Η AM-Additive Manufacturing προσφέρει αεροδιαστημική παραγωγή υψηλού όγκου εξαρτημάτων υψηλής πολυπλοκότητας, διαφορετικά δεν είναι δυνατή με τις παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής. Ενώ υπάρχουν πολλά παραδείγματα σε μεγάλες αεροδιαστημικές εταιρείες και πολλές νεοφυείς επιχειρήσεις, η εκλεκτική τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων με λέιζερ L-PBF είναι αυτή τη στιγμή η πιο κυρίαρχη διαδικασία, ακολουθούμενη από την DED (συμπεριλαμβανομένων των LW-DED και LP-DED).
Κοινά κράματα AM για εφαρμογές αεροδιαστημικής
Η επιλογή μετάλλων για τις ανάγκες κατασκευής προσθέτων αεροδιαστημικής έχει επεκταθεί και περιλαμβάνει κράματα αλουμινίου, ανοξείδωτους χάλυβες, κράματα τιτανίου, υπερκράματα με βάση το νικέλιο και σίδηρο, κράματα χαλκού και πυρίμαχα κράματα.
Οι ρίζες ορισμένων από αυτά τα κράματα μπορούν να εντοπιστούν στις παραδοσιακές μεθόδους μηχανικής κατεργασίας και συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται σε εξαρτήματα αεροδιαστημικής. Νέα και υπάρχοντα κράματα αναπτύσσονται συνεχώς, επομένως ο τρέχων κατάλογος των κραμάτων δεν είναι εξαντλητικός.
Επιπλέον, πολλά από τα τρέχοντα κράματα έχουν φτάσει μόνο στο στάδιο ανάπτυξης και ενδέχεται να μην είναι πλήρως κατάλληλα για αεροδιαστημικές εφαρμογές με χρήση ειδικών διαδικασιών παραγωγής προσθέτων, όπου τα L-PBF, LP-DED και AW-DED είναι οι πιο μελετημένες περιοχές.
Ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής πρόσθετων που χρησιμοποιείται, η πρώτη ύλη ποικίλλει από προ-κράμα σκόνης (συνήθως παράγεται με ψεκασμό αερίου), σύρμα, φύλλο ή στερεά ράβδο. Ενώ ο αριθμός των διαθέσιμων κραμάτων είναι περιορισμένος σε σύγκριση με τα σφυρήλατα κράματα, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά κοινά και γνωστά κράματα υψηλής θερμοκρασίας και δημοφιλή αεροδιαστημικά διαθέσιμα, με την προειδοποίηση ότι τα επίπεδα ωριμότητας ποικίλλουν.
Υπερκράματα με βάση το νικέλιο
Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο είναι ευρέως δημοφιλή στις πλατφόρμες AM-Additive Manufacturing και το Inconel 625 και το Inconel 718 χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές. Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο και τον σίδηρο επιλέχθηκαν για τις εξαιρετικές μηχανικές τους ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και χρησιμοποιούνται συχνά σε σκληρά περιβάλλοντα (αντοχή στη διάβρωση και την οξείδωση).
Τα υπερκράματα με βάση το σίδηρο όπως τα A-286, JBK-75 και NASA HR-1 χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές υδρογόνου υψηλής πίεσης, όπως κινητήρες πυραύλων για τη μείωση των κινδύνων που σχετίζονται με την ευθραυστότητα του περιβάλλοντος υδρογόνου (HEE). Επιπλέον, αυτά τα υπερκράματα έχουν υψηλή αντοχή σε ερπυσμό. Ο συνδυασμός αυτών των ιδιοτήτων συμβάλλει στη σημαντική αύξηση της απόδοσης των σύγχρονων κινητήρων αεροσκαφών.
Τα υπερκράματα είναι βασικά μέταλλα για την κατασκευή πολλών εξαρτημάτων σε κινητήρες αεριοστροβίλων υψηλής πίεσης, συμπεριλαμβανομένων του καυστήρα, του στροβίλου, του περιβλήματος, των δίσκων και των πτερυγίων.
Άλλες εφαρμογές υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών περιλαμβάνουν βαλβίδες για κινητήρες υγρών πυραύλων, στροβιλομηχανές, μπεκ ψεκασμού, αναφλεκτήρες και πολλαπλούς. Επί του παρόντος, πάνω από το 50 τοις εκατό των προηγμένων κινητήρων αεροσκαφών κατά βάρος αποτελούνται από υπερκράματα με βάση το νικέλιο.
Κράμα τιτανίου
Η αναλογία αντοχής προς βάρος είναι μια άλλη βασική μέτρηση, γι' αυτό τα κράματα τιτανίου είναι χρήσιμα. Τα κράματα τιτανίου ενσωματώνονται σε μεγάλο βαθμό στις αεροδιαστημικές εφαρμογές - προσφέροντας εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και μέτρια χρήση θερμοκρασίας - και έχουν αποτελέσει αντικείμενο έντονου ενδιαφέροντος στην κατασκευή προσθέτων.
