AM-Additive Manufacturing นำเสนอการผลิตชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนสูงในอวกาศในปริมาณมาก มิฉะนั้นจะไม่สามารถทำได้ด้วยเทคนิคการผลิตแบบดั้งเดิม แม้ว่าจะมีตัวอย่างมากมายในบริษัทการบินและอวกาศรายใหญ่และบริษัทสตาร์ทอัพหลายแห่ง การพิมพ์ 3 มิติด้วยเลเซอร์โลหะฟิวชันแบบเลือก L-PBF เป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุด รองลงมาคือ DED (รวมถึง LW-DED และ LP-DED)
โลหะผสม AM ทั่วไปสำหรับการใช้งานด้านอวกาศและอวกาศ
ทางเลือกของโลหะสำหรับการผลิตสารเติมแต่งสำหรับยานอวกาศได้ขยายออกไปรวมถึงโลหะผสมอะลูมิเนียม เหล็กกล้าไร้สนิม ไททาเนียมอัลลอยด์ ซูเปอร์อัลลอยด์ที่มีนิกเกิลและเหล็ก โลหะผสมทองแดง และโลหะผสมทนไฟ
รากของโลหะผสมเหล่านี้บางส่วนสามารถสืบย้อนไปถึงวิธีการตัดเฉือนแบบเดิมและยังคงใช้ในชิ้นส่วนอากาศยาน โลหะผสมใหม่และที่มีอยู่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นรายการโลหะผสมในปัจจุบันจึงยังไม่ครบถ้วนสมบูรณ์
นอกจากนี้ โลหะผสมจำนวนมากในปัจจุบันได้เข้าสู่ขั้นตอนการพัฒนาแล้วเท่านั้น และอาจยังไม่มีคุณสมบัติครบถ้วนสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศโดยใช้กระบวนการผลิตสารเติมแต่งเฉพาะ โดยที่ L-PBF, LP-DED และ AW-DED เป็นพื้นที่ที่มีการศึกษามากที่สุด
ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตสารเติมแต่งที่ใช้ วัสดุตั้งต้นจะแตกต่างกันไปตามผงผสมล่วงหน้า (มักผลิตโดยการทำให้เป็นละอองของแก๊ส) ลวด แผ่น หรือแท่งแข็ง แม้ว่าจำนวนของโลหะผสมที่มีจำหน่ายจะมีจำกัดเมื่อเทียบกับโลหะผสมที่ทำขึ้นเอง แต่ก็ยังมีโลหะผสมสำหรับการบินและอวกาศที่เป็นที่นิยมและเป็นที่รู้จักทั่วไปและเป็นที่รู้จักมากมาย โดยมีข้อแม้ที่ระดับวุฒิภาวะจะแตกต่างกันไป
ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นพื้นฐาน
ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนผสมหลักได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายบนแพลตฟอร์ม AM-Additive Manufacturing และ Inconel 625 และ Inconel 718 ถูกนำไปใช้งานหลายประเภท ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลและเหล็กได้รับการคัดเลือกเนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิและความดันสูงและมักใช้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย (ทนต่อการกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดชัน)
ซูเปอร์อัลลอยที่มีธาตุเหล็ก เช่น A-286, JBK-75 และ NASA HR-1 มักใช้ในการใช้งานไฮโดรเจนแรงดันสูง เช่น เครื่องยนต์จรวด เพื่อลดความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการแตกตัวของไฮโดรเจนในสิ่งแวดล้อม (ฮี). นอกจากนี้ superalloys เหล่านี้ยังมีความต้านทานการคืบคลานสูง การรวมกันของคุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อากาศยานสมัยใหม่ได้อย่างมาก
ซูเปอร์อัลลอยเป็นโลหะสำคัญในการผลิตส่วนประกอบจำนวนมากในเครื่องยนต์กังหันก๊าซแรงดันสูง ซึ่งรวมถึง สันดาป เทอร์ไบน์ ตัวเรือน ดิสก์ และใบมีด
การใช้งานที่อุณหภูมิสูงและต่ำอื่นๆ ได้แก่ วาล์วสำหรับเครื่องยนต์จรวดของเหลว เครื่องจักรเทอร์โบ หัวฉีด เครื่องจุดไฟ และท่อร่วมไอดี ปัจจุบัน เครื่องยนต์อากาศยานขั้นสูงกว่าร้อยละ 50 โดยน้ำหนักประกอบด้วยซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก
โลหะผสมไททาเนียม
อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักเป็นตัวชี้วัดหลักอีกประการหนึ่ง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโลหะผสมไทเทเนียมจึงมีประโยชน์ ไททาเนียมอัลลอยด์ถูกรวมเข้ากับการใช้งานด้านอวกาศอย่างมาก - ให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมและการใช้อุณหภูมิปานกลาง - และได้รับความสนใจอย่างมากในการผลิตสารเติมแต่ง
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Ti-6Al-4V เป็นโลหะผสมทั่วไปสำหรับล้อลงจอด, กรอบแบริ่ง, เครื่องจักรที่หมุนได้, จานและใบพัดของคอมเพรสเซอร์, ถังเชื้อเพลิงขับเคลื่อนด้วยความเย็น และส่วนประกอบด้านการบินและอวกาศอื่น ๆ อีกมากมาย Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) ใช้ในใบพัดคอมเพรสเซอร์และเครื่องจักรที่หมุนได้ ในขณะที่ไทเทเนียมอลูมิไนด์ ( -TiAl) ถูกใช้อย่างแข็งขันในใบพัดกังหัน .
