Συχνά χρησιμοποιούμενα μεταλλικά υλικά τρισδιάστατης εκτύπωσης και χαρακτηριστικά στον αεροδιαστημικό τομέα

Sep 28, 2022

Χρησιμοποιώντας παραδοσιακές τεχνικές κατασκευής, μπορούν να κατεργαστούν χιλιάδες κράματα. Για την τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων, ο αριθμός των διαθέσιμων υλικών είναι εξαιρετικά περιορισμένος και δεν διαθέτει εμπειρία επεξεργασίας και χρήσης δεκαετιών όπως η παραδοσιακή επεξεργασία. Επιπλέον, τα εξαρτήματα της αεροδιαστημικής απαιτούν συχνά κρίσιμα χαρακτηριστικά που έχουν σχεδιαστεί για εξαιρετικά μικρά κατώφλια για χρήση σε σκληρά περιβάλλοντα (υψηλές πιέσεις, διαβρωτικά υγρά ή θερμοκρασίες τόσο χαμηλές από -252 βαθμούς έως υψηλές θερμοκρασίες άνω των 1000 μοιρών) και τέτοια εξαρτήματα χρειάζονται να λειτουργεί με ασφάλεια και αξιοπιστία για χιλιάδες ώρες σε κύκλους υψηλής συχνότητας. Ως αποτέλεσμα, επιβάλλονται αυστηρές απαιτήσεις για τα κράματα που επιλέγονται για εξαρτήματα τελικής χρήσης.


Τα μέταλλα που απαιτούνται για την κατασκευή πρόσθετων αεροδιαστημικής περιλαμβάνουν κράματα αλουμινίου, ανοξείδωτους χάλυβες, κράματα τιτανίου, υπερκράματα με βάση το νικέλιο και σίδηρο, τα κράματα χαλκού και τα πυρίμαχα κράματα. Οι μηχανικοί της NASA συνόψισαν 53 κράματα κατάλληλα για την κατασκευή πρόσθετων μετάλλων με βάση την τρέχουσα έρευνα και τις βιομηχανικές εφαρμογές, καλύπτοντας σχεδόν όλους τους τρέχοντες τύπους διεργασιών από την τήξη και τη διαμόρφωση στερεάς κατάστασης. Μερικά από αυτά τα κράματα προέρχονται από παραδοσιακά υλικά μηχανικής κατεργασίας και συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εξαρτημάτων αεροδιαστημικής. Τόσο τα νέα υλικά όσο και τα υπάρχοντα κράματα αναπτύσσονται και βελτιστοποιούνται συνεχώς. Υπάρχει ακόμη πολύς χώρος για επέκταση στους τύπους υλικών που συνοψίζονται. Πολλά κράματα έχουν φτάσει μόλις στο στάδιο ανάπτυξης και ενδέχεται να μην είναι πλήρως συμβατά με την αεροπορική βιομηχανία που χρησιμοποιεί συγκεκριμένες διαδικασίες παραγωγής πρόσθετων. Απαιτήσεις εφαρμογής αεροδιαστημικής.


Ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής του πρόσθετου που χρησιμοποιείται, η πρώτη ύλη μπορεί να ταξινομηθεί ως προ-κράμα σκόνης (συνήθως παράγεται με ψεκασμό αερίου), σύρμα, φύλλο ή στερεή ράβδος κ.λπ. Ενώ ο αριθμός των διαθέσιμων υλικών είναι περιορισμένος σε σύγκριση με τα σφυρήλατα κράματα. εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά κοινώς χρησιμοποιούμενα και γνωστά κράματα υψηλής θερμοκρασίας και δημοφιλή αεροδιαστημικά διαθέσιμα, με διαφορετικά επίπεδα ωριμότητας.


Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο και το σίδηρο χρησιμοποιούνται περισσότερο λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων τους σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις και χρησιμοποιούνται συχνά σε σκληρά περιβάλλοντα (αντοχή στη διάβρωση και την οξείδωση). Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο χρησιμοποιούνται ευρέως στην τρισδιάστατη εκτύπωση, με τα In625 και In718 να είναι τα πιο σημαντικά για πολλές εφαρμογές. Τα υπερκράματα με βάση τον σίδηρο όπως τα A-286, JBK-75 και NASA HR-1 χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές υδρογόνου υψηλής πίεσης (όπως οι κινητήρες πυραύλων) και μπορούν να μειώσουν τους κινδύνους που σχετίζονται με ευθραυστότητα περιβάλλοντος υδρογόνου. Επιπλέον, αυτά τα υπερκράματα έχουν υψηλή αντοχή σε ερπυσμό, ένας συνδυασμός ιδιοτήτων που συμβάλλουν στη σημαντική αύξηση της απόδοσης των σύγχρονων κινητήρων αεροσκαφών. Τα υπερκράματα είναι βασικά υλικά για την κατασκευή πολλών εξαρτημάτων, όπως οι καυστήρες αεριοστροβίλων υψηλής πίεσης, οι τουρμπίνες, τα περιβλήματα, οι δίσκοι και τα πτερύγια. Άλλες εφαρμογές υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών περιλαμβάνουν βαλβίδες, στρόβιλους, εγχυτήρες, αναφλεκτήρες και πολλαπλούς για κινητήρες υγρών πυραύλων. Επί του παρόντος, περισσότερο από το 50 τοις εκατό της μάζας των προηγμένων κινητήρων αεροσκαφών αποτελείται από υπερκράματα με βάση το νικέλιο.


