NASA:航空航天领域常用的金属3D打印材料及特点-金属3D打印工厂

NASA:航空航天领域常用的金属3D打印材料及特点-金属3D打印工厂插图

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NASA:航空航天领域常用的金属3D打印材料及特点

采用传统制造技术,可以对数千种合金进行加工。对于金属3D打印技术而言,可供使用的材料数量极其有限,且不像传统加工那样拥有数十年的加工和使用经验。此外,航空航天部件通常要求具有关键特性,其在恶劣环境(高压、腐蚀性流体或从低至−252°C的低温到超过1000°C的高温)下使用时所设计的阈值极小,并且此类部件需要安全可靠的在高频率循环状态下工作数千小时。因此,对最终用途部件所选择的合金提出了苛刻要求。

航空航天增材制造所需求的金属包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金以及难熔合金。NASA的工程师根据当前的研究和行业应用情况总结了53种适用于金属增材制造的合金材料,覆盖了从基于熔化和固态成型的当前几乎所有的工艺类型。其中一些合金源于传统加工材料,并继续用于制造航空航天部件。新材料和现有的合金都在不断地开发和优化中,所总结的材料种类仍有很大的扩充空间,很多合金目前仅达到了开发阶段,可能不完全符合使用特定增材制造工艺的航空航天应用要求。在所有金属增材制造工艺中,L-PBF、LP-DED和AW-DED(电弧线材能量沉积)是研究最多的领域,而对激光线材能量沉积工艺的研究则少得多。固态增材制造工艺在研究和工业应用中越来越受欢迎。

NASA:航空航天领域常用的金属3D打印材料及特点

根据所使用的增材制造工艺,原料可分为预合金粉末(通常通过气雾化生产)、线材、片材或实心棒材等。虽然与锻造合金相比,可用材料的数量有限,但仍有许多常用和知名的高温和流行的航空航天合金可供使用,但成熟度水平各不相同。

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采用不同金属3D打印的复杂航空零件:(a)L-PBF打印的Nb C103主动冷却推进器 (b)L-PBF打印的钨主动冷却控制面(c)L-PBF打印的GRCop-84燃烧室(d)质量-优化的AlSi10Mg低温推进剂喷射器,外部有晶格结构,内部包含流道(e) L-PBF的直径600mm In718集成热交换器(f)LP-DED制造的NASA HR-1核热推进室

镍和铁基高温合金应用较多是因为它们在高温和高压下具有出色的机械性能,并且经常用于恶劣的环境(耐腐蚀和抗氧化)。镍基高温合金在3D打印领域广泛使用,并以In625和In718最为突出用于许多应用。A-286、JBK-75和NASA HR-1等铁基高温合金通常用于高压氢应用(如火箭发动机),可以降低与氢环境脆化相关的风险。此外,这些超合金具有高抗蠕变性,这些特性的组合有助于显著提高现代飞机发动机的效率。高温合金是制造高压燃气轮机燃烧室、涡轮机、外壳、圆盘和叶片等许多部件的关键材料。其他高温和低温应用包括用于液体火箭发动机的阀门、涡轮、喷射器、点火器以及歧管等。目前,超过50%的先进飞机发动机质量由镍基超合金组成。

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强度重量比是另一个关键指标,钛合金因具有出色的耐腐蚀性和耐温特性以及出色的比强度在航空航天领域应用极广,并且一直在增材制造领域备受关注。具体来说,Ti6Al4V是起落架、轴承架、旋转部件、压缩机盘和叶片、低温推进剂罐和许多其他航空航天部件的常用合金。Ti6242可用于压缩机叶片和旋转机械零件,TiAl合金则可用于这种涡轮叶片。

虽然比钛合金强度低,但铝合金具有良好的强度重量比,是一种常见且和成熟的航空航天材料。用于增材制造零件生产的铝合金包括基于合金元素的1xxx、2xxx、4xxx、6xxx、7xxx系列,其中许多可采用搅拌摩擦焊和超声波焊接等固态增材制造工艺制造。铝合金目前采用粉末床和能量沉积工艺可以减少开裂,可打印的种类包括AlSi10Mg、F357、A205、7A77、6061-RAM2、Scalmalloy等。然而,铝合金也存在许多缺点,如高温性能差,存在焊接修复问题,而且高强度铝合金的抗应力腐蚀开裂能力较差也较为常见。

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LPBF制造的AlSi10MgSentinel-1 天线支架(b)LPBF制造的Ti6Al4V高价值航空支架(c )激光增材制造的 In718法兰(d ) LPBF制造的Ti6Al4V飞机支架

与钛或超合金相比,不锈钢具有良好的强度重量比、耐高温能力以及较低的成本,因此广泛用于飞机和航天器部件制造。不锈钢在适当的环境下表现出高耐腐蚀性、抗氧化性和耐磨性,可用于制造发动机和排气系统、液压部件、热交换器、起落架系统和结构接头。在航空航天领域,可制造铰链、紧固件、起落架和飞机上的其他部件。可用于金属3D打印的不锈钢包括316L奥氏体钢和17-4PH沉淀硬化钢等。尽管有很多优点,但钢的密度相对较高,通过传统技术易于成型,采用金属增材制造技术制造不锈钢零件在航空航天领域应用有限。

对于不需要高导热性的高温应用,可以使用钴基合金(包括钴铬和钴铬钨硬质合金)。然而,当导热性成为优先选项时,铜合金会被有限选择。它的高导热性非常适合制造热交换器。对于火箭应用,需要最高效热交换的位置位于推力室,该区域承受高压,在这些环境中使用的铜合金需要具有高强度和高导热性(同时满足与所选推进剂兼容)。成熟的常见3D打印铜合金包括GRCop-42、GRCop-84、C18150(Cu-Cr-Zr)、C18200(Cu-Cr)和GlidCop(纳米氧化铝颗粒增强铜基复合材料)。3D打印技术参考此前介绍过多种铜合金材料及工艺和材料特性,可查询往期文章。

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增材制造并不一定只能制造单一金属并不是,它可以创建定制的双金属和多金属结构。可以在设计中离散地添加材料来优化热或结构特性,如结构护套、法兰、凸台或其他特征的形式,从而优化整个子系统的重量。此外,还可以制造金属过渡或功能梯度材料。

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可用于航空航天领域的其他金属合金包括难熔金属,如铌、钽、钼、铼和钨及其合金。铌基C-103在辐射冷却喷嘴、空间反应控制系统和高超音速机翼前缘等应用中很常见。其他铌基合金(WC3009、C129Y、Cb752、FS-85)可用于制造再入飞行器热保护系统以及空间反应堆堆芯结构;钽基合金(Ta10W、Ta111、Ta122)通常用于制造具有腐蚀性的高压和超高温环境;钼基难熔合金可用于超高温应用,如碱金属热管和核热推进燃料元件。稀土基合金在增材制造方面的开发要少得多,但在燃烧室和单晶涡轮叶片中具有潜在用途。

本文对航空航天领域各类材料的特点介绍较为全面,3D打印技术参考不再做最后总结。此外,本文是NASA航空航天应用经验总结系列文章总结的第二篇,后续将继续呈现更多精彩内容。

 

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