Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University86510.18323/2782-4039-2023-3-65-2ArticlesСтатьиDevelopment and airworthiness certification of state of art additively manufactured AlSi10Mg mission critical selector valve body part for aerospaceРазработка и сертификация летной годности современной ответственной детали корпуса переключателя для аэрокосмических систем, изготовленной из сплава AlSi10Mg с помощью аддитивной технологииhttps://orcid.org/0000-0003-4487-2030VigneshPonnusamyВигнешПоннусами
India

PhD, Junior Specialist-1

доктор наук, младший специалист-1

vigneshpt3532@gmail.comPraveenK.V.ПравинК.В.
India

Bachelor of Engineering, Technical Assistant

бакалавр технических наук, технический помощник

praveenkv61@gmail.comKrishnakumarSubbulakshmiКришнакумарСуббулакшми
India

Bachelor of Engineering, Technical Assistant

бакалавр технических наук, технический помощник

krishna.ks0531@gmail.comBhuvaneswariMohanrao ChembuБхуванесвариМоханрао Чембу
India

Bachelor of Engineering, Regional Director (Sc ‘F’)

бакалавр технических наук, региональный директор (сектор ‘F’)

cm.cemilac@gov.inKaleShirish SharadКейлШириш Шарад
India

Ph.D., Director (Sc ‘G’)

доктор наук, директор (сектор ‘G’)

shirish.kale.cemilac@gov.inRam PrabhuTheagarajanРам ПрабхуТэгараджан
India

Ph.D., Joint Director (Sc ‘E’)

доктор наук, содиректор (сектор ‘E’)

ramprabhu.t@gmail.comRCMA (F&F), CEMILAC, Defence R&D Organization, BangaloreРегиональный центр военной полетопригодности (F&F), Центр боевой полетопригодности и сертификации, Организация оборонных исследований и разработок, Бангалор290920233193029092023https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/865

Aerospace applications can benefit from additive manufacturing (AM), which is highly advantageous for prototyping and rapid manufacturing. It also offers cost and weight savings, as well as integrated design capabilities. As of now, there are only a few AM standards available, many materials and equipment are involved, resulting in many variables that hinder certification and adoption. As a result, nonstandard testing is making AM in the airborne materials less appealing due to its costly and time-consuming nature. The main objective of this work is to manufacture the Selector Valve Body parts of military and civil aircraft through Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process using AlSi10Mg powder. Further, this paper has been carried out the metallurgical properties, non-destructive and destructive testing as well as the clear explanation about the certification procedures. Moreover, this underscores the need for the developing guidelines, and standards that cover all aspects of manufacturing from design to manufacturing to operation. A comprehensive analysis from liquid penetration test shows defects are within the permissible level. In addition, it exhibits higher yield strength, ultimate strength, and elongation of (259±4) MPa, (323±4) MPa, and (12.5±1.5) % respectively, along with factual evidence that the precipitation hardened AlSi10Mg indigenously developed and produced is equal in properties to the equivalent precipitation hardening aluminium alloys produced by internationally renowned manufacturers. 

Аддитивные технологии (АТ) очень эффективны для макетирования и быстрого производства, поэтому их применение выгодно для аэрокосмической отрасли. Они позволяют сэкономить средства, а также облегчить конструкции, подходят для комплексного проектирования. Однако на данный момент доступно лишь несколько стандартов аддитивных технологий, требуется много материалов и оборудования, что приводит к возникновению затруднений с сертификацией и внедрением АТ. Нестандартные испытания приводят к тому, что АТ в аэрозольных материалах оказываются менее привлекательными из-за их дороговизны и трудоемкости. Целью работы является изготовление деталей корпуса переключателя военных и гражданских самолетов методом лазерного сплавления порошкового слоя (LPBF) с применением порошка AlSi10Mg. Выявлены физико-химические свойства материала, проведены неразрушающие и разрушающие испытания, а также даны четкие разъяснения процедур сертификации. Сделан упор на необходимости разработки руководств и стандартов, охватывающих все аспекты производства – от проектирования до изготовления и эксплуатации продукта. Комплексный анализ испытаний на проникновение жидкости показывает, что дефекты находятся в пределах допустимого уровня. AlSi10Mg демонстрирует более высокие показатели предела текучести, предела прочности и относительного удлинения, равные (259±4) МПа, (323±4) МПа и (12,5±1,5) % соответственно. Показано, что дисперсионно-твердеющий AlSi10Mg, разработанный и производящийся в Индии, по свойствам не уступает аналогичным дисперсионно-твердеющим алюминиевым сплавам всемирно известных производителей.

