AM-Additive Manufacturing bietet eine hochvolumige Luft- und Raumfahrtproduktion von hochkomplexen Komponenten, die mit herkömmlichen Fertigungstechniken sonst nicht möglich wäre. Während es viele Beispiele in großen Luft- und Raumfahrtunternehmen und vielen Start-ups gibt, ist der selektive Laser-Metallschmelz-3D-Druck mit L-PBF derzeit das dominierende Verfahren, gefolgt von DED (einschließlich LW-DED und LP-DED).
Gängige AM-Legierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen
Die Auswahl an Metallen für die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt hat sich auf Aluminiumlegierungen, Edelstähle, Titanlegierungen, Superlegierungen auf Nickel- und Eisenbasis, Kupferlegierungen und feuerfeste Legierungen ausgeweitet.
Die Wurzeln einiger dieser Legierungen lassen sich auf traditionelle Bearbeitungsverfahren zurückführen und werden weiterhin in Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet. Neue und bestehende Legierungen werden ständig weiterentwickelt, daher ist die aktuelle Liste der Legierungen nicht vollständig.
Darüber hinaus haben viele der aktuellen Legierungen erst das Entwicklungsstadium erreicht und sind möglicherweise nicht vollständig für Luft- und Raumfahrtanwendungen unter Verwendung spezifischer additiver Herstellungsverfahren qualifiziert, in denen L-PBF, LP-DED und AW-DED die am besten untersuchten Bereiche sind.
Abhängig vom verwendeten additiven Herstellungsverfahren variiert das Ausgangsmaterial von vorlegiertem Pulver (normalerweise durch Gaszerstäubung hergestellt), Draht, Blech oder Vollstab. Während die Anzahl der verfügbaren Legierungen im Vergleich zu Knetlegierungen begrenzt ist, gibt es immer noch viele gängige und bekannte Hochtemperatur- und beliebte Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, mit dem Vorbehalt, dass die Reifegrade variieren.
Superlegierungen auf Nickelbasis
Superlegierungen auf Nickelbasis sind auf AM-Additive-Manufacturing-Plattformen weit verbreitet, und Inconel 625 und Inconel 718 werden in vielen Anwendungen verwendet. Superlegierungen auf Nickel- und Eisenbasis wurden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen und Drücken ausgewählt und werden häufig in rauen Umgebungen (Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit) eingesetzt.
Eisenbasierte Superlegierungen wie A-286, JBK-75 und NASA HR-1 werden üblicherweise in Hochdruck-Wasserstoffanwendungen wie Raketentriebwerken verwendet, um die Risiken im Zusammenhang mit der Versprödung durch Wasserstoff zu verringern (HEE). Außerdem haben diese Superlegierungen eine hohe Kriechfestigkeit. Die Kombination dieser Eigenschaften trägt dazu bei, die Effizienz moderner Flugzeugtriebwerke deutlich zu steigern.
Superlegierungen sind Schlüsselmetalle bei der Herstellung vieler Komponenten in Hochdruck-Gasturbinentriebwerken, einschließlich Brennkammer, Turbine, Gehäuse, Scheiben und Laufschaufeln.
Andere Hoch- und Niedertemperaturanwendungen umfassen Ventile für Flüssigkeitsraketentriebwerke, Turbomaschinen, Einspritzdüsen, Zünder und Verteiler. Gegenwärtig bestehen über 50 Gewichtsprozent fortschrittlicher Flugzeugtriebwerke aus Superlegierungen auf Nickelbasis.
Titanlegierung
Das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ist eine weitere wichtige Kennzahl, weshalb sich Titanlegierungen als nützlich erweisen. Titanlegierungen sind stark in Luft- und Raumfahrtanwendungen integriert – sie bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und einen moderaten Temperatureinsatz – und sind Gegenstand intensiven Interesses in der additiven Fertigung.
Insbesondere Ti-6Al-4V ist eine übliche Legierung für Fahrwerke, Lagerrahmen, rotierende Maschinen, Kompressorscheiben und -schaufeln, kryogene Treibstofftanks und viele andere Luft- und Raumfahrtkomponenten. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) wird in Verdichterschaufeln und rotierenden Maschinen verwendet, während Titanaluminid ( -TiAl) aktiv in Turbinenschaufeln verwendet wird .
Aluminiumlegierung
Obwohl schwächer als Titanlegierungen, haben Aluminiumlegierungen ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und sind eine gängige (und etablierte) Materialwahl für die Luft- und Raumfahrt. Laut 3D Science Valley gehören zu den Aluminiumlegierungen, die bei der Herstellung von additiv gefertigten Teilen verwendet werden, die Serien 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx und 7xxx auf Basis von Legierungselementen, von denen viele mithilfe von additiven Festkörper-Fertigungsverfahren hergestellt werden und verwendet werden können in AFS-D und UAM von Prozess zu Prozess.
Aluminiumlegierungen wurden entwickelt, um Prozessrisse durch Pulverbett-3D-Druckverfahren mit geschmolzenem Metall (PBF) und 3D-Metalldruck mit gerichteter Energieabscheidung (DED-Schmelzverfahren) zu reduzieren, einschließlich AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy usw Aluminiumlegierungen haben jedoch auch eine Reihe von Nachteilen aufgrund ihrer schlechten Hochtemperaturleistung, Schweißnahtreparaturproblemen und allgemein schlechter Spannungsfestigkeit, Korrosionsrissbildung und anderen Herausforderungen.
