AM-Additive Manufacturing cung cấp sản xuất hàng không vũ trụ khối lượng lớn các thành phần phức tạp cao, nếu không thì không thể thực hiện được với các kỹ thuật sản xuất truyền thống. Trong khi có nhiều ví dụ về các công ty hàng không vũ trụ lớn và nhiều công ty khởi nghiệp, in 3D nhiệt hợp kim loại bằng laser chọn lọc L-PBF hiện là quy trình chiếm ưu thế nhất, tiếp theo là DED (bao gồm LW-DED và LP-DED).
Hợp kim AM chung cho các ứng dụng hàng không vũ trụ
Sự lựa chọn kim loại cho nhu cầu sản xuất phụ gia hàng không vũ trụ đã mở rộng bao gồm hợp kim nhôm, thép không gỉ, hợp kim titan, siêu hợp kim niken và sắt, hợp kim đồng và hợp kim chịu lửa.
Nguồn gốc của một số hợp kim này có thể bắt nguồn từ các phương pháp gia công truyền thống và tiếp tục được sử dụng trong các thành phần hàng không vũ trụ. Các hợp kim mới và hiện có liên tục được phát triển, vì vậy danh sách các hợp kim hiện tại không phải là đầy đủ.
Ngoài ra, nhiều hợp kim hiện tại chỉ mới đạt đến giai đoạn phát triển và có thể không đủ tiêu chuẩn cho các ứng dụng hàng không vũ trụ bằng cách sử dụng các quy trình sản xuất phụ gia cụ thể, trong đó L-PBF, LP-DED và AW-DED là những lĩnh vực được nghiên cứu nhiều nhất.
Tùy thuộc vào quy trình sản xuất phụ gia được sử dụng, nguyên liệu đầu vào thay đổi từ bột hợp kim trước (thường được sản xuất bằng nguyên tử hóa khí), dây, tấm hoặc thanh rắn. Mặc dù số lượng hợp kim có sẵn bị hạn chế so với hợp kim rèn, nhưng vẫn có rất nhiều hợp kim hàng không vũ trụ nhiệt độ cao và phổ biến và được nhiều người biết đến, với lưu ý là mức độ trưởng thành khác nhau.
Superalloys dựa trên niken
Các siêu hợp kim dựa trên niken phổ biến rộng rãi trên các nền tảng Sản xuất Phụ gia AM, và Inconel 625 và Inconel 718 được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Các siêu hợp kim dựa trên niken và sắt được chọn vì các đặc tính cơ học tuyệt vời của chúng ở nhiệt độ và áp suất cao, và thường được sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt (chống ăn mòn và ôxy hóa).
Các siêu hợp kim làm từ sắt như A -286, JBK -75 và NASA HR -1 thường được sử dụng trong các ứng dụng hydro áp suất cao như động cơ tên lửa để giảm rủi ro liên quan đến sự suy thoái môi trường hydro (HEE). Ngoài ra, những siêu hợp kim này có khả năng kháng creep cao. Sự kết hợp của các đặc tính này giúp tăng đáng kể hiệu suất của động cơ máy bay hiện đại.
Superalloys là kim loại quan trọng trong sản xuất nhiều thành phần trong động cơ tuabin khí áp suất cao, bao gồm thiết bị đốt, tuabin, vỏ, đĩa và cánh quạt.
Các ứng dụng nhiệt độ cao và thấp khác bao gồm van cho động cơ tên lửa lỏng, máy động cơ tuabin, kim phun, bộ đốt và ống góp. Hiện nay, hơn 50 phần trăm động cơ máy bay tiên tiến theo trọng lượng được cấu tạo từ các siêu hợp kim niken.
Hợp kim titan
Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng là một số liệu quan trọng khác, đó là lý do tại sao hợp kim titan trở nên hữu dụng. Hợp kim titan được tích hợp nhiều vào các ứng dụng hàng không vũ trụ - mang lại khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và sử dụng ở nhiệt độ vừa phải - và là một chủ đề được quan tâm nhiều trong sản xuất phụ gia.