Η αναλογία αντοχής προς βάρος είναι ένας άλλος βασικός δείκτης και τα κράματα τιτανίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στον αεροδιαστημικό τομέα λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών αντοχής στη διάβρωση και τη θερμοκρασία, καθώς και την εξαιρετική ειδική αντοχή τους και έχουν προσελκύσει την προσοχή στον τομέα της κατασκευής προσθέτων . Συγκεκριμένα, το Ti6Al4V είναι ένα κοινό κράμα για εξοπλισμό προσγείωσης, πλαίσια ρουλεμάν, περιστρεφόμενα μέρη, δίσκους και λεπίδες συμπιεστή, κρυογονικές δεξαμενές προωθητικού και πολλά άλλα εξαρτήματα αεροδιαστημικής. Το Ti6242 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πτερύγια συμπιεστή και περιστρεφόμενα εξαρτήματα μηχανημάτων και τα κράματα TiAl μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τέτοια πτερύγια στροβίλου.


Αν και χαμηλότερης αντοχής από τα κράματα τιτανίου, τα κράματα αλουμινίου έχουν καλή αναλογία αντοχής προς βάρος και είναι ένα κοινό και ώριμο αεροδιαστημικό υλικό. Τα κράματα αλουμινίου για την παραγωγή εξαρτημάτων που κατασκευάζονται με πρόσθετο περιλαμβάνουν τις σειρές 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx και 7xxx που βασίζονται σε στοιχεία κράματος, πολλά από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας διαδικασίες κατασκευής πρόσθετων στερεάς κατάστασης, όπως συγκόλληση με τριβή ανάδευσης και συγκόλληση με υπερήχους. Τα κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούν επί του παρόντος διαδικασίες κλίνης σκόνης και εναπόθεσης ενέργειας για τη μείωση της ρωγμής και οι εκτυπώσιμοι τύποι περιλαμβάνουν AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy, κ.λπ. Ωστόσο, τα κράματα αλουμινίου έχουν επίσης πολλά μειονεκτήματα, όπως η κακή υψηλή -Η απόδοση θερμοκρασίας, τα προβλήματα επισκευής συγκόλλησης και η κακή αντοχή στη διάβρωση των κραμάτων αλουμινίου υψηλής αντοχής είναι επίσης κοινά.


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 στην κατασκευή εξαρτημάτων αεροσκαφών και διαστημικών σκαφών. Ο ανοξείδωτος χάλυβας παρουσιάζει υψηλή αντοχή στη διάβρωση, την οξείδωση και τη φθορά στο σωστό περιβάλλον και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή συστημάτων κινητήρα και εξάτμισης, υδραυλικών εξαρτημάτων, εναλλάκτη θερμότητας, συστημάτων προσγείωσης και δομικών αρμών. Στον αεροδιαστημικό τομέα, κατασκευάζονται μεντεσέδες, συνδετήρες, εξοπλισμός προσγείωσης και άλλα εξαρτήματα στα αεροσκάφη. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, τον ωστενιτικό χάλυβα 316L και τον χάλυβα σκλήρυνσης με καθίζηση 17-4PH. Παρά τα πολλά πλεονεκτήματά του, ο χάλυβας είναι σχετικά πυκνός και σχηματίζεται εύκολα μέσω συμβατικών τεχνικών, και η χρήση της κατασκευής πρόσθετων μετάλλων για την κατασκευή εξαρτημάτων από ανοξείδωτο χάλυβα έχει περιορισμένες εφαρμογές στην αεροδιαστημική.


Η κατασκευή προσθέτων δεν χρειάζεται να περιορίζεται σε ένα μόνο μέταλλο, μπορεί να δημιουργήσει προσαρμοσμένες διμεταλλικές και πολυμεταλλικές δομές. Το υλικό μπορεί να προστεθεί διακριτά στο σχέδιο για τη βελτιστοποίηση των θερμικών ή δομικών ιδιοτήτων, όπως η μορφή δομικών μανδύων, φλάντζες, προεξοχές ή άλλα χαρακτηριστικά για τη βελτιστοποίηση του βάρους ολόκληρου του υποσυστήματος. Επιπλέον, μπορούν επίσης να κατασκευαστούν υλικά μετάπτωσης μετάλλου ή λειτουργικά διαβαθμισμένα.


Αποστολή ερώτησής