2020 markerar starten på ett nytt decennium av rymdutforskning och innovation, där nickelhaltiga legeringar spelar en viktig roll i många applikationer, inklusive raket-, hjul- och katalysatortillverkning.
SpaceX, ett företag dedikerat till tillverkning av rymdutrustning och repeterbar rymdtransport, använder ett nickelinnehållande 304 (S30400) rostfritt stål för att tillverka rymdskepp och supertunga raketer.
Kostnaden är lägre jämfört med kolfiber som kostar mer än 60 gånger mer per kilo. Det är också mycket mer värmebeständigt än kolfiber eller andra metaller, så det kräver mycket mindre, eller kanske till och med, isolering.
Samtidigt undersöker NASA en annan potentiell applikation för nickelhaltiga material i sondhjul. Gummihjul är opraktiska på månen eller Mars, så de ursprungliga Apollo lunar rover-hjulen var gjorda av fjäderstål, men fjäderstålhjulen på stora och tunga hjul designade för användning på Mars skulle deformeras. För att lösa detta problem utvecklar NASA ett metallnätdäck av nickel-titanium-legering, som har formminnesegenskaper och klarar 30 gånger deformationen av ett fjäderstålhjul.
Utrustad med en Raptor-raketmotor är SpaceX Starship ett av de första Starships som drivs av flytande metan och flytande syre och är designat för att hålla i 1,000 användningar. Metan valdes för att göra raketbränsle på Mars för återresan. Metan kan framställas genom att använda koldioxid och väte genom Chabatier-reaktionen, där väte reagerar med koldioxid genom en katalysator vid hög temperatur (optimal temperatur är 300-400 grad ) och högt tryck för att generera metan och vatten. En sådan katalysator som kan användas är nickel.
Mars atmosfär är 95 procent koldioxid, och NASA har bekräftat närvaron av vatten på Mars, de råvaror som behövs för att generera metan och syre för raketboosters och syre för astronauter att andas. Nickelhaltiga material krävs också av den röda planetens lägre omgivande temperatur och de låga temperaturer som krävs för att generera flytande metan, väte och syre.
Nickel-kopparlegering K-500 (N05500)har utmärkt duktilitet vid låga temperaturer och är flambeständig i rent syre. Detta gör den till det föredragna valet för en syrgasförstärkningspump som levererar syre till raketmotorer.
Med sin höga hållfasthet och seghet,Legering 718 (N07718)är en utfällningshärdbar nickel-kromlegering som används i flygplansturbojetmotorer, raketmotorer och tryckkärl, och kan hantera låga temperaturer ner till -250 grad flytande gas och uppnå boost. Men egenskaperna hos legering 718 gör den svårare att bearbeta och forma än andra material. Investeringsgjutningsprocesser kan vara problematiska eftersom Alloy 718 är mottaglig för porositet, segregation och extremt grov kornstorlek, vilket kräver efterföljande bearbetningssteg.
Vad är lösningen? 3D-utskrift kan mer effektivt utnyttja nickelbaserade legeringar som 718-legeringar i högpresterande applikationer med komplexa konstruktioner.
3D-utskrift gör det lättare att bearbeta legering 718 och behåller materialegenskaperna väl. Processen undviker svetsning och bearbetning, vilket minskar materialspillet avsevärt. Fördelarna med denna tillverkningsmetod demonstrerades genom 3D-utskrift av en prototyp av en 718 legering raketmotor. Prototypen designades helt genom artificiell intelligens och utvecklades av Hyperganic Software i Tyskland.
Till skillnad från konventionella raketmotorer, som består av individuellt designade och sammansatta komponenter, är den 3D-printade prototypen en kontinuerlig helhet. Den innehåller förbränningskammaren där bränsle och oxidanter brinner, och ytkanaler som cirkulerar bränslet för att kyla förbränningskammaren och undvika överhettning. Den monolitiska konstruktionsmetoden garanterar den lättaste vikten och den mest effektiva kylningen för bästa prestanda hos en given raket. Vulcan II-raketprojektet vid University of California, San Diego, använder också 3D-utskrift för att tillverka Ignus II 718 legeringsraketmotorn. För varje ny applikation i framtiden kommer nickel att hjälpa rymdutforskningen att gå längre.
