美国空军理工学院开发用于3D打印弹药的高强度钢

来源: 魔猴网

美国空军理工学院(AFIT)开发了一种用于武器应用的高性能3D打印钢AF-9628。由Erin Hager上尉领导,并由空军研究实验室(AFRL)弹药理事会赞助,这种粉末床熔合(PBF)技术使得钢的生产具有比传统AM合金更高的拉伸强度。使用这种方法生产3D打印的复杂弹药,然后进行测试,为更轻的弹药铺平道路。

美国空军理工学院开发用于3D打印弹药的高强度钢

用AF-9628粉末印刷各种零件后,上尉Erin Hager分析了产生的孔隙率,强度和冲击韧性照片来自空军理工学院。


空军级钢AF-9628


AF-9628由AFRL的Rachel Abrahams博士开发,是一种具有高强度和韧性的钢合金。在最初的开发中,AF-9628被用来制造具有所需爆炸轮廓的掩体炸弹。与HP-9-4-20(一种用于Massive Ordnance Penetrator武器系统的钢)相比,AF-9628是独一无二的,因为它不含钨。      尽管AF-9628的配方比传统弹药中使用的普通牌号贵,但其成本却低于其他高性能钢合金,包括Eglin Steel和HP-9-4-20。对于这些吸引人的特性,特别是其高强度,研究实验室确定AF-9628是增材制造的最佳材料。        3D打印越来越多地融入军队的运作中。此前,空军利用该技术为传统飞机打印低成本替换零件。在美国陆军,3D打印已被用于按需生产工具和备件。美国陆军研究实验室(ARL)有多项技术进步计划,包括使用空军钢合金AF96粉末为地面车辆3D打印高强度备件。

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3D打印钛合金零件为研究人员提供了高强度,耐热性能。照片来自美国陆军/大卫麦克纳利。


粉末床熔合钢合金


合金的粉末床熔合一直是具有挑战性的。这是某些合金不会熔化并且在形成零件时易于破裂的结果。在确定AF-9628是否可打印时,Hager专注于首先表征粉末的形状和大小,然后研究并确定它是如何随着熔化和筛分而变化的。在AFIT的扫描电子显微镜下进行检查。后来,代顿大学研究所使用尺寸表征光学显微镜进行了性能测试。一旦Hager确定金属粉末在机器中可预测地熔化,就会产生实际的测试物品。在对各种零件进行3D打印后,Hager分析了所得的孔隙率,强度和冲击韧性。       令Hager惊讶的是,她的3D打印合金零件表现出良好的机械性能,没有开裂迹象。满足所需的10%伸长率,表明强度增加而不变脆。事实上,输出与传统的锻造和热处理AF-9628零件非常相似。

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Erin Hager上尉将粉末状的AF-9628钢倒入粉末床熔接机中。照片来自空军理工学院。


3D打印弹药


在成功地3D打印简单零件之后,他们尝试了更复杂的设计,例如几个复杂的抛射物。在AFIT使用两台机器,Hager 3D打印了约130个零件,包括30个小圆柱,60个大圆柱,20个拉伸条和20个冲击试样。       Hager制造的零件适用于武器应用。虽然测试的粗糙度和孔隙率在功能部件中并不理想,但是注意到这些性能适合作为一次性物品的弹药的部件。结果还表明,在极限拉伸强度方面,用AF-9628加成制造的部件比传统AM合金强约20%。增材制造允许武器工程师只在需要的地方对弹药施加重量。根据Hager的说法,这最终“可以使更轻的弹药变得更加深入,因此飞机可以携带更多的武器。”目前,AF-9628粉末只能以非常小的批量生产。       现在,AFRL的弹药管理局领导了涉及3D打印弹药的进一步研究工作。该局旨在制造具有精确控制碎片和爆炸压力剖面的弹药,以最大限度地减少附带损害。

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AF-9628粉末加工制造零件的热成像。 照片来自空军理工学院。


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