航空航天制造业常见的3D打印合金特性、加工特点及加工挑战

谷专栏

在传统制造中,有数千种合金可供选择。相比之下AM-增材制造目前可选择的合金范围则十分有限,此外,航空航天零部件需要满足关键功能,其设计在恶劣环境(高压、腐蚀性流体,或低温(- 252°C)再到通常超过 1000°C 的高温),并且必须经常运行在高负载环境下,这对最终用途的合金选择提出了苛刻的要求。

3D科学谷曾通过专栏文章《航空部件的稳健金属增材制造工艺选择和开发》分析了工艺选择的考虑。本期谷.专栏,将结合《Robust metal Additive Manuacfacuring Process Selection and Development for Aerospace Components》这篇研究论文,与谷友深度了解航空航天制造业常见的3D打印合金特性、增材制造加工特点及加工挑战。

Robust metalhttps://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s11665-022-06850-0.pdf

AM-增材制造为高复杂性组件提供了大批量航空航天生产,否则传统制造技术无法实现。虽然在主要的航空航天公司和许多初创企业中存在许多示例,但 L-PBF 选区激光金属熔融3D打印是目前中最主要的工艺,其次是 DED(包括丁 LW-DED 和 LP-DED)。

NASANASA液体火箭发动机中使用的 AM增材制造组件示例 (a) L-PBF 激光选区金属熔融金属3D打印工艺制造的带有内部通道的 GRCop-42 铜合金燃烧室,(b) EBW-DED 3D打印工艺沉积燃烧室外壁(燃烧室为 GRCop-84 铜合金材料)的护套,(c) Inconel 625 L-PBF 喷射器,(d) 冷喷涂 NASA HR-1 护套到带有内部通道的 GRCop-42 L-PBF 腔室,(e) L-PBF选区激光熔融金属3D打印制造的燃油泵的旋转组件,(f) 使用 LP-DED激光定向能量沉积金属粉末3D打印加工 JBK-75材料的全尺寸 RS-25 喷嘴衬里
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block 航空航天应用的常见 AM 合金

航空增材制造需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和耐火合金。

Valley_Aero_Material航空航天领域的3D打印金属材料
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其中一些合金的根源可以追溯到传统的加工方法,并继续用于航空航天部件。新的和现有的合金都在不断地开发中,所以目前列举的合金并非包罗万象。

此外,目前的许多合金仅达到了开发阶段,可能不完全符合使用特定增材制造工艺的航空航天应用的要求,在制造工艺中,L-PBF、LP-DED 和 AW-DED 是研究最多的领域。

Valley_Avaition航空航天领域的金属3D打印技术分类
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根据所使用的增材制造工艺,原料从预合金粉末(通常通过气体雾化生产)、线材、片材或实心棒材不等。虽然与锻造合金相比,可用合金的数量有限,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,不过需要注意的是成熟度各不相同。

NASA_Material用不同金属和合金制造的复杂航空部件的例子 (a) 使用 L-PBF选区激光金属熔融3D打印技术加工的 C-103 的主动冷却推进器,(b) 使用 L-PBF选区激光金属熔融3D打印技术加工的钨主动冷却控制面,(c) 使用L-PBF选区激光金属熔融3D打印技术加工的 GRCop-84 铜合金燃烧室,(d) 使用L-PBF选区激光金属熔融3D打印技术优化的 AlSi10Mg 低温推进剂喷射器以及展示内部特征的部分,(e) 使用L-PBF选区激光金属熔融3D打印技术加工的600 mm 直径的Inconel 718 集成热交换器,(f) LP-DED 激光定向能量沉积金属粉末金属3D打印工艺制造的NASA HR-1 的推进室
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l 镍基高温合金

镍基高温合金在AM-增材制造平台上广泛流行,Inconel 625 和 Inconel 718 用于许多应用。选择镍和铁基高温合金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)。

A-286、JBK-75 和 NASA HR-1 等铁基高温合金通常用于高压氢应用(例如火箭发动机),以降低与氢环境脆化 (HEE) 相关的风险。此外,这些超合金具有高抗蠕变性。这些特性的结合有助于显着提高现代飞机发动机的效率。

