AM-Additive Manufacturing ponuja velikoserijsko vesoljsko proizvodnjo visokokompleksnih komponent, ki sicer ni mogoča s tradicionalnimi proizvodnimi tehnikami. Čeprav obstaja veliko primerov v večjih vesoljskih podjetjih in številnih novoustanovljenih podjetjih, je L-PBF selektivno lasersko fuzijsko 3D tiskanje trenutno najbolj prevladujoč proces, sledi mu DED (vključno z LW-DED in LP-DED).
Običajne AM zlitine za aplikacije v vesolju
Izbira kovin za potrebe proizvodnje dodatkov v vesolju se je razširila na aluminijeve zlitine, nerjavna jekla, titanove zlitine, superzlitine na osnovi niklja in železa, bakrove zlitine in ognjevarne zlitine.
Korenine nekaterih od teh zlitin lahko izsledimo nazaj do tradicionalnih metod obdelave in se še naprej uporabljajo v letalskih komponentah. Nove in obstoječe zlitine se nenehno razvijajo, zato trenutni seznam zlitin ni izčrpen.
Poleg tega so številne sedanje zlitine dosegle šele razvojno stopnjo in morda niso popolnoma primerne za uporabo v vesolju z uporabo posebnih aditivnih proizvodnih procesov, kjer so področja L-PBF, LP-DED in AW-DED najbolj raziskana.
Odvisno od uporabljenega postopka izdelave dodatkov se surovina razlikuje od predhodno legiranega prahu (običajno proizvedenega z atomizacijo plina), žice, pločevine ali trdne palice. Medtem ko je število razpoložljivih zlitin omejeno v primerjavi z kovanimi zlitinami, je še vedno na voljo veliko običajnih in dobro znanih zlitin za visoke temperature in priljubljenih letalskih zlitin, z opozorilom, da se stopnje zrelosti razlikujejo.
Superzlitine na osnovi niklja
Superzlitine na osnovi niklja so zelo priljubljene na platformah AM-Additive Manufacturing, Inconel 625 in Inconel 718 pa se uporabljata v številnih aplikacijah. Superzlitine na osnovi niklja in železa so bile izbrane zaradi svojih odličnih mehanskih lastnosti pri visokih temperaturah in tlakih ter se pogosto uporabljajo v težkih okoljih (odpornost proti koroziji in oksidaciji).
Superzlitine na osnovi železa, kot so A-286, JBK-75 in NASA HR-1, se pogosto uporabljajo v visokotlačnih vodikovih aplikacijah, kot so raketni motorji, za zmanjšanje tveganj, povezanih z vodikovo krhkostjo okolja (HEE). Poleg tega imajo te superzlitine visoko odpornost proti lezenju. Kombinacija teh lastnosti pomaga znatno povečati učinkovitost sodobnih letalskih motorjev.
Superzlitine so ključne kovine pri izdelavi številnih komponent v visokotlačnih plinskoturbinskih motorjih, vključno z zgorevalnim komorjem, turbino, ohišjem, diski in lopaticami.
Druge aplikacije pri visokih in nizkih temperaturah vključujejo ventile za raketne motorje na tekoče-kapljevito gorivo, turbostroje, injektorje, vžigalnike in razdelilnike. Trenutno je več kot 50 odstotkov naprednih letalskih motorjev glede na težo sestavljenih iz superzlitin na osnovi niklja.
Titanova zlitina
Razmerje med trdnostjo in težo je še ena ključna metrika, zato so titanove zlitine še kako uporabne. Titanove zlitine so zelo integrirane v vesoljske aplikacije – ponujajo odlično odpornost proti koroziji in zmerno uporabo pri temperaturah – in so bile predmet intenzivnega zanimanja v aditivni proizvodnji.
Natančneje, Ti-6Al-4V je pogosta zlitina za podvozje, okvirje ležajev, vrteče se stroje, diske in lopatice kompresorjev, rezervoarje za kriogeni pogonski plin in številne druge letalske komponente. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) se uporablja v lopaticah kompresorjev in rotacijskih strojih, medtem ko se titanov aluminid (-TiAl) aktivno uporablja v lopaticah turbin .
Aluminijeve zlitine
Čeprav so šibkejše od titanovih zlitin, imajo aluminijeve zlitine dobro razmerje med trdnostjo in težo ter so običajna (in dobro uveljavljena) izbira materiala za vesoljsko uporabo. Po navedbah 3D Science Valley aluminijeve zlitine, ki se uporabljajo v proizvodnji aditivno izdelanih delov, vključujejo serije 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx in 7xxx, ki temeljijo na legirnih elementih, od katerih jih je veliko izdelanih s postopki aditivnega izdelave v trdnem stanju in jih je mogoče uporabiti v AFS-D in UAM od procesa do procesa.
Aluminijeve zlitine so bile razvite za zmanjšanje procesnih razpok s postopkom 3D-tiskanja staljene kovine v prahu - PBF in postopkom taljenja 3D-tiskanja DED z usmerjenim nanašanjem energije, vključno z AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy itd. Vendar pa imajo aluminijeve zlitine There are tudi številne pomanjkljivosti zaradi njihovega slabega delovanja pri visokih temperaturah, težav s popravilom zvarov in na splošno slabe odpornosti proti obremenitvam, korozijskega razpokanja in drugih izzivov.