Συγκεκριμένα, το Ti-6Al-4V είναι ένα κοινό κράμα για εξοπλισμό προσγείωσης, πλαίσια ρουλεμάν, περιστρεφόμενα μηχανήματα, δίσκους συμπιεστών και λεπίδες, κρυογονικές δεξαμενές προωθητικού και πολλά άλλα εξαρτήματα αεροδιαστημικής. Το Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) χρησιμοποιείται σε πτερύγια συμπιεστών και περιστρεφόμενα μηχανήματα, ενώ το αλουμίδιο τιτανίου (-TiAl) χρησιμοποιείται ενεργά στα πτερύγια στροβίλων .
Κράμμα αλουμινίου
Αν και είναι πιο αδύναμα από τα κράματα τιτανίου, τα κράματα αλουμινίου έχουν καλή αναλογία αντοχής προς βάρος και αποτελούν μια κοινή (και καθιερωμένη) επιλογή αεροδιαστημικού υλικού. Σύμφωνα με την 3D Science Valley, τα κράματα αλουμινίου που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή εξαρτημάτων που κατασκευάζονται πρόσθετα περιλαμβάνουν τις σειρές 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx και 7xxx που βασίζονται σε στοιχεία κράματος, πολλά από τα οποία κατασκευάζονται με διαδικασίες κατασκευής προσθέτων στερεάς κατάστασης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε AFS-D και UAM διαδικασία για επεξεργασία.
Τα κράματα αλουμινίου έχουν αναπτυχθεί για τη μείωση της ρωγμής της διεργασίας από τη διαδικασία 3D εκτύπωσης λιωμένου μετάλλου σε στρώμα σκόνης-PBF και κατευθυνόμενης εναπόθεσης ενέργειας μετάλλου τρισδιάστατη εκτύπωση-ΔΕΔ διαδικασία τήξης, συμπεριλαμβανομένων των AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy, κ.λπ. Ωστόσο, τα κράματα αλουμινίου Υπάρχουν επίσης ορισμένα μειονεκτήματα λόγω της κακής τους απόδοσης σε υψηλή θερμοκρασία, των προβλημάτων επισκευής συγκόλλησης και γενικά της χαμηλής αντοχής στην καταπόνηση, της διάβρωσης και άλλων προκλήσεων.
Ανοξείδωτο ατσάλι
Σε σύγκριση με το τιτάνιο ή τα υπερκράματα, ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει καλή αναλογία αντοχής προς βάρος, αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και χαμηλότερο κόστος, επομένως χρησιμοποιείται ευρέως σε εξαρτήματα αεροσκαφών και διαστημικών σκαφών. Ο ανοξείδωτος χάλυβας παρουσιάζει υψηλή αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στην οξείδωση και αντοχή στη φθορά στο κατάλληλο περιβάλλον.
Ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται σε συστήματα κινητήρα και καυσαερίων, υδραυλικά εξαρτήματα, εναλλάκτες θερμότητας, συστήματα προσγείωσης και δομικούς αρμούς. Ο χάλυβας χρησιμοποιείται επίσης σε εξαρτήματα της αεροδιαστημικής, όπως μεντεσέδες, συνδετήρες, εξοπλισμός προσγείωσης και άλλα εξαρτήματα σε αεροσκάφη. Μια ποικιλία από ανοξείδωτους και ειδικούς χάλυβες χρησιμοποιούνται συνήθως με το AM, συμπεριλαμβανομένου του ωστενιτικού (δηλαδή 316L) και της σκλήρυνσης με καθίζηση (PH). Ωστόσο, παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, ο χάλυβας είναι σχετικά πυκνός, επομένως η χρήση του περιορίζεται στη μείωση της μάζας του συστήματος. Ο χάλυβας δεν είναι δημοφιλής για την κατασκευή προσθέτων επειδή ορισμένα κράματα είναι επιρρεπή σε ρωγμές και μπορεί εύκολα να διαμορφωθεί με παραδοσιακές τεχνικές και χρησιμοποιείται συχνά σε λιγότερο περίπλοκα συγκροτήματα.
Αυτό το κράμα αναπτύχθηκε αρχικά για να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες (π.χ. αντίσταση ερπυσμού, αντοχή σε εφελκυσμό, μικροδομική ακεραιότητα) σε ακραίες θερμοκρασίες. Το κράμα δείχνει πολλά υποσχόμενα σε μεταλλικά εξαρτήματα για αεριοστρόβιλους, πυραυλοκινητήρες, πυρηνικούς αντιδραστήρες και άλλες εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Ωστόσο, οι παραδοσιακές μηχανικές διαδικασίες κραμάτων για την παραγωγή τέτοιων κραμάτων είναι εξαιρετικά αναποτελεσματικές, χρονοβόρες και δαπανηρές και η τρισδιάστατη εκτύπωση ανοίγει μια συντόμευση για την επίτευξη τέτοιων κραμάτων.
