由难熔金属制成的3D印刷部件可以处理热量

增材制造生产的高耐热部件能够推动飞机达到极限速度

添加剂制造

利用铌等难熔金属3d打印复杂的双壁涡轮叶片的能力,为大幅提高发动机的工作温度铺平了道路。Castheon

根据美国金属学会及其ASM金属参考书,耐火金属天然存在于2,200℃以上的熔点的金属元素。英国williamhill

这些金属 - 钼,铌,钽,钨和铼 - 极其热和耐腐蚀,它们即使在高温下也保持其结构完整性。这使得它们为各种挑战性的航空航天,工业和科学用途提供了出色的选择。

一个问题是,通过传统的制造方法,例如加工和形成,难治性金属非常难以处理。在这种情况和相对较高的成本之间,耐火金属使用长期仅限于工件形状相对简单的应用,材料去除是最小的,并且更容易制造的超合金不会根据需要执行。

感谢添加剂制造业(AM)和像你这样的研究人员的努力,这一切都即将改变。

更快的航班

高于总统Castheon Inc.,AM研究,开发和生产公司总部位于加利福尼亚州的千橡胶。他解释说激光粉床融合(LPBF)解决了与耐火金属和合金相关的大多数可制造性问题。与所有金属AM技术一样,它还允许创建拓扑优化的轻质组分,其中包含多孔或晶格结构,否则将是不切实际的甚至不可能产生的。

具有熔点的金属部件的经济高效制造几乎是Inconel,Hastelloy和其他普遍的耐热超合金(HRSA)的两倍,打开了一些英国williamhill令人兴奋的可能性。较高的温度意味着更多的燃油效率和持久的燃气轮机发动机,这对商业航空和发电行业具有主要重要性。

但是,高度超声波旅行的潜力,高速公路之一,以自2016年成立本公司以来,高高的项目一直在努力。

“美国宇航局,美国空军,其他机构长期以来对商业和军事用途的持续超音速飞行感兴趣,”高。“直到公平地,最近,不可能将耐火金属制成到支持马赫5及以上速度所需的复杂形状中。”

他和他的同事们发现,金属AM不仅可以产生这些形状,而且铌基合金比其锻造的同类合金更稳定。他说,在1300摄氏度的温度下,它们的抗拉强度要高出1.8倍。其他难熔金属,如钨和铼,也有类似的好处。

很难做

高遇到在这个利基市场取得成功的途径上遇到了挑战。他叫做耐火金属合金的生产,粉扑“噩梦”,导致成本高,材料稀缺。他说,3D打印它们也是非常具有挑战性的,因为狭窄的操作窗口和“独特的晶粒控制机制”,他说。

喷气发动机

这种钽喷嘴段是为U.K.空间机构项目制作的。H.C.斯塔克

无论如何,这些独特的金属远远优于他们的HRSA替代品,而GAO则相信他们的使用将增加,因为原材料价格下降,更多的人获得打印所需的知识。

Faith Oehlerking同意这些观点。英国williamhill耐火金属制造商和零部件制造商的增材制造研发工程师H.C.斯塔克的解决方案,冷水,密歇根州,她花了她的日子解锁了3D打印钨,钽等元素的谜团。像Gao,Oehlerking和H.C.Starck团队使用Renishaw的LPBF技术来帮助她做到这一点。Starck还在通过与Exone的协同布置提供的粘合剂喷射3D打印机上建造耐火金属部件和测试优惠券。

一些挑战钼,钨,钽和铌存在来自其身体中心的立方体结构。Oehlerking解释说,它们具有韧性至脆的转变温度(DBTT)。钼和钨等金属具有非常高的DBTT,可导致成品组分中的应力积聚和微裂纹。

对于锻造材料,可以通过冷加工等热机械过程来缓解这些失效模式,但对于3d打印组件来说,这是不切实际的。解决方法是用铼、镍和铁等元素使难熔金属基体合金化,以降低金属的DBTT和减少应力。

“我们正在这一领域进行大量的研究,同时也在评估不同的印刷策略和技术,”Oehlerking说。“例如,加热建造板是减少开裂的常见策略,一些机器可以达到500摄氏度或更高。这有可能缓解从液体到固体的转变,特别是在具有更高DBTT的钼和钨上。”

Oehlerking表示,建造室或粉末中的氧气可能进一步增加DBTT和微裂纹的氧气可能进一步增加金属的DBTT和微裂纹,因此也很重要。“拥有高质量的原料和良好的氛围控制,对印刷耐火金属的成功势在所决。”

然而,即使不可能消除微裂纹及其造成的结构完整性损失,难熔金属仍然发挥着重要作用。

例如,钨广泛用于X射线和CT扫描仪中发现的抗散射网格准直器,这不会看到与航空航天和军用应用中的相同水平的机械负载。耐火金属也表现出优异的导热率和低的热膨胀系数,使它们适合于热交换器和用于种植蓝宝石的坩埚。

STAR-Bound

斯塔克参与的一个项目是为英国航天局打印一个电阻喷射喷嘴部分,该项目要求大多数难熔金属具有优异的结构完整性。该项目被称为超高温添加剂制造的电阻喷射机(STAR)。(电阻式喷气发动机是一种简单的电力推进系统,通过加热液体来产生推力。

由于其低DBTT和高耐温性,为卫星组分选择钽和钽 - 钨合金(TA10W),卫星部件是在超过3,000摄氏度的温度下表现出一致的电导率,极端拉伸强度和最小的变形。。

耐火金属

这个反应控制系统的推进器是用铌合金3d打印出来的。Castheon

使用3D打印合作伙伴Hieta Technologies的Renishaw AM400 LPBF打印机,测试了各种构建参数,以实现两种材料的99.95%密集优惠券。然后应用这些设置以产生薄壁喷嘴段的原型。就像这种写作一样,这些部件正在通过H.C进行在内部进行评估。Starck解决方案和英格兰南安普敦大学。

Metal AM为像这样的难熔金属开发项目带来了不可思议的灵活性,以及创建定制合金混合物的能力。不像大多数制造商,必须将不同的金属粉末混合在一起,以实现所需的性能,Starck可以雾化自己的金属粉末。

根据Oehlerking,这些“预合金化”金属在3D打印时提供更好的一致性。“我们有一堆不同的金属可用,并且始终发展更多,”她说。“例如,存在钛 - 锆 - 钼,这是一种受欢迎的医疗合金。但还有钼 - 镧,钨 - 铼和铌的合金C-103,你将高王用来用于他的很多工作。

“在难熔金属和3D打印之间,这里的潜力是巨大的,特别是在航空航天和国防部门。我们真的刚开始了,“Oehlerking说。

关于作者

kip hanson.

Kip Hanson是一位自由撰稿人,拥有超过35年的工作和写作制造业。他住在阿里兹图森。