reaktory a iné vysokoteplotné aplikácie. Tradičné procesy mechanického legovania na výrobu takýchto zliatin sú však extrémne neefektívne, časovo náročné a nákladné a 3D tlač otvára skratku na dosiahnutie takýchto zliatin.
Materiál ODS-MEA NASA je spracovaný technológiou 3D tlače selektívneho laserového tavenia kovu L-PBF. Zliatina môže byť vyrobená do zložitých geometrií a je odolná voči praskaniu v dôsledku napätia a dendritickej segregácii.
Ukázalo sa, že proces NASA vytvára komponenty s 10-krát vyššou životnosťou pri tečení pri 1100 stupňoch a o 30 percent pevnejšími ako súčasné 3D tlačené diely. Nové zliatiny ODS-MEA môžu nájsť uplatnenie tam, kde sa v súčasnosti používajú zliatiny ODS (napr. tie, ktoré zahŕňajú extrémne tepelné prostredie), vrátane výroby energie, pohonu (rakety, prúdové motory atď.), aplikácií jadrovej energie a ťažby a cementu. výrobné odvetvia výrobné zariadenia, komponenty plynových turbín (zvýšenie teploty nasávaného vzduchu zvyšuje účinnosť) a ďalšie.
Superzliatiny na báze kobaltu, zliatiny medi
Pre vysokoteplotné aplikácie, kde nie je potrebná vysoká tepelná vodivosť, možno použiť zliatiny na báze kobaltu (vrátane CoCr a stellitu). Ak je však prioritou tepelná vodivosť, do popredia sa dostávajú zliatiny medi. Ich vysoká tepelná vodivosť je prirodzene vhodná pre výmenníky tepla. Pri raketových aplikáciách sa najvyšší tepelný tok vyskytuje v zostave náporovej komory, takže táto oblasť je oblasťou, ktorá je vystavená vysokému tlaku. Zliatiny medi používané v týchto prostrediach zase vyžadujú vysokú pevnosť a vysokú tepelnú vodivosť (pri splnení požiadaviek na materiálovú kompatibilitu s vybraným hnacím plynom).
Medzi dobre zavedené bežné zliatiny medi AM-AM patria GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) a GlidCop.
iné
Aditívna výroba môže vytvárať vlastné bimetalické a multimetalické kovy. Materiály môžu byť diskrétne pridané do dizajnu na optimalizáciu tepelných alebo štrukturálnych vlastností. Produkty môžu byť vyrobené so štrukturálnymi plášťami, prírubami, výstupkami alebo inými prvkami na optimalizáciu hmotnosti celého subsystému. Môžu zahŕňať diskrétne kovové prechody alebo funkčne triedené materiály (FGM).
Ďalšie kovové zliatiny, ktoré možno použiť v kozmickom priemysle, zahŕňajú žiaruvzdorné kovy, ako je niób, tantal, molybdén, rénium a volfrám a ich zliatiny. C-103 na báze nióbu je bežný v aplikáciách, ako sú radiačné chladiace dýzy, systémy riadenia vesmírnej reakcie a nábežné hrany hypersonických krídel.
Iné zliatiny na báze nióbu (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) sa používajú v systémoch tepelnej ochrany lietadiel a konštrukciách jadra vesmírnych reaktorov.
Zliatiny na báze tantalu (Ta10W, Ta111, Ta122) sa zvyčajne používajú v korozívnych vysokotlakových a ultravysokoteplotných prostrediach.
Žiaruvzdorné materiály na báze molybdénu sa používajú v aplikáciách pri ultravysokých teplotách, ako sú tepelné rúrky z alkalických kovov a palivové články jadrového tepelného pohonu. Ťažké zliatiny sú oveľa menej vyvinuté na aditívnu výrobu, ale majú potenciálne využitie v samozápalných spaľovacích komorách a jednokryštálových turbínových lopatkách.