يوفر AM-Additive Manufacturing إنتاجًا كبيرًا في الفضاء الجوي لمكونات عالية التعقيد غير ممكنة مع تقنيات التصنيع التقليدية. في حين أن هناك العديد من الأمثلة في شركات الطيران الكبرى والعديد من الشركات الناشئة ، فإن الطباعة ثلاثية الأبعاد لدمج المعادن بالليزر الانتقائي L-PBF هي حاليًا العملية الأكثر انتشارًا ، تليها DED (بما في ذلك LW-DED و LP-DED).
سبائك AM المشتركة لتطبيقات الفضاء
توسع اختيار المعادن لاحتياجات تصنيع المواد المضافة إلى الفضاء ليشمل سبائك الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك التيتانيوم والسبائك الفائقة القائمة على النيكل والحديد وسبائك النحاس والسبائك المقاومة للصهر.
يمكن إرجاع جذور بعض هذه السبائك إلى طرق المعالجة التقليدية واستمرار استخدامها في مكونات الفضاء. يتم تطوير السبائك الجديدة والحالية باستمرار ، وبالتالي فإن القائمة الحالية للسبائك ليست شاملة.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من السبائك الحالية قد وصلت فقط إلى مرحلة التطوير وقد لا تكون مؤهلة تمامًا لتطبيقات الطيران باستخدام عمليات تصنيع مضافة محددة ، حيث L-PBF و LP-DED و AW-DED هي المناطق الأكثر دراسة.
اعتمادًا على عملية التصنيع المضافة المستخدمة ، تختلف المادة الأولية من مسحوق مسبقة الصنع (ينتج عادةً عن طريق الانحلال بالغاز) ، أو الأسلاك ، أو الصفائح ، أو القضبان الصلبة. في حين أن عدد السبائك المتاحة محدود مقارنةً بالسبائك المشغولة ، لا يزال هناك العديد من السبائك الشائعة والمعروفة ذات درجات الحرارة العالية والسبائك الفضائية الشائعة ، مع التحذير من اختلاف مستويات النضج.
سبائك النيكل الفائقة
السبائك الفائقة القائمة على النيكل شائعة على نطاق واسع في منصات تصنيع AM-Additive ، ويتم استخدام Inconel 625 و Inconel 718 في العديد من التطبيقات. تم اختيار السبائك الفائقة القائمة على النيكل والحديد لخصائصها الميكانيكية الممتازة في درجات حرارة وضغوط عالية ، وغالبًا ما تستخدم في البيئات القاسية (مقاومة التآكل والأكسدة).
السبائك الفائقة القائمة على الحديد مثل A -286 و JBK -75 و NASA HR -1 تُستخدم بشكل شائع في تطبيقات الهيدروجين عالية الضغط مثل المحركات الصاروخية لتقليل المخاطر المرتبطة بالتقصف البيئي للهيدروجين (HEE). بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع هذه السبائك الفائقة بمقاومة عالية للزحف. يساعد الجمع بين هذه الخصائص على زيادة كفاءة محركات الطائرات الحديثة بشكل كبير.
السبائك الفائقة هي معادن رئيسية في تصنيع العديد من المكونات في محركات التوربينات الغازية عالية الضغط ، بما في ذلك جهاز الاحتراق والتوربينات والغلاف والأقراص والشفرات.
تشمل التطبيقات الأخرى ذات درجات الحرارة العالية والمنخفضة صمامات لمحركات الصواريخ السائلة ، والميكنة التوربينية ، والحاقنات ، والإشعال ، والمشعبات. في الوقت الحالي ، تتكون أكثر من 50 في المائة من محركات الطائرات المتقدمة من حيث الوزن من السبائك الفائقة القائمة على النيكل.
سبائك التيتانيوم
تعتبر نسبة القوة إلى الوزن مقياسًا رئيسيًا آخر ، وهذا هو السبب في أن سبائك التيتانيوم مفيدة. تم دمج سبائك التيتانيوم بشكل كبير في تطبيقات الطيران - مما يوفر مقاومة ممتازة للتآكل واستخدامًا معتدلًا في درجات الحرارة - وكانت موضع اهتمام شديد في التصنيع الإضافي.
