La FA-Additive Manufacturing propose une production aérospatiale à haut volume de composants très complexes autrement impossible avec les techniques de fabrication traditionnelles. Bien qu'il existe de nombreux exemples dans de grandes entreprises aérospatiales et de nombreuses start-ups, l'impression 3D par fusion sélective de métal au laser L-PBF est actuellement le processus le plus dominant, suivi du DED (y compris LW-DED et LP-DED).
Alliages AM courants pour les applications aérospatiales
Le choix de métaux pour les besoins de la fabrication additive aérospatiale s'est élargi pour inclure les alliages d'aluminium, les aciers inoxydables, les alliages de titane, les superalliages à base de nickel et de fer, les alliages de cuivre et les alliages réfractaires.
Les racines de certains de ces alliages remontent aux méthodes d'usinage traditionnelles et continuent d'être utilisées dans les composants aérospatiaux. Des alliages nouveaux et existants sont constamment développés, de sorte que la liste actuelle des alliages n'est pas exhaustive.
De plus, de nombreux alliages actuels n'ont atteint que le stade de développement et peuvent ne pas être pleinement qualifiés pour les applications aérospatiales utilisant des procédés de fabrication additive spécifiques, où L-PBF, LP-DED et AW-DED sont les domaines les plus étudiés.
Selon le procédé de fabrication additive utilisé, la matière première varie de la poudre pré-alliée (généralement produite par atomisation au gaz), du fil, de la feuille ou de la tige solide. Bien que le nombre d'alliages disponibles soit limité par rapport aux alliages corroyés, il existe encore de nombreux alliages aérospatiaux à haute température et populaires courants et bien connus, avec la mise en garde que les niveaux de maturité varient.
Superalliages à base de nickel
Les superalliages à base de nickel sont très populaires sur les plates-formes de fabrication additive AM, et l'Inconel 625 et l'Inconel 718 sont utilisés dans de nombreuses applications. Les superalliages à base de nickel et de fer ont été choisis pour leurs excellentes propriétés mécaniques à hautes températures et pressions, et sont souvent utilisés dans des environnements sévères (résistance à la corrosion et à l'oxydation).
Les superalliages à base de fer tels que A-286, JBK-75 et NASA HR-1 sont couramment utilisés dans les applications d'hydrogène à haute pression telles que les moteurs de fusée pour réduire les risques associés à la fragilisation de l'environnement par l'hydrogène (HEE). De plus, ces superalliages présentent une résistance élevée au fluage. La combinaison de ces propriétés contribue à augmenter considérablement l'efficacité des moteurs d'avions modernes.
Les superalliages sont des métaux clés dans la fabrication de nombreux composants des moteurs à turbine à gaz haute pression, notamment la chambre de combustion, la turbine, le carter, les disques et les aubes.
D'autres applications à haute et basse température incluent les soupapes pour les moteurs de fusée à liquide, les turbomachines, les injecteurs, les allumeurs et les collecteurs. Actuellement, plus de 50 % du poids des moteurs d'avion avancés sont composés de superalliages à base de nickel.
Alliage de titane
Le rapport résistance/poids est une autre mesure clé, c'est pourquoi les alliages de titane sont pratiques. Les alliages de titane sont fortement intégrés dans les applications aérospatiales - offrant une excellente résistance à la corrosion et une utilisation à température modérée - et ont fait l'objet d'un vif intérêt dans la fabrication additive.
Plus précisément, le Ti-6Al-4V est un alliage courant pour les trains d'atterrissage, les cadres de roulement, les machines tournantes, les disques et les aubes de compresseur, les réservoirs de propulseur cryogénique et de nombreux autres composants aérospatiaux. Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti6242) est utilisé dans les aubes de compresseur et les machines tournantes, tandis que l'aluminiure de titane (-TiAl) est activement utilisé dans les aubes de turbine .
Alliage d'aluminium
Bien que plus faibles que les alliages de titane, les alliages d'aluminium ont un bon rapport résistance/poids et sont un choix de matériau aérospatial courant (et bien établi). Selon 3D Science Valley, les alliages d'aluminium utilisés dans la production de pièces fabriquées de manière additive comprennent les séries 1xxx, 2xxx, 4xxx, 6xxx et 7xxx basées sur des éléments d'alliage, dont beaucoup sont fabriqués à l'aide de procédés de fabrication additive à l'état solide et peuvent être utilisés dans le processus AFS-D et UAM à traiter.
Des alliages d'aluminium ont été développés pour réduire la fissuration du processus par le processus d'impression 3D de métal en fusion sur lit de poudre - PBF et le processus de fusion d'impression 3D de métal par dépôt d'énergie dirigée - DED, y compris AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061- RAM2, Scalmalloy, etc. Cependant, les alliages d'aluminium présentent également un certain nombre d'inconvénients en raison de leurs mauvaises performances à haute température, des problèmes de réparation des soudures et généralement d'une faible résistance aux contraintes, des fissures de corrosion et d'autres défis.