อลูมิเนียมอัลลอยด์
แม้ว่าจะอ่อนกว่าไททาเนียมอัลลอยด์ แต่อลูมิเนียมอัลลอยด์มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีและเป็นตัวเลือกวัสดุด้านการบินและอวกาศทั่วไป (และเป็นที่ยอมรับ) ตามข้อมูลของ 3D Science Valley โลหะผสมอะลูมิเนียมที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเพิ่มเนื้อ ได้แก่ ซีรีส์ 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx และ 7xxx ที่อิงตามองค์ประกอบการผสม ซึ่งส่วนใหญ่ผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการผลิตสารเติมแต่งแบบโซลิดสเตตและสามารถใช้ได้ ในกระบวนการ AFS-D และ UAM เพื่อประมวลผล
โลหะผสมอลูมิเนียมได้รับการพัฒนาเพื่อลดการแตกร้าวของกระบวนการโดยกระบวนการพิมพ์ 3 มิติของโลหะหลอมเหลวที่เป็นผง -PBF และกระบวนการหลอม DED โลหะสะสมพลังงานโดยตรง - กระบวนการหลอม DED รวมถึง AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy ฯลฯ อย่างไรก็ตาม อะลูมิเนียมอัลลอย ยังมีข้อเสียอยู่หลายประการเนื่องจากประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงไม่ดี ปัญหาการซ่อมรอยเชื่อม และโดยทั่วไปแล้วจะมีความต้านทานความเครียดต่ำ การแตกร้าวจากการกัดกร่อน และความท้าทายอื่นๆ
สแตนเลส
เหล็กกล้าไร้สนิมมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดี ทนต่ออุณหภูมิสูง และต้นทุนที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับไททาเนียมหรือซูเปอร์อัลลอย ดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบเครื่องบินและยานอวกาศ เหล็กกล้าไร้สนิมมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง ทนต่อการเกิดออกซิเดชัน และทนต่อการสึกหรอในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม
เหล็กกล้าไร้สนิมใช้ในระบบเครื่องยนต์และไอเสีย ส่วนประกอบไฮดรอลิก เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ระบบเกียร์ลงจอด และข้อต่อโครงสร้าง เหล็กยังใช้ในส่วนประกอบอากาศยาน เช่น บานพับ ตัวยึด เกียร์ลงจอด และส่วนประกอบอื่นๆ บนเครื่องบิน สเตนเลสและเหล็กกล้าชนิดพิเศษหลายชนิดมักใช้กับ AM รวมถึงออสเทนนิติก (เช่น 316L) และการชุบแข็งแบบตกตะกอน (PH) อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อดีเหล่านี้ เหล็กค่อนข้างหนาแน่น ดังนั้นการใช้งานจึงจำกัดเฉพาะการลดมวลของระบบ เหล็กไม่เป็นที่นิยมในการผลิตสารเติมแต่ง เนื่องจากโลหะผสมบางชนิดมีแนวโน้มที่จะแตกร้าว และสามารถขึ้นรูปได้ง่ายด้วยเทคนิคดั้งเดิม และมักใช้ในส่วนประกอบที่ซับซ้อนน้อยกว่า
โลหะผสมนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล (เช่น ความต้านทานการคืบ ความต้านทานแรงดึง ความสมบูรณ์ของโครงสร้างจุลภาค) ที่อุณหภูมิสูงมาก โลหะผสมดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงสัญญาในส่วนประกอบโลหะสำหรับกังหันก๊าซ เครื่องยนต์จรวด เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และการใช้งานที่อุณหภูมิสูงอื่นๆ อย่างไรก็ตาม กระบวนการผสมทางกลแบบดั้งเดิมในการผลิตโลหะผสมดังกล่าวนั้นไม่มีประสิทธิภาพ ใช้เวลานาน และมีค่าใช้จ่ายสูงอย่างมาก และการพิมพ์ 3 มิติเป็นการเปิดทางลัดเพื่อให้ได้โลหะผสมดังกล่าว
วัสดุ ODS-MEA ของ NASA ได้รับการประมวลผลด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D โลหะ L-PBF ที่หลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกได้ โลหะผสมสามารถประดิษฐ์เป็นรูปทรงที่ซับซ้อนและทนต่อการแตกร้าวจากความเครียดและการแยกเดนไดรต์
