L'Air Force teste des matériaux produits par fabrication additive céramique pour faire progresser leur utilisation future potentielle dans les véhicules de vol hypersoniques.

Des scientifiques de la Direction des systèmes aérospatiaux du Laboratoire de recherche de l'Air Force ont récemment conclu un accord de coopération sur la recherche et le développement - Transfert de matériaux avec les laboratoires HRL pour tester les matériaux en oxycarbure de silicium (SiOC) fabriqués de manière additive. La complexité géométrique des composants pouvant être produits par fabrication additive en conjonction avec la nature réfractaire de la céramique détient un potentiel énorme pour une variété d'applications futures de l'Air Force. Une de ces applications possibles est le vol hypersonique, qui expose les matériaux à des environnements extrêmes, y compris des températures élevées.

Le potentiel des matériaux produits par le HRL pour les applications exigeantes de la Force aérienne est devenu évident alors que les scientifiques de la Direction des systèmes aérospatiaux recherchaient de nouveaux écrans anti-rayonnement à thermocouple. Les matériaux SiOC ont été produits grâce à un processus de fabrication additive utilisant une résine pré-céramique. Suite à la fabrication des pièces, la résine précéramique a été traitée thermiquement pour convertir le composant en un état entièrement céramique. Les scientifiques de l'AFRL se sont intéressés au nouveau procédé de HRL, tirant parti des capacités d'impression 3D de pointe et de la chimie des résines précéramiques, ainsi que des performances possibles des matériaux SiOC finaux à haute température.

"Si un matériau peut résister à ces températures - environ 3, 200 degrés Fahrenheit - il pourrait être utilisé pour les composants de moteurs d'avion hypersoniques comme les jambes de force ou les porte-flammes, " a déclaré Jamie Szmodis, ingénieur de recherche hypersonique à la Direction des systèmes aérospatiaux.

Le vol hypersonique est un domaine d'étude incontournable pour l'industrie aérospatiale américaine et internationale. Les avions actuels volent à des vitesses supersoniques, plus de 768 miles par heure, ou MACH 1. Si atteint, combat hypersonique, c'est-à-dire des vitesses dépassant Mach 5, permettrait des temps de réponse militaires beaucoup plus rapides, des armes plus avancées et des temps de trajet drastiquement réduits pour les secteurs militaire et commercial avec des vitesses supérieures à 4, 000 milles à l'heure.

Le CRADA-MTA, un type d'accord de transfert de technologie qui permet le transfert de matériel pour les essais, a contribué à faciliter une relation de travail entre AFRL et HRL pour tester le matériel.

"Sans l'accord de transfert de matériel, nous aurions acheté les échantillons pour les tester. Nous aurions été client, contrairement à un collaborateur, " a déclaré Szmodis. " Grâce à cet accord, nous sommes en mesure de fournir les résultats des tests à HRL et de fournir des commentaires qui sont précieux pour les deux parties. "

En vertu de l'accord, la direction a reçu 5 écrans anti-rayonnement à thermocouple et 15 cylindres d'échantillon fabriqués à partir de la résine SiOC. Pour effectuer les tests, Szmodis a établi une petite équipe de scientifiques de plusieurs directions et spécialités. Scientifiques de la Direction des Matériaux et Fabrication de l'AFRL, Division des matériaux de structure, Branche composite, dirigé par le Dr Matthew Dickerson, analyse des matériaux et traitements thermiques. La Direction des systèmes aérospatiaux, Division des véhicules aérospatiaux, Scientifiques de la Direction de la validation structurelle, dirigé par Bryan Eubanks, effectué une analyse mécanique en se concentrant sur l'analyse de la dilatation thermique à des températures allant de 500 à 3, 500 degrés Fahrenheit. En outre, des scientifiques du centre de recherche sur la propulsion du Arnold Engineering Development Complex ont effectué une analyse des caractéristiques du matériau dans une installation d'essai d'instrumentation à haute enthalpie.

Un rapport final des résultats a été achevé en mars et remis à HRL. Au cours de leur étude collaborative, AFRL et HRL ont poussé les composants fabriqués de manière additive bien au-delà de leur enveloppe de conception. Les données issues de ces tests extrêmes ont fourni aux partenaires des informations précieuses qui sont actuellement utilisées pour guider la production de céramiques de fabrication additive de nouvelle génération. Ces recommandations et d'autres avancées de HRL ont le potentiel de produire des matériaux qui peuvent répondre aux exigences hypersoniques.

« Les tests de températures extrêmes que l'AFRL a effectués ont révélé les limites de notre nouveau matériau et nous ont mis au défi de l'améliorer, " a déclaré le Dr Tobias Schaedler, un scientifique principal de HRL.