Aluminij i titan: izvrsni izbori za aditivnu proizvodnju u zrakoplovima

Na temelju perspektive vrhunskog znanstvenog istraživanja i razvoja, Science je svojedobno objavio članak u kojem je istaknuo da moderna industrija zahtijeva visoku čvrstoću, otpornost na lom i krutost od strukturnih materijala, a da istovremeno imaju što manju težinu. U ovom slučaju, lagane legure visoke čvrstoće koje predstavljaju aluminij i titan, te nosive legure otporne na toplinu koje predstavljaju superlegure na bazi Ni postale su jedan od ključnih materijala razvijenih u planovima istraživanja i razvoja novih materijala u raznim zemalja, a također su u procesu laserske aditivne proizvodnje. Važan primijenjeni materijal.

Prednosti i razlike između titana i aluminija

Aluminijske legure i titanijeve legure, zbog svoje izvrsne niske gustoće i strukturne čvrstoće, naširoko se koriste u zrakoplovnoj industriji, automobilskoj proizvodnji, proizvodnji strojeva i drugim poljima, bilo da se koristi 3D ispis ili CNC obrada, posebno u zrakoplovnoj industriji. To je glavni strukturni materijal zrakoplovne industrije.

I titan i aluminij su lagani, ali ipak postoje razlike između njih dvoje. Iako je titan oko dvije trećine teži od aluminija, njegova inherentna čvrstoća znači da se potrebna čvrstoća može postići s manje. Legure titana naširoko se koriste u mlaznim motorima zrakoplova i raznim vrstama svemirskih letjelica, a njihova čvrstoća i niska gustoća mogu smanjiti troškove goriva. Gustoća aluminijske legure je samo jedna trećina gustoće čelika i to je najčešće korišteni i uobičajeni lagani materijal za automobile u ovoj fazi. Istraživanja su pokazala da se aluminijske legure mogu koristiti u vozilima do 540 kg. Uz smanjenje težine od 40 posto, potpuno aluminijska karoserija Audija, Toyote i vozila drugih marki dobar je primjer.

Materijalna svojstva aluminija i titana

Budući da oba materijala imaju visoku čvrstoću i nisku gustoću, druge razlike moraju se uzeti u obzir pri odlučivanju koju leguru koristiti.

Snaga/težina: U kritičnim situacijama svaki gram dijela se računa, ali ako je potreban dio veće čvrstoće, titan je najbolji izbor. Iz tog razloga, legure titana koriste se u proizvodnji medicinskih uređaja/implantata, složenih satelitskih sklopova, učvršćenja i stentova, između ostalog.

trošak: Aluminij je najisplativiji metal za strojnu obradu ili 3D ispis; titan je skup, ali još uvijek može dovesti do skoka u vrijednosti. Ušteda goriva laganih dijelova za zrakoplov ili svemirsku letjelicu bit će ogromna, dok će dijelovi od titana trajati duže.

Toplinska svojstva: aluminijske legure imaju visoku toplinsku vodljivost i često se koriste za izradu radijatora; za primjene na visokim temperaturama, titanova visoka točka taljenja čini ga prikladnijim, a zrakoplovni motori sadrže veliki broj komponenti od legure titana.

Otpornost na koroziju: I aluminij i titan imaju izvrsnu otpornost na koroziju.

Otpornost na koroziju i niska reaktivnost titana čine ga biokompatibilnijim metalom i naširoko se koristi u medicinskim primjenama kao što su kirurški instrumenti. Ti64 također dobro podnosi slanu okolinu i često se koristi u pomorskim aplikacijama.

