AM アディティブ マニュファクチャリングは、従来の製造技術では不可能だった複雑なコンポーネントの大量の航空宇宙生産を提供します。 主要な航空宇宙企業や多くの新興企業に多くの例がありますが、L-PBF 選択的レーザー金属融合 3D 印刷が現在最も支配的なプロセスであり、DED (LW-DED および LP-DED を含む) がそれに続きます。
航空宇宙用途向けの一般的な AM 合金
航空宇宙付加製造のニーズに対応する金属の選択肢は、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケルおよび鉄ベースの超合金、銅合金、および耐熱合金を含むように拡大しています。
これらの合金の一部のルーツは、従来の機械加工方法にまでさかのぼることができ、航空宇宙部品で引き続き使用されています。 新規および既存の合金が常に開発されているため、現在の合金のリストはすべてを網羅しているわけではありません。
さらに、現在の合金の多くは開発段階に達したばかりであり、L-PBF、LP-DED、および AW-DED が最も研究されている分野である特定の付加製造プロセスを使用する航空宇宙用途に完全に適合していない可能性があります。
使用する添加剤製造プロセスに応じて、原料は合金化前の粉末 (通常はガスアトマイズによって生成)、ワイヤ、シート、または固体ロッドと異なります。 利用可能な合金の数は、鍛造合金に比べて限られていますが、成熟度レベルが異なるという警告とともに、利用可能な一般的でよく知られている高温および人気のある航空宇宙合金がまだ多くあります.
ニッケル基超合金
ニッケルベースの超合金は AM アディティブ マニュファクチャリング プラットフォームで広く普及しており、インコネル 625 とインコネル 718 は多くの用途で使用されています。 ニッケル基および鉄基の超合金は、高温高圧での優れた機械的特性のために選択され、過酷な環境 (耐腐食性および耐酸化性) でよく使用されます。
A-286、JBK-75、NASA HR-1 などの鉄ベースの超合金は、ロケット エンジンなどの高圧水素用途で一般的に使用され、水素環境脆性に関連するリスクを軽減します。 (HEE)。 さらに、これらの超合金は高い耐クリープ性を備えています。 これらの特性の組み合わせにより、最新の航空機エンジンの効率が大幅に向上します。
超合金は、燃焼器、タービン、ケーシング、ディスク、ブレードなど、高圧ガスタービン エンジンの多くのコンポーネントの製造において重要な金属です。
その他の高温および低温アプリケーションには、液体ロケット エンジン、ターボ機械、インジェクター、イグナイター、およびマニホールド用のバルブが含まれます。 現在、高度な航空機エンジンの重量の 50% 以上がニッケルベースの超合金で構成されています。
チタン合金
強度対重量比も重要な指標であり、チタン合金が重宝される理由です。 チタン合金は航空宇宙用途に高度に統合されており、優れた耐食性と適度な温度での使用を提供し、積層造形において強い関心を集めています。
具体的には、Ti-6Al-4V は、着陸装置、ベアリング フレーム、回転機械、圧縮機のディスクとブレード、極低温推進剤タンク、およびその他の多くの航空宇宙部品によく使用される合金です。 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) はコンプレッサー ブレードや回転機械に使用され、チタン アルミナイド (-TiAl) はタービン ブレードに積極的に使用されています。 .