على وجه التحديد ، Ti -6 Al -4 V عبارة عن سبيكة شائعة لمعدات الهبوط وإطارات المحامل والآلات الدوارة وأقراص وشفرات الضاغط وخزانات الوقود المبردة والعديد من مكونات الطيران الأخرى. يستخدم Ti -6 Al -2 Sn -4 Zr -2 Mo (Ti6242) في شفرات الضاغط والآلات الدوارة ، بينما يُستخدم التيتانيوم ألومينايد (-TiAl) بنشاط في شفرات التوربينات .
سبائك الألومنيوم
على الرغم من أنها أضعف من سبائك التيتانيوم ، إلا أن سبائك الألومنيوم تتمتع بنسبة قوة إلى وزن جيدة وهي خيار شائع (وراسخ) للمواد الفضائية. وفقًا لـ 3D Science Valley ، تشتمل سبائك الألومنيوم المستخدمة في إنتاج الأجزاء المصنعة بشكل مضاف على سلسلة 1xxx و 2xxx و 4xxx و 6xxx و 7xxx استنادًا إلى عناصر صناعة السبائك ، والتي يتم تصنيع العديد منها باستخدام عمليات تصنيع المواد المضافة في الحالة الصلبة ويمكن استخدامها في AFS-D و UAM لعملية المعالجة.
تم تطوير سبائك الألومنيوم لتقليل تكسير العملية عن طريق عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد بطبقة المسحوق المعدني المنصهر - PBF وعملية ذوبان DED المعدنية للطباعة ثلاثية الأبعاد الموجهة لترسيب الطاقة ، بما في ذلك AlSi10Mg ، F357 ، A205 ، 7A77 ، 6061- RAM2 ، Scalmalloy ، إلخ. ومع ذلك ، هناك أيضًا عدد من العيوب بسبب ضعف أداء درجات الحرارة العالية ، ومشكلات إصلاح اللحام ، ومقاومة الإجهاد الضعيفة بشكل عام ، والتشقق الناتج عن التآكل ، وغيرها من التحديات.
ستانلس ستيل
بالمقارنة مع التيتانيوم أو السبائك الفائقة ، يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ بنسبة جيدة من القوة إلى الوزن ، ومقاومة درجات الحرارة العالية ، وتكلفة أقل ، لذلك فهو مستخدم على نطاق واسع في مكونات الطائرات والمركبات الفضائية. يُظهر الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة عالية للتآكل ، ومقاومة للأكسدة ، ومقاومة للارتداء في البيئة المناسبة.
يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ في المحرك وأنظمة العادم والمكونات الهيدروليكية والمبادلات الحرارية وأنظمة معدات الهبوط والمفاصل الهيكلية. يستخدم الفولاذ أيضًا في مكونات الطيران مثل المفصلات والمثبتات ومعدات الهبوط والمكونات الأخرى على الطائرات. يتم استخدام مجموعة متنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ الخاص بشكل شائع مع AM ، بما في ذلك الأوستنيتي (أي 316L) وتصلب الترسيب (PH). ومع ذلك ، على الرغم من هذه المزايا ، فإن الفولاذ كثيف نسبيًا ، لذلك يقتصر استخدامه على تقليل كتلة النظام. لا يحظى الفولاذ بشعبية كبيرة في التصنيع الإضافي لأن بعض السبائك معرضة للتشقق ، ويمكن تشكيله بسهولة من خلال التقنيات التقليدية وغالبًا ما يستخدم في التركيبات الأقل تعقيدًا.
تم تطوير هذه السبيكة في الأصل لتحسين الخصائص الميكانيكية (على سبيل المثال ، مقاومة الزحف ، وقوة الشد ، وسلامة البنية المجهرية) في درجات الحرارة القصوى. تظهر السبيكة واعدة في المكونات المعدنية لتوربينات الغاز ومحركات الصواريخ والمفاعلات النووية وغيرها من التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. ومع ذلك ، فإن عمليات صناعة السبائك الميكانيكية التقليدية لإنتاج مثل هذه السبائك غير فعالة للغاية وتستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة ، وتفتح الطباعة ثلاثية الأبعاد طريقاً مختصراً لتحقيق مثل هذه السبائك.