Rostfreier Stahl
Im Vergleich zu Titan oder Superlegierungen hat rostfreier Stahl ein gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Hochtemperaturbeständigkeit und niedrigere Kosten, weshalb er in Flugzeug- und Raumfahrzeugkomponenten weit verbreitet ist. Edelstahl weist in der richtigen Umgebung eine hohe Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit auf.
Edelstahl wird in Motor- und Abgassystemen, Hydraulikkomponenten, Wärmetauschern, Fahrwerkssystemen und Strukturverbindungen verwendet. Stahl wird auch in Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Scharnieren, Befestigungselementen, Fahrwerken und anderen Komponenten in Flugzeugen verwendet. Eine Vielzahl von Edelstählen und Spezialstählen wird üblicherweise mit AM verwendet, einschließlich Austenit (dh 316L) und Ausscheidungshärtung (PH). Trotz dieser Vorteile ist Stahl jedoch relativ dicht, sodass seine Verwendung auf die Verringerung der Systemmasse beschränkt ist. Stahl ist für die additive Fertigung nicht beliebt, da einige Legierungen rissanfällig sind, und er kann mit herkömmlichen Techniken leicht geformt werden und wird häufig in weniger komplexen Baugruppen verwendet.
Diese Legierung wurde ursprünglich entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften (z. B. Kriechfestigkeit, Zugfestigkeit, mikrostrukturelle Integrität) bei extremen Temperaturen zu verbessern. Die Legierung ist vielversprechend in Metallkomponenten für Gasturbinen, Raketentriebwerke, Kernreaktoren und andere Hochtemperaturanwendungen. Herkömmliche mechanische Legierungsverfahren zur Herstellung solcher Legierungen sind jedoch äußerst ineffizient, zeitaufwändig und kostspielig, und der 3D-Druck eröffnet eine Abkürzung zur Herstellung solcher Legierungen.
Das ODS-MEA-Material der NASA wird durch die selektive Laserschmelz-L-PBF-Metall-3D-Drucktechnologie verarbeitet. Die Legierung kann zu komplexen Geometrien verarbeitet werden und ist beständig gegen Spannungsrisse und dendritische Segregation.
Es hat sich gezeigt, dass der Prozess der NASA Komponenten mit einer 10-mal verbesserten Kriechbruch-Lebensdauer bei 1100 Grad und 30 Prozent stärker als aktuelle 3D-gedruckte Teile herstellt. Die neuen ODS-MEA-Legierungen können Anwendungen finden, bei denen ODS-Legierungen derzeit verwendet werden (z. B. solche mit extremen thermischen Umgebungen), einschließlich für Stromerzeugung, Antrieb (Raketen, Strahltriebwerke usw.), Nuklearenergieanwendungen und Bergbau und Zement Fertigungsindustrie, Fertigungsanlagen, Gasturbinenkomponenten (höhere Ansauglufttemperatur erhöht die Effizienz) und mehr.
Superlegierungen auf Kobaltbasis, Kupferlegierungen
Für Hochtemperaturanwendungen, bei denen keine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist, können Legierungen auf Kobaltbasis (einschließlich CoCr und Stellit) verwendet werden. Wenn jedoch Wärmeleitfähigkeit im Vordergrund steht, kommen Kupferlegierungen in den Vordergrund. Ihre hohe Wärmeleitfähigkeit ist natürlich für Wärmetauscher geeignet. Bei Raketenanwendungen tritt der höchste Wärmefluss innerhalb der Schubkammeranordnung auf, sodass dieser Bereich derjenige ist, der hohem Druck ausgesetzt ist. Kupferlegierungen, die in diesen Umgebungen verwendet werden, erfordern wiederum eine hohe Festigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit (während sie die Anforderungen an die Materialkompatibilität mit dem Treibmittel der Wahl erfüllen).
Zu den etablierten gängigen AM-AM-Kupferlegierungen gehören GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) und GlidCop.
Sonstiges
Die additive Fertigung kann kundenspezifische bimetallische und multimetallische Metalle herstellen. Materialien können dem Design diskret hinzugefügt werden, um die thermischen oder strukturellen Eigenschaften zu optimieren. Produkte können mit strukturellen Ummantelungen, Flanschen, Vorsprüngen oder anderen Merkmalen hergestellt werden, um das Gewicht des gesamten Subsystems zu optimieren. Diese können diskrete Metallübergänge oder funktional abgestufte Materialien (FGMs) umfassen.
Andere Metalllegierungen, die in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden können, umfassen hochschmelzende Metalle wie Niob, Tantal, Molybdän, Rhenium und Wolfram und ihre Legierungen. Auf Niob basierendes C-103 ist üblich in Anwendungen wie Strahlungskühlungsdüsen, Weltraumreaktionskontrollsystemen und Vorderkanten von Überschallflügeln.
Andere Legierungen auf Niobbasis (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) werden in Wärmeschutzsystemen für Flugzeuge und Kernstrukturen von Weltraumreaktoren verwendet.
Tantalbasierte Legierungen (Ta10W, Ta111, Ta122) werden typischerweise in korrosiven Hochdruck- und Ultrahochtemperaturumgebungen verwendet.
Feuerfeste Materialien auf Molybdänbasis werden in Ultrahochtemperaturanwendungen wie Alkalimetall-Heatpipes und Brennstoffelementen für nukleare thermische Antriebe verwendet. Legierungen auf schwerer Basis sind viel weniger für die additive Fertigung entwickelt, haben aber potenzielle Anwendungen in selbstzündenden Brennkammern und Einkristall-Turbinenschaufeln.