additive manufacturingAlSi10MgAl alloyprecipitate hardeningdevelopment and certificationаддитивное производствоAlSi10Mgалюминиевый сплавдисперсионное твердениеразработка и сертификацияBradford R.L., Cao L., Klosterman D., Herman F., Forman L., Browning C. A metal–metal powder formulation approach for laser additive manufacturing of difficult-to-print high-strength aluminum alloys. Materials Letters, 2021, vol. 300, article number 130113. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130113.Bradford R.L., Cao L., Klosterman D., Herman F., Forman L., Browning C. A metal–metal powder formulation approach for laser additive manufacturing of difficult-to-print high-strength aluminum alloys // Materials Letters. 2021. Vol. 300. Article number 130113. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130113.Bajakke P.A., Malik V.R., Deshpande A.S. Particulate metal matrix composites and their fabrication via friction stir processing – a review. Materials and Manufacturing Processes, 2018, vol. 34, no. 8, pp. 833–881. DOI: 10.1080/10426914.2019.1605181.Bajakke P.A., Malik V.R., Deshpande A.S. Particulate metal matrix composites and their fabrication via friction stir processing – a review // Materials and Manufacturing Processes. 2018. Vol. 34. № 8. P. 833–881. DOI: 10.1080/10426914.2019.1605181.Matilainen V., Piili H., Salminen A., Syvänen T., Nyrhilä O. Characterization of process efficiency improvement in laser additive manufacturing. Physics Procedia, 2014, vol. 56, pp. 317–326. DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.177.Matilainen V., Piili H., Salminen A., Syvänen T., Nyrhilä O. Characterization of process efficiency improvement in laser additive manufacturing // Physics Procedia. 2014. Vol. 56. P. 317–326. DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.177.Fousová M., Dvorský D., Michalcová A., Vojtěch D. Changes in the microstructure and mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy after exposure to elevated temperatures. Materials Characterization, 2018, vol. 137, pp. 119–126. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.01.028.Fousová M., Dvorský D., Michalcová A., Vojtěch D. Changes in the microstructure and mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy after exposure to elevated temperatures // Materials Characterization. 2018. Vol. 137. P. 119–126. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.01.028.Tradowsky U., White J., Ward R.M., Read N., Reimers W., Attallah M.M. Selective laser melting of AlSi10Mg: Influence of post-processing on the microstructural and tensile properties development. Materials & Design, 2016, vol. 105, pp. 212–222. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.05.066.Tradowsky U., White J., Ward R.M., Read N., Reimers W., Attallah M.M. Selective laser melting of AlSi10Mg: Influence of post-processing on the microstructural and tensile properties development // Materials & Design. 2016. Vol. 105. P. 212–222. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.05.066.Zhou L., Mehta A., Schulz E., McWilliams B., Cho K., Sohn Y. Microstructure, precipitates and hardness of selectively laser melted AlSi10Mg alloy before and after heat treatment. Materials Characterization, 2018, vol. 143, pp. 5–17. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.04.022.Zhou L., Mehta A., Schulz E., McWilliams B., Cho K., Sohn Y. Microstructure, precipitates and hardness of selectively laser melted AlSi10Mg alloy before and after heat treatment // Materials Characterization. 2018. Vol. 143. P. 5–17. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.04.022.Li X.P., Wang X.J., Saunders M., Suvorova A., Zhang L.C., Liu Y.J., Fang M.H., Huang Z.H., Sercombe T.B. A selective laser melting and solution heat treatment refined Al–12Si alloy with a controllable ultrafine eutectic microstructure and 25% tensile ductility. Acta Materialia, 2015, vol. 95, pp. 74–82. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.05.017.Li X.P., Wang X.J., Saunders M., Suvorova A., Zhang L.C., Liu Y.J., Fang M.H., Huang Z.H., Sercombe T.B. A selective laser melting and solution heat treatment refined Al–12Si alloy with a controllable ultrafine eutectic microstructure and 25% tensile ductility // Acta Materialia. 2015. Vol. 95. P. 74–82. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.05.017.Andersen S.J., Zandbergen H.W., Jansen J., TrÆholt C., Tundal U., Reiso O. The crystal structure of the β″phase in Al–Mg–Si alloys. Acta Materialia, 1998, vol. 46, no. 9, pp. 3283–3298. DOI: 10.1016/S1359-6454(97)00493-X.Andersen S.J., Zandbergen H.W., Jansen J., TrÆholt C., Tundal U., Reiso O. The crystal structure of the β″ phase in Al–Mg–Si alloys // Acta Materialia. 1998. Vol. 46. № 9. P. 3283–3298. DOI: 10.1016/S1359-6454(97)00493-X.Rometsch P.A., Schaffer G.B. An age hardening model for Al–7Si–Mg casting alloys. Materials Science and Engineering: A, 2002, vol. 325, no. 1-2, pp. 424–434. DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01479-4.Rometsch P.A., Schaffer G.B. An age hardening model for Al–7Si–Mg casting alloys // Materials Science and Engineering: A. 2002. Vol. 325. № 1-2. P. 424–434. DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01479-4.Montero-Sistiaga M.L., Mertens R., Vrancken B., Wang X., Van Hooreweder B., Kruth J.P., Van Humbeeck J. Changing the alloy composition of Al7075 for better processability by selective laser melting. Journal of Materials Processing Technology, 2016, vol. 238, pp. 437–445. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.08.003.Montero-Sistiaga M.L., Mertens R., Vrancken B., Wang X., Van Hooreweder B., Kruth J.P., Van Humbeeck J. Changing the alloy composition of Al7075 for better processability by selective laser melting // Journal of Materials Processing Technology. 2016. Vol. 238. P. 437–445. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.08.003.Li W., Li S., Liu J., Zhang A., Zhou Y., Wei Q., Yan C., Shi Y. Effect of heat treatment on AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting: Microstructure evolution, mechanical properties and fracture mechanism. Materials Science and Engineering: A, 2016, vol. 663, pp. 116–125. DOI: 10.1016/j.msea.2016.03.088.Li W., Li S., Liu J., Zhang A., Zhou Y., Wei Q., Yan C., Shi Y. Effect of heat treatment on AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting: Microstructure evolution, mechanical properties and fracture mechanism // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 663. P. 116–125. DOI: 10.1016/j.msea.2016.03.088.Takata N., Kodaira H., Sekizawa K., Suzuki A., Kobashi M. Change in microstructure of selectively laser melted AlSi10Mg alloy with heat treatments. Materials Science and Engineering: A, 2017, vol. 704, pp. 218–228. DOI: 10.1016/j.msea.2017.08.029.Takata N., Kodaira H., Sekizawa K., Suzuki A., Kobashi M. Change in microstructure of selectively laser melted AlSi10Mg alloy with heat treatments // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 704. P. 218–228. DOI: 10.1016/j.msea.2017.08.029.Reunova K.A., Astafurova E.G., Moskvina V.A., Astafurov S.V., Panchenko M.Y., Melnikov E.V., Kolubaev E.A. Microstructure and Phase Composition of a Gradient Material “Stainless Steel/Cr-Ni Alloy” Produced by Electron-Beam Additive Manufacturing. Russian Physics Journal, 2022, vol. 65, pp. 771–777. DOI: 10.1007/s11182-022-02696-0.Reunova K.A., Astafurova E.G., Moskvina V.A., Astafurov S.V., Panchenko M.Y., Melnikov E.V., Kolubaev E.A. Microstructure and Phase Composition of a Gradient Material “Stainless Steel/Cr-Ni Alloy” Produced by Electron-Beam Additive Manufacturing // Russian Physics Journal. 2022. Vol. 65. P. 771–777. DOI: 10.1007/s11182-022-02696-0.Astafurova E.G., Panchenko M.Yu., Moskvina V.A. et al. Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: The effect of post-building solid-solution treatment. Journal of Materials Science, 2020, vol. 55, no. 22, pp. 9211–9224. DOI: 10.1007/s10853-020-04424-w.Astafurova E.G., Panchenko M.Yu., Moskvina V.A. et al. Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: The effect of post-building solid-solution treatment // Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55. № 22. P. 9211–9224. DOI: 10.1007/s10853-020-04424-w.Moskvina V.A., Melnikov E.V., Zagibalova E.A. Characteristics of a gradient material based on chromium-nickel stainless steel and Cr20Ni80 alloy produced by electron-beam 3D-printing. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2021, no. 3, pp. 57–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-3-57-66.Москвина В.А., Мельников Е.В., Загибалова Е.А. Особенности градиентного материала на основе нержавеющей хромоникелевой стали и сплава Х20Н80, изготовленного методом электронно-лучевой 3D-печати // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 3. С. 57–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-3-57-66.Khalikova G.R., Zakirova G.R., Farkhutdinov A.I., Korznikova E.A., Trifonov V.G. The structure and mechanical properties of the AK12D (Al-Si-Cu-Ni-Mg) aluminum alloy subjected to friction stir processing. Frontier Materials & Technologies, 2022, no. 3-2, pp. 99–108. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-2-99-108.Халикова Г.Р., Закирова Г.Р., Фархутдинов А.И., Корзникова Е.А., Трифонов В.Г. Структура и механические свойства алюминиевого сплава АК12Д, подвергнутого обработке трением с перемешиванием // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 3-2. С. 99–108. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-2-99-108.Torubarov I.S., Drobotov A.V., Gushchin I.A., Vdovin D.S., Plotnikov A.L., Yakovlev A.A. Additive manufacturing of parts with three-dimensional continuous fiber reinforcement. Frontier Materials & Technologies, 2022, no. 2, pp. 92–104. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-92-104.Торубаров И.С., Дроботов А.В., Гущин И.А., Вдовин Д.С., Плотников А.Л., Яковлев А.А. Аддитивное производство изделий с пространственным армированием непрерывным волокном // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. С. 92–104. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-92-104.Vetkasov N.I., Kapustin A.I., Sapunov V.V. The development and application of the process of preliminary formation of the high-homogeneous dry mixture “Aluminum powder – single-wall CNT” in the technology of production of the aluminium matrix composites. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2018, no. 3, pp. 14–21. DOI: 10.18323/2073-5073-2018-3-14-21.Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Разработка и применение процесса предварительного формирования высокооднородной сухой смеси «Алюминиевый порошок – одностенные УНТ» в технологии получения алюмоматричных композитов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2018. № 3. С. 14–21. DOI: 10.18323/2073-5073-2018-3-14-21.Raja A., Cheethirala S.R., Gupta P., Vasa N.J., Jayaganthan R. A review on the fatigue behaviour of AlSi10Mg alloy fabricated using laser powder bed fusion technique. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 17, pp. 1013–1029. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.01.028.Raja A., Cheethirala S.R., Gupta P., Vasa N.J., Jayaganthan R. A review on the fatigue behaviour of AlSi10Mg alloy fabricated using laser powder bed fusion technique // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 17. P. 1013–1029. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.01.028.Limbasiya N., Jain A., Soni H., Wankhede V., Krolczyk G., Sahlot P. Comprehensive review on the effect of process parameters and post-process treatments on microstructure and mechanical properties of selective laser melting of AlSi10Mg. Journal of Materials Research and Technology, 2022, vol. 21, pp. 1141–1176. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.09.092.Limbasiya N., Jain A., Soni H., Wankhede V., Krolczyk G., Sahlot P. Comprehensive review on the effect of process parameters and post-process treatments on microstructure and mechanical properties of selective laser melting of AlSi10Mg // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 21. P. 1141–1176. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.09.092.Sha G., Möller H., Stumpf W.E., Xia J.H., Govender G., Ringer S.P. Solute nanostructures and their strengthening effects in Al–7Si–0.6 Mg alloy F357. Acta Materialia, 2012, vol. 60, no. 2, pp. 692–701. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.10.029.Sha G., Möller H., Stumpf W.E., Xia J.H., Govender G., Ringer S.P. Solute nanostructures and their strengthening effects in Al–7Si–0.6 Mg alloy F357 // Acta Materialia. 2012. Vol. 60. № 2. P. 692–701. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.10.029.Zhao L., Song L., Macías J.G.S., Zhu Y., Huang M., Simar A., Li Z. Review on the correlation between microstructure and mechanical performance for laser powder bed fusion AlSi10Mg. Additive Manufacturing, 2022, vol. 56, article number 102914. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102914.Zhao L., Song L., Macías J.G.S., Zhu Y., Huang M., Simar A., Li Z. Review on the correlation between microstructure and mechanical performance for laser powder bed fusion AlSi10Mg // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 56. Article number 102914. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102914.