AM-Additive Manufacturing ofereix una producció aeroespacial de gran volum de components d'alta complexitat que d'altra manera no seria possible amb les tècniques de fabricació tradicionals. Tot i que hi ha molts exemples a les principals empreses aeroespacials i moltes empreses emergents, la impressió 3D de fusió làser selectiva de metalls L-PBF és actualment el procés més dominant, seguit del DED (incloent-hi LW-DED i LP-DED).
Aliatges AM comuns per a aplicacions aeroespacials
L'elecció de metalls per a les necessitats de fabricació additiva aeroespacial s'ha ampliat per incloure aliatges d'alumini, acers inoxidables, aliatges de titani, superaliatges a base de níquel i ferro, aliatges de coure i aliatges refractaris.
Les arrels d'alguns d'aquests aliatges es remunten als mètodes tradicionals de mecanitzat i es continuen utilitzant en components aeroespacials. Els aliatges nous i existents es desenvolupen constantment, per la qual cosa la llista actual d'aliatges no és exhaustiva.
A més, molts dels aliatges actuals només han arribat a l'etapa de desenvolupament i poden no estar totalment qualificats per a aplicacions aeroespacials mitjançant processos específics de fabricació additiva, on L-PBF, LP-DED i AW-DED són les àrees més estudiades.
Depenent del procés de fabricació additiva utilitzat, la matèria primera varia des de pols prealiat (generalment produïda per atomització de gas), filferro, làmina o vareta sòlida. Tot i que el nombre d'aliatges disponibles és limitat en comparació amb els aliatges forjats, encara hi ha molts aliatges aeroespacials i d'alta temperatura comuns i coneguts disponibles, amb l'advertència que els nivells de maduresa varien.
Superaliatges a base de níquel
Els superaliatges basats en níquel són molt populars a les plataformes de fabricació additiva AM, i Inconel 625 i Inconel 718 s'utilitzen en moltes aplicacions. Els superaliatges a base de níquel i ferro es van escollir per les seves excel·lents propietats mecàniques a altes temperatures i pressions, i s'utilitzen sovint en ambients durs (resistència a la corrosió i a l'oxidació).
Els superaliatges a base de ferro com A-286, JBK{-75 i NASA HR-1 s'utilitzen habitualment en aplicacions d'hidrogen d'alta pressió com els motors de coets per reduir els riscos associats a la fragilitat ambiental de l'hidrogen. (HEE). A més, aquests superaliatges tenen una alta resistència a la fluència. La combinació d'aquestes propietats ajuda a augmentar significativament l'eficiència dels motors d'avions moderns.
Els superaliatges són metalls clau en la fabricació de molts components en motors de turbina de gas d'alta pressió, com ara la combustió, la turbina, la carcassa, els discos i les pales.
Altres aplicacions d'alta i baixa temperatura inclouen vàlvules per a motors de coets líquids, turbomaquinària, injectors, encès i col·lectors. Actualment, més del 50 per cent dels motors d'avions avançats en pes es componen de superaliatges a base de níquel.
Aliatge de titani
La relació força-pes és una altra mètrica clau, per això els aliatges de titani són útils. Els aliatges de titani estan altament integrats en aplicacions aeroespacials -ofereixen una excel·lent resistència a la corrosió i un ús moderat a la temperatura- i han estat objecte d'intens interès en la fabricació additiva.
Concretament, Ti-6Al{-4V és un aliatge comú per a trens d'aterratge, bastidors de coixinets, maquinària giratòria, discos i pales de compressors, tancs de propulsor criogènic i molts altres components aeroespacials. Ti-6Al-2Sn{-4Zr{-2Mo (Ti6242) s'utilitza en àleps de compressors i maquinària rotativa, mentre que l'aluminiur de titani (-TiAl) s'utilitza activament en àleps de turbines .
Aliatge d'alumini
Encara que són més febles que els aliatges de titani, els aliatges d'alumini tenen una bona relació resistència-pes i són una opció de material aeroespacial comuna (i ben establerta). Segons 3D Science Valley, els aliatges d'alumini utilitzats en la producció de peces fabricades additivament inclouen les sèries 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx i 7xxx basades en elements d'aliatge, molts dels quals es fabriquen mitjançant processos de fabricació additiva d'estat sòlid i es poden utilitzar. en procés AFS-D i UAM a tramitar.
Els aliatges d'alumini s'han desenvolupat per reduir l'esquerda del procés mitjançant el procés d'impressió 3D de metall fos de llit de pols-PBF i el procés de fusió DED d'impressió 3D de metall de deposició d'energia dirigida, inclòs AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy, etc. No obstant això, els aliatges d'alumini també tenen una sèrie d'inconvenients a causa del seu baix rendiment a alta temperatura, problemes de reparació de soldadures i, en general, poca resistència a l'estrès, esquerdes per corrosió i altres reptes.
