航空航天制造業常見的3D打印合金特性、加工特點及加工挑戰

來源:3D科學谷  作者:3D科學谷  時間:2023-06-30 16:51:57  已閱:0

在傳統制造中,有數千種合金可供選擇。相比之下AM-增材制造目前可選擇的合金范圍則十分有限,此外,航空航天零部件需要滿足關鍵功能,其設計在惡劣環境(高壓、腐蝕性流體,或低溫(-?252°C)再到通常超過 1000°C 的高溫),并且必須經常運行在高負載環境下,這對最終用途的合金選擇提出了苛刻的要求。

3D科學谷曾通過專欄文章《航空部件的穩健金屬增材制造工藝選擇和開發》分析了工藝選擇的考慮。本期谷.專欄,將結合《Robust metal Additive Manuacfacuring Process Selection and Development for Aerospace Components》這篇研究論文,與谷友深度了解航空航天制造業常見的3D打印合金特性、增材制造加工特點及加工挑戰。



AM-增材制造為高復雜性組件提供了大批量航空航天生產,否則傳統制造技術無法實現。雖然在主要的航空航天公司和許多初創企業中存在許多示例,但 L-PBF 選區激光金屬熔融3D打印是目前中最主要的工藝,其次是 DED(包括丁 LW-DED 和 LP-DED)。



航空增材制造需求的金屬選擇已擴大到包括鋁合金、不銹鋼、鈦合金、鎳基和鐵基高溫合金、銅合金和耐火合金。



其中一些合金的根源可以追溯到傳統的加工方法,并繼續用于航空航天部件。新的和現有的合金都在不斷地開發中,所以目前列舉的合金并非包羅萬象。

此外,目前的許多合金僅達到了開發階段,可能不完全符合使用特定增材制造工藝的航空航天應用的要求,在制造工藝中,L-PBF、LP-DED 和 AW-DED 是研究最多的領域。



根據所使用的增材制造工藝,原料從預合金粉末(通常通過氣體霧化生產)、線材、片材或實心棒材不等。雖然與鍛造合金相比,可用合金的數量有限,但仍有許多常用和知名的高溫和流行的航空航天合金可供使用,不過需要注意的是成熟度各不相同。



l 鎳基高溫合金

鎳基高溫合金在AM-增材制造平臺上廣泛流行,Inconel 625 和 Inconel 718 用于許多應用。選擇鎳和鐵基高溫合金是因為它們在高溫和高壓下具有出色的機械性能,并且經常用于惡劣的環境(耐腐蝕和抗氧化)。

A-286、JBK-75 和 NASA HR-1 等鐵基高溫合金通常用于高壓氫應用(例如火箭發動機),以降低與氫環境脆化 (HEE) 相關的風險。此外,這些超合金具有高抗蠕變性。這些特性的結合有助于顯著提高現代飛機發動機的效率。

高溫合金是制造高壓燃氣渦輪發動機中的燃燒室、渦輪機、外殼、圓盤和葉片等許多部件的關鍵金屬。

其他高溫和低溫應用包括用于液體火箭發動機的閥門、渦輪機械、噴射器、點火器和歧管。目前,從重量來看,超過50%的先進飛機發動機由鎳基高溫合金組成。


l 鈦合金

強度重量比是另一個關鍵指標,這也是鈦合金大派用場的原因。鈦合金被高度集成在航空航天應用中——提供出色的耐腐蝕性和中溫用途——并且一直是增材制造中備受關注的主題。

具體來說,Ti-6Al-4V 是起落架、軸承架、旋轉機械、壓縮機盤和葉片、低溫推進劑罐和許多其他航空航天部件的常用合金。Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) 用于壓縮機葉片和旋轉機械,而鋁化鈦 (γ-TiAl) 被積極用于渦輪葉片。


l 鋁合金

雖然比鈦合金更弱,但鋁合金具有良好的強度重量比,是一種常見的(和成熟的)航空航天材料選擇。根據3D科學谷的了解,增材制造零件生產中使用的鋁合金包括基于合金元素的 1xxx、2xxx、4xxx、6xxx、7xxx 系列,其中許多是使用固態增材制造工藝制造的,可用于 AFS-D 和 UAM 工藝來加工。