Το υλικό ODS-MEA της NASA επεξεργάζεται με τεχνολογία επιλεκτικής τήξης μετάλλου L-PBF 3D εκτύπωσης με λέιζερ. Το κράμα μπορεί να κατασκευαστεί σε πολύπλοκες γεωμετρίες και είναι ανθεκτικό σε ρωγμές καταπόνησης και δενδριτικό διαχωρισμό.
Η διαδικασία της NASA έχει αποδειχθεί ότι δημιουργεί εξαρτήματα με 10 φορές βελτιωμένη διάρκεια ρήξης ερπυσμού στις 1100 μοίρες και 30 τοις εκατό ισχυρότερα από τα τρέχοντα 3D εκτυπωμένα μέρη. Τα νέα κράματα ODS-MEA μπορούν να βρουν εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται επί του παρόντος κράματα ODS (π.χ. αυτά που αφορούν ακραία θερμικά περιβάλλοντα), συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, της πρόωσης (πύραυλοι, κινητήρες αεριωθουμένων κ.λπ.), των εφαρμογών πυρηνικής ενέργειας και της εξόρυξης και του τσιμέντου βιομηχανίες παραγωγής, εξοπλισμός κατασκευής, εξαρτήματα αεριοστροβίλων (η αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα εισαγωγής αυξάνει την απόδοση) και πολλά άλλα.
Υπερκράματα με βάση το κοβάλτιο, κράματα χαλκού
Για εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες όπου δεν απαιτείται υψηλή θερμική αγωγιμότητα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κράματα με βάση το κοβάλτιο (συμπεριλαμβανομένων των CoCr και Stellite). Ωστόσο, όταν η θερμική αγωγιμότητα είναι προτεραιότητα, τα κράματα χαλκού έρχονται στο προσκήνιο. Η υψηλή θερμική τους αγωγιμότητα είναι φυσικά κατάλληλη για εναλλάκτες θερμότητας. Για εφαρμογές πυραύλων, η υψηλότερη ροή θερμότητας εμφανίζεται μέσα στο συγκρότημα του θαλάμου ώσης, επομένως αυτή η περιοχή είναι αυτή που αντιμετωπίζει υψηλή πίεση. Με τη σειρά τους, τα κράματα χαλκού που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα περιβάλλοντα απαιτούν υψηλή αντοχή και υψηλή θερμική αγωγιμότητα (ενώ πληρούν τις απαιτήσεις συμβατότητας υλικού με το προωθητικό της επιλογής).
Τα καθιερωμένα κοινά κράματα χαλκού AM-AM περιλαμβάνουν τα GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) και GlidCop.
άλλα
Η κατασκευή προσθέτων μπορεί να δημιουργήσει προσαρμοσμένα διμεταλλικά και πολυμεταλλικά μέταλλα. Τα υλικά μπορούν να προστεθούν διακριτά στο σχεδιασμό για τη βελτιστοποίηση των θερμικών ή δομικών ιδιοτήτων. Τα προϊόντα μπορούν να κατασκευαστούν με δομικά τζάκετ, φλάντζες, μπότες ή άλλα χαρακτηριστικά για τη βελτιστοποίηση του βάρους ολόκληρου του υποσυστήματος. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν διακριτές μεταλλικές μεταβάσεις ή λειτουργικά διαβαθμισμένα υλικά (FGM).
Άλλα κράματα μετάλλων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές αεροδιαστημικής περιλαμβάνουν πυρίμαχα μέταλλα όπως το νιόβιο, το ταντάλιο, το μολυβδαίνιο, το ρήνιο και το βολφράμιο και τα κράματά τους. Το C-103 με βάση το νιόβιο είναι συνηθισμένο σε εφαρμογές όπως τα ακροφύσια ψύξης ακτινοβολίας, τα συστήματα ελέγχου διαστημικής αντίδρασης και τα μπροστινά άκρα υπερηχητικών πτερυγίων.
Άλλα κράματα με βάση το νιόβιο (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) χρησιμοποιούνται σε συστήματα θερμικής προστασίας αεροσκαφών και σε δομές πυρήνα διαστημικών αντιδραστήρων.
Τα κράματα με βάση το ταντάλιο (Ta10W, Ta111, Ta122) χρησιμοποιούνται συνήθως σε διαβρωτικά περιβάλλοντα υψηλής πίεσης και εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας.
Τα πυρίμαχα με βάση το μολυβδαίνιο χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών, όπως σωλήνες θερμότητας από αλκαλικά μέταλλα και στοιχεία καυσίμου πυρηνικής θερμικής πρόωσης. Τα κράματα βαριάς βάσης είναι πολύ λιγότερο αναπτυγμένα για την κατασκευή προσθέτων, αλλά έχουν πιθανές χρήσεις σε αυτοαναφλεγόμενους καυστήρες και πτερύγια στροβίλου μονοκρυστάλλου.