Acier inoxydable
Comparé au titane ou aux superalliages, l'acier inoxydable a un bon rapport résistance/poids, une résistance aux hautes températures et un coût inférieur, il est donc largement utilisé dans les composants d'avions et d'engins spatiaux. L'acier inoxydable présente une résistance élevée à la corrosion, à l'oxydation et à l'usure dans le bon environnement.
L'acier inoxydable est utilisé dans les systèmes de moteur et d'échappement, les composants hydrauliques, les échangeurs de chaleur, les systèmes de trains d'atterrissage et les joints structurels. L'acier est également utilisé dans les composants aérospatiaux tels que les charnières, les fixations, les trains d'atterrissage et d'autres composants des avions. Une variété d'aciers inoxydables et spéciaux sont couramment utilisés avec la fabrication additive, y compris austénitique (c'est-à-dire 316L) et à durcissement par précipitation (PH). Cependant, malgré ces avantages, l'acier est relativement dense, son utilisation se limite donc à réduire la masse du système. L'acier n'est pas populaire pour la fabrication additive car certains alliages sont sujets à la fissuration, et il peut être facilement formé par des techniques traditionnelles et est souvent utilisé dans des assemblages moins complexes.
Cet alliage a été développé à l'origine pour améliorer les propriétés mécaniques (par exemple, la résistance au fluage, la résistance à la traction, l'intégrité microstructurale) à des températures extrêmes. L'alliage est prometteur dans les composants métalliques des turbines à gaz, des moteurs de fusée, des réacteurs nucléaires et d'autres applications à haute température. Cependant, les processus traditionnels d'alliage mécanique pour produire de tels alliages sont extrêmement inefficaces, longs et coûteux, et l'impression 3D ouvre un raccourci pour obtenir de tels alliages.
Le matériau ODS-MEA de la NASA est traité par la technologie d'impression 3D de métal L-PBF à fusion sélective par laser. L'alliage peut être fabriqué dans des géométries complexes et est résistant à la fissuration sous contrainte et à la ségrégation dendritique.
Il a été démontré que le processus de la NASA crée des composants avec une durée de vie à la rupture par fluage 10 fois améliorée à 1100 degrés et 30 % plus résistants que les pièces imprimées en 3D actuelles. Les nouveaux alliages ODS-MEA peuvent trouver des applications là où les alliages ODS sont actuellement utilisés (par exemple, ceux impliquant des environnements thermiques extrêmes), y compris pour la production d'électricité, la propulsion (fusées, moteurs à réaction, etc.), les applications d'énergie nucléaire et l'exploitation minière et cimentière. industries de production fabriquant des équipements, des composants de turbines à gaz (l'augmentation de la température de l'air d'admission augmente l'efficacité), et plus encore.
Superalliages à base de cobalt, alliages de cuivre
Pour les applications à haute température où une conductivité thermique élevée n'est pas requise, des alliages à base de cobalt (y compris CoCr et Stellite) peuvent être utilisés. Cependant, lorsque la conductivité thermique est une priorité, les alliages de cuivre sont mis en avant. Leur conductivité thermique élevée est naturellement adaptée aux échangeurs de chaleur. Pour les applications de fusée, le flux de chaleur le plus élevé se produit dans l'ensemble de chambre de poussée, de sorte que cette zone est celle qui subit une pression élevée. À leur tour, les alliages de cuivre utilisés dans ces environnements nécessitent une résistance élevée et une conductivité thermique élevée (tout en répondant aux exigences de compatibilité des matériaux avec le propulseur de choix).
Les alliages de cuivre AM-AM courants bien établis incluent GRCop-42, GRCop-84, C18150 (Cu-Cr-Zr), C18200 (Cu-Cr) et GlidCop.
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La fabrication additive peut créer des métaux bimétalliques et multimétalliques personnalisés. Des matériaux peuvent être ajoutés discrètement à la conception pour optimiser les propriétés thermiques ou structurelles. Les produits peuvent être fabriqués avec des chemises structurelles, des brides, des bossages ou d'autres caractéristiques pour optimiser le poids de l'ensemble du sous-système. Ceux-ci peuvent inclure des transitions métalliques discrètes ou des matériaux à gradient fonctionnel (FGM).
D'autres alliages métalliques pouvant être utilisés dans des applications aérospatiales comprennent des métaux réfractaires tels que le niobium, le tantale, le molybdène, le rhénium et le tungstène et leurs alliages. Le C-103 à base de niobium est courant dans des applications telles que les buses de refroidissement radiatif, les systèmes de contrôle de réaction spatiale et les bords d'attaque des ailes hypersoniques.
D'autres alliages à base de niobium (WC3009, C129Y, Cb752, FS-85) sont utilisés dans les systèmes de protection thermique des avions et les structures du cœur des réacteurs spatiaux.
Les alliages à base de tantale (Ta10W, Ta111, Ta122) sont généralement utilisés dans des environnements corrosifs à haute pression et à ultra haute température.
Les réfractaires à base de molybdène sont utilisés dans des applications à ultra-haute température telles que les caloducs en métal alcalin et les éléments combustibles de propulsion thermique nucléaire. Les alliages à base lourde sont beaucoup moins développés pour la fabrication additive mais ont des utilisations potentielles dans les chambres de combustion à auto-allumage et les aubes de turbine monocristallines.