Acer inoxidable
En comparació amb el titani o els superaliatges, l'acer inoxidable té una bona relació resistència-pes, resistència a altes temperatures i un cost més baix, de manera que s'utilitza àmpliament en components d'avions i naus espacials. L'acer inoxidable presenta una alta resistència a la corrosió, resistència a l'oxidació i resistència al desgast en l'entorn adequat.
L'acer inoxidable s'utilitza en sistemes de motor i d'escapament, components hidràulics, intercanviadors de calor, sistemes de trens d'aterratge i juntes estructurals. L'acer també s'utilitza en components aeroespacials com ara frontisses, fixacions, trens d'aterratge i altres components d'avions. Amb l'AM s'utilitzen habitualment una varietat d'acers inoxidables i especials, com ara l'austenític (és a dir, 316L) i l'enduriment per precipitació (PH). No obstant això, malgrat aquests avantatges, l'acer és relativament dens, de manera que el seu ús es limita a reduir la massa del sistema. L'acer no és popular per a la fabricació additiva perquè alguns aliatges són propensos a trencar-se i es pot formar fàcilment mitjançant tècniques tradicionals i sovint s'utilitza en conjunts menys complexos.
Aquest aliatge es va desenvolupar originalment per millorar les propietats mecàniques (per exemple, la resistència a la fluència, la resistència a la tracció, la integritat microestructural) a temperatures extremes. L'aliatge és prometedor en components metàl·lics per a turbines de gas, motors de coets, reactors nuclears i altres aplicacions d'alta temperatura. Tanmateix, els processos tradicionals d'aliatge mecànic per produir aquests aliatges són extremadament ineficients, requereixen temps i costs, i la impressió 3D obre una drecera per aconseguir aquests aliatges.
El material ODS-MEA de la NASA es processa mitjançant la tecnologia d'impressió 3D de metall L-PBF de fusió làser selectiva. L'aliatge es pot fabricar en geometries complexes i és resistent a l'esquerdament per tensió i a la segregació dendrítica.
S'ha demostrat que el procés de la NASA crea components amb una vida útil de ruptura de fluència 10 vegades millorada a 1100 graus i un 30 per cent més fort que les peces impreses en 3D actuals. Els nous aliatges ODS-MEA poden trobar aplicacions on s'utilitzen actualment aliatges ODS (per exemple, aquells que impliquen entorns tèrmics extrems), incloent-hi la generació d'energia, la propulsió (coets, motors a reacció, etc.), aplicacions d'energia nuclear i la mineria i el ciment. indústries de producció, equips de fabricació, components de turbines de gas (augmentar la temperatura de l'aire d'admissió augmenta l'eficiència) i molt més.
Superaliatges a base de cobalt, aliatges de coure
Per a aplicacions d'alta temperatura on no es requereix una alta conductivitat tèrmica, es poden utilitzar aliatges a base de cobalt (inclosos CoCr i Stellite). Tanmateix, quan la conductivitat tèrmica és una prioritat, els aliatges de coure passen a primer lloc. La seva alta conductivitat tèrmica és naturalment adequada per a intercanviadors de calor. Per a aplicacions de coets, el flux de calor més alt es produeix dins del conjunt de la cambra d'empenta, de manera que aquesta àrea és la que experimenta alta pressió. Al seu torn, els aliatges de coure utilitzats en aquests entorns requereixen una alta resistència i una alta conductivitat tèrmica (tot i que compleixen els requisits de compatibilitat del material amb el propulsor escollit).
Els aliatges de coure AM-AM comuns ben establerts inclouen GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) i GlidCop.
altres
La fabricació additiva pot crear metalls bimetàl·lics i multimetàl·lics personalitzats. Els materials es poden afegir discretament al disseny per optimitzar les propietats tèrmiques o estructurals. Els productes es poden fabricar amb jaquetes estructurals, brides, bosses o altres característiques per optimitzar el pes de tot el subsistema. Aquests poden incloure transicions metàl·liques discretes o materials classificats funcionalment (FGM).
Altres aliatges metàl·lics que es poden utilitzar en aplicacions aeroespacials inclouen metalls refractaris com el niobi, el tàntal, el molibdè, el reni i el tungstè i els seus aliatges. El C-103 basat en niobi és comú en aplicacions com ara broquets de refrigeració radiativa, sistemes de control de reaccions espacials i vores d'atac d'ales hipersòniques.
Altres aliatges a base de niobi (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) s'utilitzen en sistemes de protecció tèrmica d'avions i estructures del nucli del reactor espacial.
Els aliatges a base de tàntal (Ta10W, Ta111, Ta122) s'utilitzen normalment en entorns corrosius d'alta pressió i temperatura ultra alta.
Els refractaris a base de molibdè s'utilitzen en aplicacions d'ultra-alta temperatura, com ara tubs de calor de metalls alcalins i elements de combustible de propulsió tèrmica nuclear. Els aliatges de base pesada estan molt menys desenvolupats per a la fabricació additiva, però tenen usos potencials en combustidors d'autoencesa i pales de turbines d'un sol cristall.