AM-Additive Manufacturing pakub suure keerukusega komponentide suures mahus kosmoselennunduses tootmist, mis pole traditsiooniliste tootmismeetoditega muidu võimalik. Kuigi näiteid suurtest kosmosetööstusettevõtetest ja paljudest idufirmadest on palju, on L-PBF selektiivne lasermetallisulandusega 3D-printimine praegu kõige domineerivam protsess, millele järgneb DED (sh LW-DED ja LP-DED).
Levinud AM-sulamid kosmoserakenduste jaoks
Lennunduses kasutatavate lisandite tootmiseks vajalike metallide valik on laienenud, hõlmates alumiiniumisulameid, roostevaba terast, titaanisulameid, nikli- ja rauapõhiseid supersulameid, vasesulamid ja tulekindlaid sulameid.
Mõnede nende sulamite juured on pärit traditsioonilistest töötlemismeetoditest ja neid kasutatakse jätkuvalt kosmosekomponentides. Uusi ja olemasolevaid sulameid arendatakse pidevalt välja, seega ei ole praegune sulamite loetelu ammendav.
Lisaks on paljud praegustest sulamid jõudnud alles arendusfaasi ja ei pruugi olla täielikult kvalifitseeritud lennunduses kasutatavate rakenduste jaoks, kasutades spetsiifilisi lisandite tootmisprotsesse, kus L-PBF, LP-DED ja AW-DED on enim uuritud valdkonnad.
Sõltuvalt kasutatavast lisandite valmistamise protsessist varieerub lähteaine: eellegeeritud pulber (tavaliselt toodetud gaasipihustamise teel), traat, leht või tahke varras. Kuigi saadaolevate sulamite arv on sepistatud sulamitega võrreldes piiratud, on endiselt saadaval palju levinumaid ja tuntud kõrge temperatuuriga ja populaarseid kosmosesulameid, kusjuures tuleb arvestada, et küpsusaste on erinev.
Niklipõhised supersulamid
Niklipõhised supersulamid on AM-Additive Manufacturing platvormidel laialdaselt populaarsed ning Inconel 625 ja Inconel 718 kasutatakse paljudes rakendustes. Nikli- ja rauapõhised supersulamid valiti nende suurepäraste mehaaniliste omaduste tõttu kõrgel temperatuuril ja rõhul ning neid kasutatakse sageli karmides keskkondades (korrosiooni- ja oksüdatsioonikindlus).
Rauapõhiseid supersulameid nagu A-286, JBK-75 ja NASA HR-1 kasutatakse tavaliselt kõrgsurve vesiniku rakendustes, näiteks rakettmootorites, et vähendada vesiniku keskkonnahaprusega seotud riske. (HEE). Lisaks on neil supersulamitel kõrge roomamiskindlus. Nende omaduste kombinatsioon aitab oluliselt tõsta kaasaegsete lennukimootorite efektiivsust.
Supersulamid on võtmemetallid paljude kõrgsurvegaasiturbiinide komponentide, sealhulgas põlemiskambri, turbiini, korpuse, kettade ja labade valmistamisel.
Teised kõrge ja madala temperatuuriga rakendused hõlmavad vedelate rakettmootorite, turbomasinate, pihustite, süütajate ja kollektorite ventiile. Praegu koosneb enam kui 50 protsenti täiustatud lennukimootoritest massi järgi niklipõhistest supersulamitest.
Titaani sulam
Tugevuse ja kaalu suhe on veel üks oluline näitaja, mistõttu on titaanisulamid kasulikud. Titaanisulamid on suurel määral integreeritud kosmoserakendustesse – pakkudes suurepärast korrosioonikindlust ja mõõdukat temperatuurikasutust – ning on olnud lisaainete tootmise vastu suure huvi objektiks.
Täpsemalt on Ti-6Al-4V tavaline sulam telikute, laagriraamide, pöörlevate masinate, kompressori ketaste ja labade, krüogeensete raketikütuse paakide ja paljude muude kosmoseosade jaoks. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) kasutatakse kompressori labades ja pöörlevates masinates, samas kui titaanalumiiniidi (-TiAl) kasutatakse aktiivselt turbiini labades .
Alumiiniumi sulam
Kuigi alumiiniumsulamid on nõrgemad kui titaanisulamid, on neil hea tugevuse ja kaalu suhe ning need on levinud (ja väljakujunenud) kosmosetööstuse materjalide valik. 3D Science Valley andmetel on lisandina valmistatud osade tootmisel kasutatavate alumiiniumisulamite hulgas legeerelementidel põhinevad seeriad 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx ja 7xxx, millest paljud on valmistatud tahkislisandiga tootmisprotsesside abil ja neid saab kasutada. AFS-D ja UAM protsessis töödelda.
Alumiiniumsulamid on välja töötatud selleks, et vähendada protsessis tekkivaid pragusid pulbrilise sulametalli 3D-printimise protsessi – PBF-i ja suunatud energiasadestamise metalli 3D-printimise – DED-sulatusprotsessiga, sealhulgas AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy jne. Kuid alumiiniumisulamid Neil on ka mitmeid puudusi, mis tulenevad nende halvast toimimisest kõrgel temperatuuril, keevisõmbluste parandamise probleemidest ja üldiselt halvast pingekindlusest, korrosioonipragudest ja muudest probleemidest.
