Flygvapnet testar material som producerats genom tillverkning av keramiska additiv för att främja deras potentiella framtida användning i hypersoniska flygfordon.

Forskare vid Air Force Research Laboratory Aerospace Systems Directorate ingick nyligen ett samarbetsavtal för forskning och utveckling – materialöverföring med HRL Laboratories för att testa additivt tillverkade kiseloxikarbidmaterial (SiOC). Den geometriska komplexiteten hos komponenter som kan produceras genom additiv tillverkning i kombination. med den eldfasta karaktären hos keramer rymmer en enorm potential för en mängd olika framtida flygvapentillämpningar. En sådan möjlig tillämpning är hypersonisk flygning, som utsätter material för extrema miljöer inklusive höga temperaturer.

Potentialen hos de HRL-producerade materialen för krävande flygvapentillämpningar blev uppenbar medan forskare från Aerospace Systems Directorate letade efter nya termoelementstrålningssköldar. SiOC-materialen producerades genom en additiv tillverkningsprocess med användning av ett förkeramiskt harts. Efter tillverkning av delar, det förkeramiska hartset värmebehandlades för att omvandla komponenten till ett helt keramiskt tillstånd. AFRL-forskare blev intresserade av HRL:s nya process med fördel av toppmoderna 3D-utskriftsmöjligheter och pre-keramisk hartskemi samt möjliga prestanda för de sista SiOC-materialen vid höga temperaturer.

"Om ett material tål dessa temperaturer - ungefär 3, 200 grader Fahrenheit – den kan användas för hypersoniska flygplansmotorkomponenter som fjäderben eller flamhållare, " sa Jamie Szmodis, en hypersonisk forskningsingenjör vid Aerospace Systems Directorate.

Hypersonisk flygning är ett övertygande studieområde för den amerikanska och internationella flygindustrin. Nuvarande flygplan flyger i överljudshastigheter, över 768 miles i timmen, eller MACH 1. Om det uppnås, hypersonisk kamp, det vill säga hastigheter över 5 Mach, skulle möjliggöra mycket snabbare militära svarstider, mer avancerade vapen och drastiskt minskade restider för militära och kommersiella sektorer med hastigheter över 4, 000 miles i timmen.

CRADA-MTA, en typ av tekniköverföringsavtal som möjliggör överföring av material för testning, var avgörande för att underlätta ett arbetsförhållande mellan AFRL och HRL för att testa materialet.

"Utan avtalet om materialöverföring, vi skulle ha köpt proverna för att testa dem. Vi skulle ha varit kund, i motsats till en samarbetspartner, ", sa Szmodis. "Med avtalet kan vi ge testresultat till HRL och ge feedback som är värdefull för båda parter."

Enligt avtalet fick direktoratet 5 termoelementstrålningssköldar och 15 provcylindrar tillverkade av SiOC-hartset. För att genomföra testerna, Szmodis etablerade ett litet team av forskare från flera direktorat och specialiteter. Forskare från AFRL material- och tillverkningsdirektorat, Structural Materials Division, Sammansatt gren, ledd av Dr Matthew Dickerson, genomfört materialanalyser och värmebehandlingar. Direktoratet för flygsystem, Aerospace Vehicle Division, Strukturell validering Branchforskare, ledd av Bryan Eubanks, utfört mekanisk analys med fokus på termisk expansionsanalys vid temperaturer från 500 – 3, 500 grader Fahrenheit. Dessutom, forskare vid Arnold Engineering Development Complexs Propulsion Research Facility utförde analys av materialets egenskaper i en högentalpi-instrumenteringstestanläggning.

En slutrapport av resultaten slutfördes i mars och levererades till HRL. Under loppet av deras samarbetsstudie, AFRL och HRL pressade de extra tillverkade komponenterna långt bortom deras designkuvert. De data som framkom från denna extrema testning gav partnerna värdefull information som för närvarande används för att styra produktionen av nästa generations additivt tillverkad keramik. Dessa rekommendationer och ytterligare framsteg från HRL har potential att producera material som kan uppfylla hypersoniska krav.

"Den extrema temperaturprovningen som AFRL utförde avslöjade gränserna för vårt nya material och utmanade oss att förbättra det, " sa Dr. Tobias Schaedler, en senior forskare från HRL.