กระบวนการของ NASA ได้รับการแสดงเพื่อสร้างส่วนประกอบที่มีอายุการใช้งานการแตกร้าวที่ดีขึ้น 10 เท่าที่ 1100 องศาและแข็งแกร่งกว่าชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติในปัจจุบันถึง 30 เปอร์เซ็นต์ โลหะผสม ODS-MEA ใหม่สามารถค้นหาการใช้งานที่ใช้โลหะผสม ODS อยู่ในปัจจุบัน (เช่น โลหะผสมที่เกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูง) รวมถึงสำหรับการผลิตพลังงาน การขับเคลื่อน (จรวด เครื่องยนต์ไอพ่น ฯลฯ) การใช้พลังงานนิวเคลียร์ การขุดและซีเมนต์ อุตสาหกรรมการผลิต อุปกรณ์การผลิต ส่วนประกอบกังหันก๊าซ (การเพิ่มอุณหภูมิอากาศเข้าเพิ่มประสิทธิภาพ) และอื่นๆ
ซูเปอร์อัลลอยที่มีโคบอลต์เป็นองค์ประกอบหลัก โลหะผสมทองแดง
สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงซึ่งไม่ต้องการการนำความร้อนสูง สามารถใช้โลหะผสมที่มีโคบอลต์ (รวมถึง CoCr และ Stellite) ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อการนำความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ โลหะผสมของทองแดงก็มาก่อน ค่าการนำความร้อนสูงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน สำหรับการใช้งานจรวด ฟลักซ์ความร้อนสูงสุดจะเกิดขึ้นภายในส่วนประกอบห้องขับดัน ดังนั้นบริเวณนี้เป็นบริเวณที่มีแรงดันสูง ในทางกลับกัน โลหะผสมทองแดงที่ใช้ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ต้องการความแข็งแรงสูงและการนำความร้อนสูง (ในขณะที่เป็นไปตามข้อกำหนดความเข้ากันได้ของวัสดุกับจรวดที่เลือก)
โลหะผสมทองแดง AM-AM ทั่วไปที่มีชื่อเสียง ได้แก่ GRCop-42, GROp-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) และ GlidCop
อื่นๆ
การผลิตแบบเติมเนื้อสามารถสร้างโลหะไบเมทัลลิกและโลหะหลายเมทัลลิกแบบกำหนดเองได้ สามารถเพิ่มวัสดุแยกกันได้ในการออกแบบเพื่อปรับคุณสมบัติทางความร้อนหรือโครงสร้างให้เหมาะสมที่สุด ผลิตภัณฑ์สามารถประดิษฐ์ขึ้นด้วยแจ็คเก็ตโครงสร้าง หน้าแปลน บอส หรือคุณสมบัติอื่นๆ เพื่อปรับน้ำหนักของระบบย่อยทั้งหมดให้เหมาะสม สิ่งเหล่านี้อาจรวมถึงการเปลี่ยนโลหะแบบไม่ต่อเนื่องหรือวัสดุที่มีการจัดระดับตามการใช้งาน (FGMs)
โลหะผสมอื่นๆ ที่สามารถใช้ในการใช้งานด้านการบินและอวกาศ ได้แก่ โลหะทนไฟ เช่น ไนโอเบียม แทนทาลัม โมลิบดีนัม รีเนียม และทังสเตน และโลหะผสมของพวกมัน C-103 ที่ใช้ไนโอเบียมพบได้ทั่วไปในการใช้งาน เช่น หัวระบายความร้อนแบบแผ่รังสี ระบบควบคุมปฏิกิริยาในอวกาศ และขอบชั้นนำของปีกที่มีความเร็วเหนือเสียง
โลหะผสมจากไนโอเบียมอื่นๆ (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) ใช้ในระบบป้องกันความร้อนของเครื่องบินและโครงสร้างแกนของเครื่องปฏิกรณ์อวกาศ
โดยทั่วไปแล้วโลหะผสมที่มีฐานเป็นแทนทาลัม (Ta10W, Ta111, Ta122) มักใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงพิเศษที่มีฤทธิ์กัดกร่อน
วัสดุทนไฟที่ใช้โมลิบดีนัมถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงพิเศษ เช่น ท่อความร้อนโลหะอัลคาไลและองค์ประกอบเชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนด้วยความร้อนจากนิวเคลียร์ โลหะผสมแบบหนักนั้นได้รับการพัฒนาน้อยกว่ามากสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ แต่มีศักยภาพในการใช้งานในเครื่องเผาไหม้ที่จุดไฟได้เองและใบพัดกังหันผลึกเดี่ยว