Roostevaba teras
Võrreldes titaani või supersulamitega on roostevabal terasel hea tugevuse ja kaalu suhe, vastupidavus kõrgele temperatuurile ja madalam hind, mistõttu kasutatakse seda laialdaselt õhusõidukites ja kosmosesõidukite komponentides. Roostevaba teras on õiges keskkonnas kõrge korrosiooni-, oksüdatsiooni- ja kulumiskindlusega.
Roostevaba terast kasutatakse mootori- ja väljalaskesüsteemides, hüdraulikakomponentides, soojusvahetites, telikusüsteemides ja konstruktsiooniühendustes. Terast kasutatakse ka kosmoselennukite komponentides, nagu hinged, kinnitusdetailid, telikud ja muud õhusõidukite osad. AM-ga kasutatakse tavaliselt mitmesuguseid roostevaba ja eriteraseid, sealhulgas austeniitset (st 316L) ja sademekarastust (PH). Kuid vaatamata nendele eelistele on teras suhteliselt tihe, mistõttu selle kasutamine piirdub süsteemi massi vähendamisega. Teras ei ole lisandite valmistamisel populaarne, kuna mõned sulamid on altid pragunemisele ja seda saab kergesti moodustada traditsiooniliste tehnikate abil ja seda kasutatakse sageli vähem keerukates koostudes.
See sulam töötati algselt välja mehaaniliste omaduste (nt roomamiskindlus, tõmbetugevus, mikrostruktuuriline terviklikkus) parandamiseks äärmuslikel temperatuuridel. Sulam on paljulubav gaasiturbiinide, rakettmootorite, tuumareaktorite ja muude kõrge temperatuuriga rakenduste metallkomponentides. Traditsioonilised mehaanilised legeerimisprotsessid selliste sulamite tootmiseks on aga äärmiselt ebaefektiivsed, aeganõudvad ja kulukad ning 3D-printimine avab otsetee selliste sulamite saamiseks.
NASA ODS-MEA materjali töödeldakse selektiivse lasersulatamise L-PBF metalli 3D-printimise tehnoloogiaga. Sulamit saab valmistada keeruka geomeetriaga ja see on vastupidav pingepragudele ja dendriitide eraldamisele.
On näidatud, et NASA protsess loob komponente, millel on 1100 kraadi juures 10 korda parem libisemisrebenemise eluiga ja 30 protsenti tugevam kui praegustel 3D-prinditud osadel. Uued ODS-MEA sulamid võivad leida rakendusi, kus ODS-sulameid praegu kasutatakse (nt need, mis hõlmavad äärmuslikke termilisi keskkondi), sealhulgas energia tootmiseks, tõukejõuks (raketid, reaktiivmootorid jne), tuumaenergia rakendustes ning kaevandamisel ja tsemendis. tootmistööstused valmistavad seadmeid, gaasiturbiinide komponente (sisesitatava õhu temperatuuri tõus suurendab efektiivsust) ja palju muud.
Koobaltipõhised supersulamid, vasesulamid
Kõrge temperatuuriga rakendustes, kus kõrget soojusjuhtivust ei nõuta, võib kasutada koobaltipõhiseid sulameid (sealhulgas CoCr ja Stellite). Kui aga soojusjuhtivus on prioriteet, tõusevad esiplaanile vasesulamid. Nende kõrge soojusjuhtivus sobib loomulikult soojusvahetiteks. Raketirakenduste puhul toimub suurim soojusvoog tõukekambris, seega on see piirkond, mis kogeb kõrget rõhku. Nendes keskkondades kasutatavad vasesulamid nõuavad omakorda suurt tugevust ja kõrget soojusjuhtivust (täites samal ajal materjalide ühilduvuse nõuded valitud raketikütusega).
Väljakujunenud levinud AM-AM vasesulamid hõlmavad GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) ja GlidCop.
muud
Lisandite tootmine võib luua kohandatud bimetallilisi ja multimetallilisi metalle. Materjale saab disainile diskreetselt lisada, et optimeerida soojus- või konstruktsiooniomadusi. Tooteid saab valmistada konstruktsioonikatete, äärikute, ülaosade või muude funktsioonidega, et optimeerida kogu alamsüsteemi kaalu. Need võivad hõlmata diskreetseid metalli üleminekuid või funktsionaalselt sorteeritud materjale (FGM).
Teised metallisulamid, mida saab kasutada kosmosetööstuses, hõlmavad tulekindlaid metalle nagu nioobium, tantaal, molübdeen, reenium ja volfram ning nende sulamid. Nioobiumil põhinev C-103 on levinud sellistes rakendustes nagu kiirgusjahutusdüüsid, ruumireaktsiooni juhtimissüsteemid ja hüperhelikiirusega tiibade esiservad.
Teisi nioobiumipõhiseid sulameid (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) kasutatakse lennukite termokaitsesüsteemides ja kosmosereaktori südamikukonstruktsioonides.
Tantaalipõhiseid sulameid (Ta10W, Ta111, Ta122) kasutatakse tavaliselt söövitavates kõrgsurve- ja ülikõrge temperatuuriga keskkondades.
Molübdeenil põhinevaid tulekindlaid materjale kasutatakse ülikõrge temperatuuriga rakendustes, näiteks leelismetallisoojustorudes ja tuumasoojusjõukütuse elementides. Rasked sulamid on lisandite tootmiseks palju vähem välja töötatud, kuid neid saab kasutada isesüttivates põletites ja ühekristallilistes turbiinide labades.