Grâce aux techniques de fabrication traditionnelles, des milliers d'alliages peuvent être usinés. Pour la technologie d'impression 3D métallique, le nombre de matériaux disponibles est extrêmement limité, et il n'a pas des décennies d'expérience de traitement et d'utilisation comme le traitement traditionnel. De plus, les composants aérospatiaux nécessitent souvent des caractéristiques critiques conçues pour des seuils extrêmement faibles pour une utilisation dans des environnements difficiles (hautes pressions, fluides corrosifs ou températures aussi basses que -252 degrés à des températures élevées supérieures à 1000 degrés), et ces composants ont besoin pour fonctionner en toute sécurité et fiabilité pendant des milliers d'heures à des cycles à haute fréquence. En conséquence, des exigences strictes sont imposées aux alliages choisis pour les composants d'utilisation finale.
Les métaux requis pour la fabrication additive aérospatiale comprennent 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 ingénieurs de la NASA ont résumé 53 alliages adaptés à la fabrication additive métallique sur la base des recherches actuelles et des applications industrielles, couvrant presque tous les types de processus actuels, de la fusion à la formation à l'état solide. Certains de ces alliages sont dérivés de matériaux d'usinage traditionnels et continuent d'être utilisés pour fabriquer des composants aérospatiaux. De nouveaux matériaux et des alliages existants sont constamment développés et optimisés. Il y a encore beaucoup de place pour l'expansion dans les types de matériaux résumés. De nombreux alliages n'ont atteint que le stade de développement et peuvent ne pas être entièrement compatibles avec l'industrie aéronautique utilisant des procédés de fabrication additive spécifiques. Exigences des applications aérospatiales.
Selon le procédé de fabrication additive utilisé, la matière première peut être classée en poudre pré-alliée (généralement produite par atomisation au gaz), en fil, en tôle ou en tige pleine, etc. Si le nombre de matériaux disponibles est limité par rapport aux alliages corroyés, il existe encore de nombreux alliages aérospatiaux à haute température et populaires couramment utilisés et bien connus, avec différents niveaux de maturité.
Les superalliages à base de nickel et de fer sont davantage utilisés en raison de 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 nickel sont largement utilisés dans l'impression 3D, l'In625 et l'In718 étant les plus importants pour de nombreuses applications. 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) et peuvent réduire les risques associés à fragilisation du milieu hydrogène. De plus, ces superalliages ont une résistance élevée au fluage, une combinaison de propriétés qui contribuent à augmenter considérablement l'efficacité des moteurs d'avions modernes. Les superalliages sont des matériaux clés dans la fabrication de nombreux composants tels que les chambres de combustion des turbines à gaz haute pression, les turbines, les carters, les disques et les aubes. D'autres applications à haute et basse température incluent les vannes, les turbines, les injecteurs, les allumeurs et les collecteurs pour les moteurs de fusée à liquide. Actuellement, plus de 50 % de la masse des moteurs d'avions avancés est constituée de superalliages à base de nickel.
Le rapport résistance/poids est un autre indicateur clé, et les alliages de titane ont été largement utilisés dans le domaine aérospatial en raison de leurs excellentes caractéristiques de résistance à la corrosion et à la température, ainsi que de leur excellente résistance spécifique, et ont attiré l'attention dans le domaine de la fabrication additive. . Plus précisément, le Ti6Al4V est un alliage courant pour les trains d'atterrissage, les cadres de roulement, les pièces rotatives, les disques et les aubes de compresseur, les réservoirs de propulseur cryogénique et de nombreux autres composants aérospatiaux. Le Ti6242 peut être utilisé pour les aubes de compresseur et les pièces de machines tournantes, et les alliages TiAl peuvent être utilisés pour ces aubes de turbine.
Bien que moins résistants que les alliages de titane, les alliages d'aluminium ont un bon rapport résistance/poids et sont un matériau aérospatial courant et mature. Les alliages d'aluminium pour 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 peuvent être fabriqués à l'aide de procédés de fabrication d'additifs à l'état solide tels que le soudage par friction-malaxage et le soudage par ultrasons. Les alliages d'aluminium utilisent actuellement des procédés de lit de poudre et de dépôt d'énergie pour réduire la fissuration, et les types imprimables incluent AlSi10Mg, F357, A205, 7A77, 6061-RAM2, Scalmalloy, etc. Cependant, les alliages d'aluminium présentent également de nombreux inconvénients, tels qu'une faible haute Les performances en température, les problèmes de réparation de soudage et la faible résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte des alliages d'aluminium à haute résistance sont également courants.
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 la fabrication de 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 et peut être utilisé dans la fabrication de moteurs et de systèmes d'échappement, de composants hydrauliques, d'échangeurs de chaleur, de systèmes de trains d'atterrissage et de joints structurels. Dans le secteur aérospatial, des charnières, des fixations, des trains d'atterrissage et d'autres composants d'aéronefs sont fabriqués. Les aciers inoxydables qui peuvent être utilisés pour l'impression 3D de métal comprennent l'acier austénitique 316L et l'acier à durcissement par précipitation 17-4PH, entre autres. Malgré ses nombreux avantages, l'acier est relativement dense et facile à former par les techniques conventionnelles, et l'utilisation de la fabrication additive métallique pour fabriquer des pièces en acier inoxydable a des applications limitées dans l'aérospatiale.
La fabrication additive ne doit pas nécessairement se limiter à un seul métal, elle peut créer des structures bi-métalliques et multi-métalliques sur mesure. Des matériaux peuvent être ajoutés discrètement à la conception pour optimiser les propriétés thermiques ou structurelles, telles que la forme des enveloppes structurelles, des brides, des bossages ou d'autres caractéristiques pour optimiser le poids de l'ensemble du sous-système. De plus, des matériaux de transition métallique ou à gradient fonctionnel peuvent également être fabriqués.