Legure aluminija i legure titana vrlo su česte u primjenama u zrakoplovstvu. Legura titana ima visoku čvrstoću i nisku gustoću (samo oko 57 posto čelika), a njezina specifična čvrstoća (čvrstoća/gustoća) puno je veća nego kod drugih metalnih konstrukcijskih materijala. Može proizvoditi dijelove visoke jedinične čvrstoće, dobre krutosti i lagane. Legure titana mogu se koristiti u komponentama motora zrakoplova, kosturima, oblogama, pričvršćivačima i stajnim trapovima. Referentni podaci o tehnologiji 3D ispisa otkrili su da su aluminijske legure prikladne za rad u okruženju ispod 200 stupnjeva C. Aluminijski materijal korišten u karoseriji Airbusa A380 čini više od 1/3, a C919 također koristi veliki broj konvencionalnih visokokvalitetnih materijala. izvedba materijala od aluminijskih legura. Oplate zrakoplova, pregrade, rebra itd. mogu biti izrađene od aluminijskih legura.

Proizvodnja aditiva za titan i zrakoplovna industrija

Kao što ističe Global Aerospace and Defence Industry Outlook za 2019. koji je objavio Deloitte, kako zrakoplovna i obrambena industrija nastavlja rasti, tako će rasti i proizvodna potražnja. A kada se projektira za svemirske i obrambene primjene, odabir materijala je ključan. Za komponente izvan zemlje, smanjenje broja komponenti i težine je ključno. U tim područjima svaki 1g gubitka težine može donijeti veliku korist.

Titan ima izuzetno visoko talište, preko 1600 stupnjeva, a također je tipično materijal koji se teško obrađuje, što je glavni razlog zašto je skuplji od ostalih metala. Ti6Al4V je trenutno najrašireniji materijal od legure titana. Nije samo lagan, već ima i visoku čvrstoću i otpornost na visoke temperature. Ove karakteristike ga čine vrlo popularnim u području zrakoplovstva. Uobičajene primjene uključuju proizvodnju lopatica, diskova, kućišta i drugih dijelova za niskotemperaturni dio ventilatora motora i kompresora, s rasponom radne temperature od 400-500 stupnjeva; također se koristi u proizvodnji dijelova konstrukcije zrakoplova i kapsula, kućišta raketnih motora i glavčina rotora helikoptera, itd. Međutim, unatoč visokoj otpornosti na temperaturu i koroziju, titan ima lošu električnu vodljivost, što ga čini lošim izborom za električne primjene. Titan je također skuplji u usporedbi s drugim lakim metalima poput aluminija.

Upotreba titana u zrakoplovnoj industriji

Korištenje tehnologije aditivne proizvodnje pogoduje smanjenju troškova prerade i rasipanja sirovina, što ima značajne ekonomske prednosti. Legure na bazi titana također su najsustavniji i najzreliji sustavi legura za istraživanje aditivne proizvodnje. Dodatno proizvedene komponente od legure titana korištene su kao nosive konstrukcije u području zrakoplovstva. Prema pregledu referenci tehnologije 3D ispisa, Aero Met Company iz Sjedinjenih Država počela je proizvoditi podnosive konstrukcijske ispitne komade od legure titana za kombinirani lovac/jurišnik Boeing F/A-18E/F zrakoplova u malim serijama 2001. i preuzeo vodstvo u realizaciji LMD legure titana 2002. Primjena sekundarnih nosivih strukturnih dijelova na stroju za provjeru F/A-18. Pekinško sveučilište za aeronautiku i astronautiku napravilo je napredak u ključnoj tehnologiji laserske aditivne proizvodnje legura titana. Sveobuhvatna mehanička svojstva legura znatno premašuju svojstva otkovaka. Okviri od legure titana velikih dimenzija i druge komponente ugrađene su i primijenjene na zrakoplovima. Sjeverozapadno politehničko sveučilište koristilo je tehnologiju laserske aditivne proizvodnje za proizvodnju uzoraka trake gornjeg i donjeg ruba središnjeg rebra krila zrakoplova C919 za COMAC, veličine 3000 mm × 350 mm × 450 mm i mase od 196 kg.