Cụ thể, Ti -6 Al -4 V là hợp kim phổ biến cho thiết bị hạ cánh, khung chịu lực, máy quay, đĩa và cánh máy nén, thùng chứa chất đẩy đông lạnh và nhiều thành phần hàng không vũ trụ khác. Ti -6 Al -2 Sn -4 Zr -2 Mo (Ti6242) được sử dụng trong các cánh máy nén và máy móc quay, trong khi aluminide titan (-TiAl) được sử dụng tích cực trong các cánh tuabin .
Hợp kim nhôm
Mặc dù yếu hơn hợp kim titan, hợp kim nhôm có tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tốt và là sự lựa chọn vật liệu hàng không vũ trụ phổ biến (và đã được khẳng định). Theo 3D Science Valley, các hợp kim nhôm được sử dụng trong sản xuất các bộ phận được sản xuất bổ sung bao gồm loạt 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx và 7xxx dựa trên các nguyên tố hợp kim, nhiều hợp kim trong số đó được sản xuất bằng quy trình sản xuất phụ gia trạng thái rắn và có thể được sử dụng trong quy trình AFS-D và UAM để xử lý.
Hợp kim nhôm đã được phát triển để giảm quá trình nứt vỡ bằng quy trình in 3D kim loại nóng chảy ở tầng bột-PBF và quy trình nấu chảy kim loại 3D lắng đọng năng lượng định hướng-quá trình nấu chảy DED, bao gồm AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061- RAM2, Scalmalloy, v.v. Tuy nhiên, hợp kim nhôm Cũng có một số hạn chế do tính năng ở nhiệt độ cao kém, các vấn đề sửa chữa mối hàn và nói chung là khả năng chịu ứng suất kém, nứt ăn mòn và các thách thức khác.
Thép không gỉ
So với titan hoặc siêu hợp kim, thép không gỉ có tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng tốt, khả năng chịu nhiệt độ cao và giá thành thấp hơn, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận của máy bay và tàu vũ trụ. Thép không gỉ thể hiện khả năng chống ăn mòn cao, chống oxy hóa và chống mài mòn trong môi trường thích hợp.
Thép không gỉ được sử dụng trong động cơ và hệ thống xả, các bộ phận thủy lực, bộ trao đổi nhiệt, hệ thống bánh đáp và các khớp kết cấu. Thép cũng được sử dụng trong các thành phần hàng không vũ trụ như bản lề, dây buộc, thiết bị hạ cánh và các thành phần khác trên máy bay. Nhiều loại thép không gỉ và thép đặc biệt thường được sử dụng với AM, bao gồm Austenit (tức là 316L) và làm cứng kết tủa (PH). Tuy nhiên, bất chấp những ưu điểm này, thép tương đối đặc nên việc sử dụng nó bị hạn chế trong việc giảm khối lượng hệ thống. Thép không phổ biến để sản xuất phụ gia vì một số hợp kim dễ bị nứt, và nó có thể dễ dàng hình thành bằng các kỹ thuật truyền thống và thường được sử dụng trong các tổ hợp ít phức tạp hơn.
Hợp kim này ban đầu được phát triển để cải thiện các tính chất cơ học (ví dụ, khả năng chống rão, độ bền kéo, tính toàn vẹn của cấu trúc vi mô) ở nhiệt độ khắc nghiệt. Hợp kim cho thấy nhiều hứa hẹn trong các thành phần kim loại cho tuabin khí, động cơ tên lửa, lò phản ứng hạt nhân và các ứng dụng nhiệt độ cao khác. Tuy nhiên, các quy trình tạo hợp kim cơ học truyền thống để sản xuất các hợp kim như vậy là cực kỳ kém hiệu quả, tốn thời gian và chi phí, và in 3D mở ra một con đường tắt để đạt được các hợp kim như vậy.