تتم معالجة مادة ODS-MEA التابعة لوكالة ناسا عن طريق تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للصهر الانتقائي بالليزر L-PBF. يمكن تصنيع السبيكة في أشكال هندسية معقدة ومقاومة للتشقق الإجهادي والفصل الشجيري.
أثبتت عملية ناسا أنها تخلق مكونات ذات عمر تمزق زاحف محسّن 10 مرات عند 1100 درجة وأقوى بنسبة 30 في المائة من الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد الحالية. يمكن لسبائك المواد المستنفدة للأوزون الجديدة أن تجد تطبيقات تستخدم فيها سبائك المواد المستنفدة للأوزون حاليًا (على سبيل المثال ، تلك التي تنطوي على بيئات حرارية شديدة) ، بما في ذلك لتوليد الطاقة ، والدفع (الصواريخ ، والمحركات النفاثة ، وما إلى ذلك) ، وتطبيقات الطاقة النووية ، والتعدين والأسمنت. معدات التصنيع والصناعات الإنتاجية ، ومكونات التوربينات الغازية (زيادة درجة حرارة الهواء الداخل تزيد من الكفاءة) ، وأكثر من ذلك.
السبائك الفائقة القائمة على الكوبالت وسبائك النحاس
بالنسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حيث لا تكون الموصلية الحرارية العالية مطلوبة ، يمكن استخدام السبائك التي تحتوي على الكوبالت (بما في ذلك CoCr والأقمار الصناعية). ومع ذلك ، عندما تكون التوصيل الحراري أولوية ، تأتي سبائك النحاس في المقدمة. الموصلية الحرارية العالية مناسبة بشكل طبيعي للمبادلات الحرارية. بالنسبة لتطبيقات الصواريخ ، يحدث أعلى تدفق حراري داخل مجموعة غرفة الدفع ، لذا فإن هذه المنطقة هي المنطقة التي تتعرض لضغط عالٍ. في المقابل ، تتطلب سبائك النحاس المستخدمة في هذه البيئات قوة عالية وموصلية حرارية عالية (مع تلبية متطلبات توافق المواد مع دافع الاختيار).
تشتمل سبائك النحاس AM-AM الراسخة على GRCop -42 و GRCop -84 و C18150 (Cu-Cr-Zr) و C18200 (Cu-Cr) و GlidCop.
آخر
يمكن أن ينتج عن التصنيع الإضافي معادن مخصصة ثنائية المعدن ومتعددة المعادن. يمكن إضافة المواد بشكل منفصل إلى التصميم لتحسين الخصائص الحرارية أو الهيكلية. يمكن تصنيع المنتجات باستخدام السترات الهيكلية ، أو الفلنجات ، أو الرؤوس ، أو ميزات أخرى لتحسين وزن النظام الفرعي بأكمله. يمكن أن تشمل هذه التحولات المعدنية المنفصلة أو المواد المتدرجة وظيفيًا (تشويه الأعضاء التناسلية الأنثوية).
تشمل السبائك المعدنية الأخرى التي يمكن استخدامها في تطبيقات الفضاء معادن مقاومة للصهر مثل النيوبيوم والتنتالوم والموليبدينوم والرينيوم والتنغستن وسبائكها. C القائم على النيوبيوم -103 شائع في تطبيقات مثل فوهات التبريد الإشعاعي وأنظمة التحكم في تفاعل الفضاء والحواف الأمامية للأجنحة التي تفوق سرعتها سرعة الصوت.
تُستخدم السبائك الأخرى القائمة على النيوبيوم (WC3009 ، C129Y ، Cb752 ، FS -85) في أنظمة الحماية الحرارية للطائرات والهياكل الأساسية للمفاعلات الفضائية.
تُستخدم السبائك القائمة على التنتالوم (Ta10W ، Ta111 ، Ta122) عادةً في البيئات ذات الضغط العالي ودرجات الحرارة العالية جدًا.
تُستخدم الحراريات القائمة على الموليبدينوم في تطبيقات درجات الحرارة العالية جدًا مثل أنابيب الحرارة المعدنية القلوية وعناصر وقود الدفع الحراري النووي. تعتبر السبائك الثقيلة أقل تطورًا للتصنيع الإضافي ولكن لها استخدامات محتملة في أجهزة الاحتراق ذاتية الاشتعال وشفرات التوربينات أحادية البلورة.