高温合金是制造高压燃气涡轮发动机中的燃烧室、涡轮机、外壳、圆盘和叶片等许多部件的关键金属。

其他高温和低温应用包括用于液体火箭发动机的阀门、涡轮机械、喷射器、点火器和歧管。目前,从重量来看,超过50%的先进飞机发动机由镍基高温合金组成。

l 钛合金

强度重量比是另一个关键指标,这也是钛合金大派用场的原因。钛合金被高度集成在航空航天应用中——提供出色的耐腐蚀性和中温用途——并且一直是增材制造中备受关注的主题。

具体来说,Ti-6Al-4V 是起落架、轴承架、旋转机械、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。Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) 用于压缩机叶片和旋转机械,而铝化钛 (γ-TiAl) 被积极用于涡轮叶片。

l 铝合金

虽然比钛合金更弱,但铝合金具有良好的强度重量比,是一种常见的(和成熟的)航空航天材料选择。根据3D科学谷的了解,增材制造零件生产中使用的铝合金包括基于合金元素的 1xxx、2xxx、4xxx、6xxx、7xxx 系列,其中许多是使用固态增材制造工艺制造的,可用于 AFS-D 和 UAM 工艺来加工。

Material_Al_Valley© 3D科学谷白皮书

铝合金已经发展到通过粉末床熔融金属3D打印工艺-PBF 和定向能量沉积金属3D打印-DED 熔化工艺减少工艺开裂,包括 AlSi10Mg、F357、A205、7A77、6061-RAM2、Scalmalloy 等,然而,铝合金也存在许多缺点,因为其高温性能较差,存在焊接修复问题,并且普遍存在较差的抗应力,腐蚀开裂性等挑战。

l 不锈钢

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。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。

Valley_Stainless Steels© 3D科学谷白皮书

不锈钢用于发动机和排气系统、液压部件、热交换器、起落架系统和结构接头。钢也被用于航空部件,例如铰链、紧固件、起落架和飞机上的其他部件。各种不锈钢和特种钢通常与 AM 一起使用,包括奥氏体(即 316L)和沉淀硬化 (PH)。然而,尽管有这些优点,但钢的密度相对较高,因此其用途仅限于减少系统质量。由于某些合金容易开裂,钢在增材制造中并不受欢迎,而且它可以通过传统技术轻松成型,并且通常用于复杂性较低的组件中。

根据3D科学谷的市场观察,值得一提的是NASA格伦研究中心的创新者为增材制造 (AM) 技术量身定制开发了一种新的氧化物弥散强化中熵合金 (ODS-MEA)。这种ODS 合金的纳米级陶瓷颗粒分布在金属中。

Valley_ODS© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷的了解,最初这种合金是为了提高极端温度下的机械性能(例如,抗蠕变性、拉伸强度、微观结构完整性)而开发的。这种合金在燃气轮机、火箭发动机、核反应堆和其他高温应用的金属部件中显示出应用前景。然而,生产此类合金的传统机械合金化工艺效率极低、耗时且成本高,而3D打印开辟了一条成就这种合金的捷径。

NASA 的 ODS-MEA 材料通过选区激光熔化L-PBF金属3D打印技术进行加工。该合金可以制造成复杂的几何形状,并且可以抵抗应力开裂和树枝状偏析。

NASA 的工艺已被证明可以制造在 1100°C 时蠕变断裂寿命提高 10 倍的组件,并且比目前使用 3D 打印部件的强度提高了 30%。新的 ODS-MEA 合金可以在目前使用 ODS 合金的地方找到应用(例如,那些涉及极端热环境的应用),包括用于发电、推进(火箭、喷气发动机等)、核能应用以及采矿和水泥生产行业的制备设备,燃气轮机部件(提高进气温度可提高效率)等等。

l  钴基高温合金、铜合金

对于不需要高导热性的高温应用,可以使用钴基合金(包括 CoCr 和 Stellite)。然而,当导热性成为优先事项时,铜合金会脱颖而出。它们的高导热性自然适用于热交换器。对于火箭应用,最高热通量出现在推力室组件内,因此该区域是承受高压的区域。反过来,在这些环境中使用的铜合金需要高强度和高导热性(同时满足与所选推进剂的材料兼容性需求)。

Whitepaper_Copper_3© 3D科学谷白皮书

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

l 其他

增材制造可以创建定制的双金属和多金属金属。可以在设计中离散地添加材料以优化热或结构特性。可以制造结构护套、法兰、凸台或其他特征的产品,以优化整个子系统的重量。这些可以包括离散金属过渡或功能梯度材料 (FGM)。

可用于航空航天应用的其他金属合金包括难熔金属,例如铌、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)用于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)通常用于具有腐蚀性的高压和超高温环境。

钼基耐火材料用于超高温应用,例如碱金属热管和核热推进燃料元件。重基合金在增材制造方面的开发要少得多,但在自燃燃烧室和单晶涡轮叶片中具有潜在用途。

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