Vật liệu ODS-MEA của NASA được xử lý bằng công nghệ in 3D kim loại L-PBF nung chảy laser chọn lọc. Hợp kim có thể được chế tạo thành các dạng hình học phức tạp và có khả năng chống lại sự nứt vỡ do ứng suất và sự phân tách đuôi gai.
Quy trình của NASA đã được chứng minh là tạo ra các bộ phận có tuổi thọ đứt gãy được cải thiện gấp 10 lần ở 1100 độ và mạnh hơn 30% so với các bộ phận in 3D hiện tại. Các hợp kim ODS-MEA mới có thể tìm thấy các ứng dụng mà các hợp kim ODS hiện đang được sử dụng (ví dụ, những ứng dụng liên quan đến môi trường nhiệt khắc nghiệt), bao gồm để phát điện, động cơ đẩy (tên lửa, động cơ phản lực, v.v.), ứng dụng năng lượng hạt nhân, khai thác mỏ và xi măng các ngành công nghiệp sản xuất chế tạo thiết bị, linh kiện tuabin khí (tăng nhiệt độ khí nạp làm tăng hiệu suất) và hơn thế nữa.
Siêu hợp kim dựa trên coban, hợp kim đồng
Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao không yêu cầu độ dẫn nhiệt cao, có thể sử dụng các hợp kim gốc coban (bao gồm CoCr và Stellite). Tuy nhiên, khi tính dẫn nhiệt được ưu tiên, hợp kim đồng được ưu tiên hơn cả. Độ dẫn nhiệt cao của chúng đương nhiên thích hợp cho các thiết bị trao đổi nhiệt. Đối với các ứng dụng tên lửa, thông lượng nhiệt cao nhất xảy ra trong cụm buồng đẩy, vì vậy khu vực này là nơi chịu áp suất cao. Đổi lại, hợp kim đồng được sử dụng trong các môi trường này đòi hỏi độ bền cao và độ dẫn nhiệt cao (đồng thời đáp ứng các yêu cầu về tính tương thích của vật liệu với chất đẩy được lựa chọn).
Các hợp kim đồng AM-AM phổ biến được thiết lập tốt bao gồm GRCop -42, GRCop -84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) và GlidCop.
khác
Sản xuất phụ gia có thể tạo ra các kim loại lưỡng kim và đa kim tùy chỉnh. Vật liệu có thể được thêm vào thiết kế để tối ưu hóa các đặc tính nhiệt hoặc cấu trúc. Sản phẩm có thể được chế tạo với áo kết cấu, mặt bích, trùm hoặc các tính năng khác để tối ưu hóa trọng lượng của toàn bộ hệ thống phụ. Chúng có thể bao gồm chuyển tiếp kim loại rời rạc hoặc vật liệu được phân loại theo chức năng (FGM).
Các hợp kim kim loại khác có thể được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ bao gồm các kim loại chịu lửa như niobi, tantali, molypden, hemixenlulo và vonfram và các hợp kim của chúng. C -103 dựa trên Niobi thường phổ biến trong các ứng dụng như vòi phun làm mát bức xạ, hệ thống điều khiển phản ứng trong không gian và các cạnh hàng đầu của cánh siêu âm.
Các hợp kim khác dựa trên niobi (WC3009, C129Y, Cb752, FS -85) được sử dụng trong hệ thống bảo vệ nhiệt máy bay và cấu trúc lõi lò phản ứng vũ trụ.
Hợp kim dựa trên tantali (Ta10W, Ta111, Ta122) thường được sử dụng trong môi trường có áp suất cao và nhiệt độ cực cao ăn mòn.
Vật liệu chịu lửa gốc molypden được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cực cao như ống dẫn nhiệt kim loại kiềm và các phần tử nhiên liệu đẩy nhiệt hạt nhân. Các hợp kim nặng ít được phát triển hơn nhiều để sản xuất phụ gia nhưng có tiềm năng sử dụng trong lò đốt tự cháy và cánh tuabin đơn tinh thể.