Nerjaveče jeklo
V primerjavi s titanom ali superzlitinami ima nerjavno jeklo dobro razmerje med trdnostjo in težo, odpornost na visoke temperature in nižje stroške, zato se pogosto uporablja v komponentah letal in vesoljskih plovil. Nerjaveče jeklo ima visoko odpornost proti koroziji, odpornost proti oksidaciji in odpornost proti obrabi v pravem okolju.
Nerjavno jeklo se uporablja v motorjih in izpušnih sistemih, hidravličnih komponentah, toplotnih izmenjevalnikih, sistemih podvozja in konstrukcijskih spojih. Jeklo se uporablja tudi v vesoljskih komponentah, kot so tečaji, pritrdilni elementi, podvozje in druge komponente na letalih. Za AM se običajno uporabljajo različna nerjavna in posebna jekla, vključno z avstenitnim (tj. 316L) in izločevalnim utrjevanjem (PH). Kljub tem prednostim pa je jeklo relativno gosto, zato je njegova uporaba omejena na zmanjšanje mase sistema. Jeklo ni priljubljeno za aditivno proizvodnjo, ker so nekatere zlitine nagnjene k pokanju in ga je mogoče zlahka oblikovati s tradicionalnimi tehnikami in se pogosto uporablja v manj zapletenih sklopih.
Ta zlitina je bila prvotno razvita za izboljšanje mehanskih lastnosti (npr. odpornost proti lezenju, natezna trdnost, mikrostrukturna celovitost) pri ekstremnih temperaturah. Zlitina obeta v kovinskih komponentah za plinske turbine, raketne motorje, jedrske reaktorje in druge visokotemperaturne aplikacije. Vendar pa so tradicionalni mehanski postopki legiranja za proizvodnjo takšnih zlitin izjemno neučinkoviti, dolgotrajni in dragi, 3D-tiskanje pa odpira bližnjico za doseganje takšnih zlitin.
NASA-jev material ODS-MEA se obdeluje s tehnologijo 3D tiskanja L-PBF kovine selektivnega laserskega taljenja. Zlitino je mogoče izdelati v zapletene geometrije in je odporna na napetostne razpoke in dendritično segregacijo.
Izkazalo se je, da Nasin postopek ustvarja komponente z 10-krat izboljšano življenjsko dobo proti lezenju pri 1100 stopinjah in 30 odstotkov močnejše od trenutnih 3D-natisnjenih delov. Nove zlitine ODS-MEA lahko najdejo aplikacije tam, kjer se trenutno uporabljajo zlitine ODS (npr. tiste, ki vključujejo ekstremna toplotna okolja), vključno za proizvodnjo električne energije, pogon (rakete, reaktivni motorji itd.), aplikacije za jedrsko energijo ter rudarstvo in cement proizvodne industrije, proizvodna oprema, komponente plinskih turbin (povečanje temperature vsesanega zraka poveča učinkovitost) in drugo.
Superzlitine na osnovi kobalta, bakrove zlitine
Za visokotemperaturne aplikacije, kjer ni potrebna visoka toplotna prevodnost, se lahko uporabljajo zlitine na osnovi kobalta (vključno s CoCr in stelitom). Ko pa je toplotna prevodnost prioriteta, pridejo v ospredje bakrove zlitine. Njihova visoka toplotna prevodnost je naravno primerna za toplotne izmenjevalnike. Pri raketnih aplikacijah se največji toplotni tok pojavi znotraj sklopa potisne komore, zato je to območje tisto, ki doživlja visok pritisk. Bakrove zlitine, ki se uporabljajo v teh okoljih, pa zahtevajo visoko trdnost in visoko toplotno prevodnost (hkrati pa izpolnjujejo zahteve glede združljivosti materiala z izbranim pogonskim gorivom).
Dobro uveljavljene običajne bakrove zlitine AM-AM vključujejo GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) in GlidCop.
drugo
Aditivna proizvodnja lahko ustvari bimetalne in multimetalne kovine po meri. Zasnovi je mogoče diskretno dodati materiale za optimizacijo toplotnih ali strukturnih lastnosti. Izdelke je mogoče izdelati s strukturnimi plašči, prirobnicami, izboklinami ali drugimi funkcijami za optimizacijo teže celotnega podsistema. Ti lahko vključujejo diskretne kovinske prehode ali funkcionalno razvrščene materiale (FGM).
Druge kovinske zlitine, ki se lahko uporabljajo v vesoljskih aplikacijah, vključujejo ognjevarne kovine, kot so niobij, tantal, molibden, renij in volfram ter njihove zlitine. C-103 na osnovi niobija je običajen v aplikacijah, kot so sevalne hladilne šobe, sistemi za nadzor vesoljskih reakcij in sprednji robovi hiperzvočnih kril.
Druge zlitine na osnovi niobija (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) se uporabljajo v sistemih toplotne zaščite letal in strukturah jedra vesoljskih reaktorjev.
Zlitine na osnovi tantala (Ta10W, Ta111, Ta122) se običajno uporabljajo v korozivnih visokotlačnih in ultravisokih temperaturnih okoljih.
Ognjevzdržni materiali na osnovi molibdena se uporabljajo v aplikacijah pri ultra visokih temperaturah, kot so toplotne cevi iz alkalijskih kovin in gorivni elementi za jedrski toplotni pogon. Zlitine na težki osnovi so veliko manj razvite za aditivno proizvodnjo, vendar se lahko uporabljajo v samovžignih zgorevalnih komorah in enokristalnih turbinskih lopaticah.