2020 markerer starten på et nyt årti med rumudforskning og innovation, hvor nikkelholdige legeringer spiller en vigtig rolle i mange applikationer, herunder raket-, hjul- og katalysatorfremstilling.
SpaceX, et firma dedikeret til fremstilling af rumfartsudstyr og gentagelig rumtransport, bruger et nikkelholdigt 304 (S30400) rustfrit stål til at fremstille rumskibe og supertunge raketter.
Omkostningerne er lavere sammenlignet med kulfiber, som koster mere end 60 gange mere pr. kilo. Det er også meget mere varmebestandigt end kulfiber eller andre metaller, så det kræver langt mindre, eller muligvis endda, isolering.
I mellemtiden udforsker NASA en anden potentiel anvendelse for nikkelholdige materialer i sondehjul. Gummihjul er upraktiske på månen eller Mars, så de originale Apollo måne-roverhjul var lavet af fjederstål, men fjederstålhjulene på store og tunge hjul designet til brug på Mars ville deformeres. For at løse dette problem er NASA ved at udvikle et metalnet-dæk lavet af nikkel-titanium-legering, som har formhukommelsesegenskaber og kan klare 30 gange deformationen af et fjederstålhjul.
SpaceX-stjerneskibet er udstyret med en Raptor-raketmotor og er et af de første rumskibe drevet af flydende metan og flydende ilt og er designet til at holde til 1,000 brug. Metan blev valgt til at lave raketbrændstof på Mars til hjemrejsen. Metan kan fremstilles ved at bruge kuldioxid og brint gennem Chabatier-reaktionen, hvor brint reagerer med kuldioxid gennem en katalysator ved høj temperatur (optimal temperatur er 300-400 grad ) og højt tryk for at generere metan og vand. En sådan katalysator, der kan anvendes, er nikkel.
Mars-atmosfæren består af 95 procent kuldioxid, og NASA har bekræftet tilstedeværelsen af vand på Mars, de råmaterialer, der er nødvendige for at generere metan og ilt til raketforstærkere og ilt for astronauter at trække vejret. Nikkelholdige materialer kræves også af den røde planets lavere omgivende temperatur og de lave temperaturer, der kræves for at generere flydende metan, brint og oxygen.
Nikkel-kobber legering K-500 (N05500)har fremragende duktilitet ved lave temperaturer og er flammebestandig i ren ilt. Dette gør den til det foretrukne valg for en iltboosterpumpe, der leverer ilt til raketmotorer.
Med sin høje styrke og sejhed,Legering 718 (N07718)er en udfældningshærdelig nikkel-chrom-legering, der bruges i turbojetfly, raketmotorer og trykbeholdere, og kan håndtere lave temperaturer ned til -250 grad flydende gas og opnå boost. Men egenskaberne af legering 718 gør det sværere at bearbejde og forme end andre materialer. Investeringsstøbeprocesser kan være problematiske, fordi Alloy 718 er modtagelig for porøsitet, segregation og ekstremt grov kornstørrelse, hvilket nødvendiggør efterfølgende forarbejdningstrin.
Hvad er løsningen? 3D-print kan mere effektivt udnytte nikkel-baserede legeringer såsom 718-legeringer i højtydende applikationer med komplekse designs.
3D-print gør det nemmere at behandle legering 718 og bevarer materialeegenskaberne godt. Processen undgår svejsning og bearbejdning og reducerer dermed materialespild betydeligt. Fordelene ved denne fremstillingsmetode blev demonstreret ved 3D-print af en prototype af en 718 legeret raketmotor. Prototypen blev designet udelukkende gennem kunstig intelligens og udviklet af Hyperganic Software i Tyskland.
I modsætning til konventionelle raketmotorer, som består af individuelt designede og sammensatte komponenter, er den 3D-printede prototype en sammenhængende helhed. Den indeholder forbrændingskammeret, hvor brændstof og oxidant brænder, og overfladekanaler, der cirkulerer brændstoffet for at afkøle forbrændingskammeret og undgå overophedning. Den monolitiske konstruktionsmetode garanterer den letteste vægt og den mest effektive køling for den bedste ydeevne af en given raket. Vulcan II-raketprojektet ved University of California, San Diego, bruger også 3D-print til at lave Ignus II 718 legeret raketmotor. For hver ny anvendelse i fremtiden vil nikkel hjælpe udforskningen af rummet med at gå længere.