鋁合金已經發展到通過粉末床熔融金屬3D打印工藝-PBF 和定向能量沉積金屬3D打印-DED 熔化工藝減少工藝開裂,包括 AlSi10Mg、F357、A205、7A77、6061-RAM2、Scalmalloy 等,然而,鋁合金也存在許多缺點,因為其高溫性能較差,存在焊接修復問題,并且普遍存在較差的抗應力,腐蝕開裂性等挑戰。


l 不銹鋼

與鈦或超合金相比,不銹鋼具有良好的強度重量比、耐高溫能力以及較低的成本,因此廣泛用于飛機和航天器部件。不銹鋼在適當的環境下表現出高耐腐蝕性、抗氧化性和耐磨性。



不銹鋼用于發動機和排氣系統、液壓部件、熱交換器、起落架系統和結構接頭。鋼也被用于航空部件,例如鉸鏈、緊固件、起落架和飛機上的其他部件。各種不銹鋼和特種鋼通常與 AM 一起使用,包括奧氏體(即 316L)和沉淀硬化 (PH)。然而,盡管有這些優點,但鋼的密度相對較高,因此其用途僅限于減少系統質量。由于某些合金容易開裂,鋼在增材制造中并不受歡迎,而且它可以通過傳統技術輕松成型,并且通常用于復雜性較低的組件中。

根據3D科學谷的市場觀察,值得一提的是NASA格倫研究中心的創新者為增材制造 (AM) 技術量身定制開發了一種新的氧化物彌散強化中熵合金 (ODS-MEA)。這種ODS 合金的納米級陶瓷顆粒分布在金屬中。



根據3D科學谷的了解,最初這種合金是為了提高極端溫度下的機械性能(例如,抗蠕變性、拉伸強度、微觀結構完整性)而開發的。這種合金在燃氣輪機、火箭發動機、核反應堆和其他高溫應用的金屬部件中顯示出應用前景。然而,生產此類合金的傳統機械合金化工藝效率極低、耗時且成本高,而3D打印開辟了一條成就這種合金的捷徑。

NASA 的 ODS-MEA 材料通過選區激光熔化L-PBF金屬3D打印技術進行加工。該合金可以制造成復雜的幾何形狀,并且可以抵抗應力開裂和樹枝狀偏析。

NASA 的工藝已被證明可以制造在 1100°C 時蠕變斷裂壽命提高 10 倍的組件,并且比目前使用 3D 打印部件的強度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到應用(例如,那些涉及極端熱環境的應用),包括用于發電、推進(火箭、噴氣發動機等)、核能應用以及采礦和水泥生產行業的制備設備,燃氣輪機部件(提高進氣溫度可提高效率)等等。


l  鈷基高溫合金、銅合金

對于不需要高導熱性的高溫應用,可以使用鈷基合金(包括 CoCr 和 Stellite)。然而,當導熱性成為優先事項時,銅合金會脫穎而出。它們的高導熱性自然適用于熱交換器。對于火箭應用,最高熱通量出現在推力室組件內,因此該區域是承受高壓的區域。反過來,在這些環境中使用的銅合金需要高強度和高導熱性(同時滿足與所選推進劑的材料兼容性需求)。



成熟的常見 AM-增材制造銅合金包括 GRCop-42、GRCop-84、C18150 (Cu-Cr-Zr)、C18200 (Cu-Cr) 和 GlidCop。


l 其他

增材制造可以創建定制的雙金屬和多金屬金屬??梢栽谠O計中離散地添加材料以優化熱或結構特性??梢灾圃旖Y構護套、法蘭、凸臺或其他特征的產品,以優化整個子系統的重量。這些可以包括離散金屬過渡或功能梯度材料 (FGM)。

可用于航空航天應用的其他金屬合金包括難熔金屬,例如鈮、鉭、鉬、錸和鎢及其合金。鈮基 C-103 在輻射冷卻噴嘴、空間反應控制系統和高超音速機翼前緣等應用中很常見。

其他鈮基合金(WC3009、C129Y、Cb752、FS-85)用于飛行器熱保護系統以及空間反應堆堆芯結構。

鉭基合金(Ta10W、Ta111、Ta122)通常用于具有腐蝕性的高壓和超高溫環境。

鉬基耐火材料用于超高溫應用,例如堿金屬熱管和核熱推進燃料元件。重基合金在增材制造方面的開發要少得多,但在自燃燃燒室和單晶渦輪葉片中具有潛在用途。


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