アルミニウム合金
アルミニウム合金はチタン合金よりも弱いですが、強度と重量の比率が高く、一般的な (そして十分に確立された) 航空宇宙材料の選択肢です。 3D サイエンス バレーによると、積層造形部品の製造に使用されるアルミニウム合金には、合金元素に基づく 1xxx、2xxx、4xxx、6xxx、および 7xxx シリーズが含まれ、その多くは固体積層造形プロセスを使用して製造され、使用することができます。 AFS-D および UAM プロセスで処理します。
AlSi10Mg、F357、A205、7A77、6061-RAM2、Scalmalloy などを含むアルミニウム合金は、粉末床溶融金属 3D 印刷プロセス - PBF および指向性エネルギー堆積金属 3D 印刷 - DED 溶融プロセスによってプロセス割れを低減するために開発されました。しかし、アルミニウム合金には、高温性能の低さ、溶接修復の問題、および一般に応力耐性の低さ、腐食割れ、およびその他の課題があるため、多くの欠点もあります。
ステンレス鋼
チタンや超合金と比較して、ステンレス鋼は強度対重量比が良好で、高温耐性があり、低コストであるため、航空機や宇宙船の部品に広く使用されています。 ステンレス鋼は、適切な環境下で高い耐食性、耐酸化性、耐摩耗性を発揮します。
ステンレス鋼は、エンジンと排気システム、油圧部品、熱交換器、着陸装置システム、および構造ジョイントに使用されています。 スチールは、航空機のヒンジ、ファスナー、着陸装置、その他の部品などの航空宇宙部品にも使用されています。 オーステナイト (316L) や析出硬化 (PH) など、さまざまなステンレス鋼や特殊鋼が AM で一般的に使用されています。 ただし、これらの利点にもかかわらず、鋼は比較的密度が高いため、その使用はシステムの質量を減らすことに限定されます。 一部の合金は割れやすいため、スチールはアディティブ マニュファクチャリングでは一般的ではありません。従来の技術で簡単に形成でき、あまり複雑でないアセンブリでよく使用されます。
この合金はもともと、極端な温度での機械的特性 (耐クリープ性、引張強度、微細構造の完全性など) を改善するために開発されました。 この合金は、ガスタービン、ロケットエンジン、原子炉、およびその他の高温用途の金属部品に有望です。 しかし、このような合金を製造するための従来の機械的合金化プロセスは、非常に非効率的で、時間とコストがかかります。3D プリントは、そのような合金を実現するための近道を開きます。
NASA の ODS-MEA 材料は、選択的レーザー溶融 L-PBF 金属 3D 印刷技術によって処理されます。 この合金は、複雑な形状に加工することができ、応力亀裂や樹枝状分離に耐性があります。
NASA のプロセスは、現在の 3D プリント部品よりも 1100 度で 10 倍改善されたクリープ破断寿命と 30% の強度を持つコンポーネントを作成することが示されています。 新しい ODS-MEA 合金は、発電、推進 (ロケット、ジェット エンジンなど)、核エネルギー用途、鉱業およびセメントなど、ODS 合金が現在使用されている用途 (極端な熱環境を伴うものなど) を見つけることができます。生産産業の製造装置、ガスタービンコンポーネント (吸気温度を上げると効率が向上します) など。
コバルト基超合金、銅合金
高い熱伝導率が必要とされない高温用途では、コバルトベースの合金 (CoCr やステライトを含む) を使用できます。 ただし、熱伝導率が優先される場合は、銅合金が前面に出てきます。 それらの高い熱伝導率は、当然、熱交換器に適しています。 ロケットの用途では、推力チャンバー アセンブリ内で最高の熱流束が発生するため、この領域は高圧が発生する領域です。 同様に、これらの環境で使用される銅合金は、高強度と高熱伝導率を必要とします (選択した推進剤との材料適合性要件を満たしながら)。
確立された一般的な AM-AM 銅合金には、GRCop-42、GRCop-84、C18150 (Cu-Cr-Zr)、C18200 (Cu-Cr)、および GlidCop が含まれます。
他の
アディティブ マニュファクチャリングでは、カスタムのバイメタルおよびマルチメタル金属を作成できます。 材料を個別に設計に追加して、熱特性または構造特性を最適化できます。 サブシステム全体の重量を最適化するために、構造ジャケット、フランジ、ボス、またはその他の機能を備えた製品を製造できます。 これらには、個別の金属遷移または傾斜機能材料 (FGM) が含まれます。
航空宇宙用途で使用できる他の金属合金には、ニオブ、タンタル、モリブデン、レニウム、タングステンなどの高融点金属とそれらの合金が含まれます。 ニオブベースの C-103 は、放射冷却ノズル、宇宙反応制御システム、極超音速翼の前縁などの用途で一般的です。
その他のニオブベースの合金 (WC3009、C129Y、Cb752、FS-85) は、航空機の熱保護システムや宇宙用原子炉の炉心構造に使用されています。
タンタルベースの合金 (Ta10W、Ta111、Ta122) は通常、腐食性の高圧および超高温環境で使用されます。
モリブデンベースの耐火物は、アルカリ金属ヒート パイプや核熱推進燃料要素などの超高温用途で使用されます。 重基合金は積層造形向けにはあまり開発されていませんが、自己着火燃焼器や単結晶タービン ブレードに使用できる可能性があります。