Legure na bazi aluminija imaju nisku gustoću, visoku specifičnu čvrstoću, jaku otpornost na koroziju, dobru sposobnost oblikovanja i dobra fizikalna i mehanička svojstva. Oni su najčešće korišteni strukturni materijali od obojenih metala u industriji. Za lasersku aditivnu proizvodnju, materijali na bazi aluminija obično su materijali koje je teško strojno obraditi, što je određeno njihovim posebnim fizičkim svojstvima (niska gustoća, niska apsorpcija lasera, visoka toplinska vodljivost, laka oksidacija itd.). Sa stajališta procesa oblikovanja aditivne proizvodnje, gustoća aluminijske legure je relativno mala, fluidnost praha je relativno loša, ujednačenost polaganja na sloj praha za oblikovanje SLM je loša, ili je kontinuitet transporta praha u LMD-u proces je loš. Stoga su preciznost i točnost sustava za rasipanje/dostavljanje praha u opremi za lasersku aditivnu proizvodnju relativno visoke.

Trenutačno su aluminijske legure koje se koriste u aditivnoj proizvodnji uglavnom Al-Si legure, među kojima su AlSi10Mg i AlSi12 s dobrom fluidnošću naširoko proučavane. Međutim, zbog prirode materijala legure Al-Si legure lijevanog aluminija, iako je pripremljena optimiziranim proizvodnim postupkom laserskih aditiva, vlačna čvrstoća je teško premašiti 400 MPa, što ograničava njegovu radnu izvedbu u zrakoplovstvu i drugim područjima. Koristiti na visoko nosivim elementima.

Količina aluminijske legure koja se koristi u zrakoplovima je čak 20 posto

Kako bi se dodatno postigla veća mehanička svojstva, mnoge tvrtke i sveučilišta u zemlji i inozemstvu posljednjih su godina ubrzale tempo istraživanja i razvoja, a na popisu je velik broj aluminijskih legura visoke čvrstoće namijenjenih aditivnoj proizvodnji. Airbus je razvio Scalmalloy, prvi svjetski materijal u prahu od aluminijske legure visoke čvrstoće za aditivnu proizvodnju, s vlačnom čvrstoćom od 520 MPa na sobnoj temperaturi, koji je primijenjen u aditivnoj proizvodnji konstrukcijskih dijelova kabine zrakoplova A320. Snaga aluminijske legure visoke čvrstoće 7A77.60L za 3D ispis koju je razvio Hughes Research Laboratory (HRL) u Sjedinjenim Državama premašuje 600Mpa, što je čini prvom kovanom ekvivalentnom aluminijskom legurom visoke čvrstoće koja se može koristiti za aditivnu proizvodnju. NASA Marshall Space Flight Center počeo je s Ovaj se materijal koristi u proizvodnji velikih zrakoplovnih dijelova; 3D printing technology reference također je izvijestio o novoj vrsti aluminijske legure visoke čvrstoće koju je dizajnirao i razvio domaći CRRC Industry Research Institute za 3D printanje, koja probija patentna ograničenja Airbusa. Stabilnost premašuje 560MPa, što je znatno bolje od performansi ispisa Airbus Scalmalloy® praha od aluminijske legure, koji može zadovoljiti potrebe 3D ispisa vrhunskih proizvodnih dijelova kao što je oprema za domaći željeznički prijevoz i zrakoplovstvo. aplikacije za proizvodnju materijala.

Suvremene zrakoplovne komponente moraju zadovoljiti niz zahtjevnih zahtjeva kao što su mala težina, visoke performanse, visoka pouzdanost i niska cijena, a struktura komponenti je složenija i teža za dizajn i proizvodnju. Inovacija i razvoj ključnih tehnologija za lasersku aditivnu proizvodnju aluminija, titana i komponenti na bazi nikla u zrakoplovstvu, ne samo da odražava smjer razvoja laganih i visokih performansi u odabiru materijala, već također naglašava preciznost same tehnologije aditivne proizvodnje. , Razvojni trend neto oblika može realizirati integriranu aditivnu proizvodnju materijala-strukture-performanse i glavnu inženjersku primjenu tehnologije aditivne proizvodnje u zrakoplovstvu.