Alumiini ja titaani: Erinomaiset valinnat ilmailun lisäainevalmistukseen

Huippuluokan tieteellisen tutkimuksen ja kehityksen näkökulmasta Science julkaisi kerran artikkelin, jossa huomautettiin, että nykyaikainen teollisuus vaatii rakennemateriaaleilta suurta lujuutta, murtolujuutta ja jäykkyyttä ja samalla painon vähentämistä mahdollisimman paljon. Tässä tapauksessa alumiinin ja titaanin edustamista kevyistä lujista metalliseoksista ja Ni-pohjaisten superseosten edustamista kantavista lämpöä kestävistä seoksista on tullut yksi keskeisistä materiaaleista, joita kehitetään uusien materiaalien tutkimus- ja kehityssuunnitelmissa eri aloilla. maissa ja ovat myös laserlisäaineiden valmistusprosessissa. Tärkeä sovellettu materiaali.

Titaanin ja alumiinin edut ja erot

Alumiiniseosta ja titaaniseosta erinomaisen alhaisen tiheyden ja rakenteellisen lujuuden vuoksi käytetään laajalti ilmailu-, auto-, konevalmistus- ja muilla aloilla, olipa kyseessä sitten 3D-tulostus tai CNC-käsittely, erityisesti lentoteollisuudessa. Se on ilmailuteollisuuden tärkein rakennemateriaali.

Sekä titaani että alumiini ovat kevyitä, mutta näiden kahden välillä on silti eroja. Vaikka titaani on noin kaksi kolmasosaa raskaampaa kuin alumiini, sen luontainen lujuus tarkoittaa, että vaadittu lujuus voidaan saavuttaa vähemmällä. Titaaniseoksia käytetään laajalti lentokoneiden suihkumoottoreissa ja erilaisissa avaruusaluksissa, ja niiden lujuus ja alhainen tiheys voivat alentaa polttoainekustannuksia. Alumiiniseoksen tiheys on vain kolmasosa teräksen tiheydestä, ja se on tällä hetkellä eniten käytetty ja yleisin kevyt materiaali autoissa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että alumiiniseoksia voidaan käyttää jopa 540 kg painavassa ajoneuvossa. Audin, Toyotan ja muiden merkkiajoneuvojen alumiinirunko on 40 prosentin painonpudotus hyvä esimerkki.

Alumiinin ja titaanin materiaaliominaisuudet

Koska molemmilla materiaaleilla on suuri lujuus ja pieni tiheys, muut erot on otettava huomioon päätettäessä käytettävästä metalliseoksesta.

Voima/paino: Kriittisissä tilanteissa jokainen osan gramma on tärkeä, mutta jos vaaditaan vahvempaa osaa, titaani on paras valinta. Tästä syystä titaaniseoksia käytetään muun muassa lääketieteellisten laitteiden/implanttien, monimutkaisten satelliittikokoonpanojen, kiinnittimien ja stenttien valmistuksessa.

Kustannus: Alumiini on kustannustehokkain metalli koneistukseen tai 3D-tulostukseen; titaani on kallista, mutta voi silti nostaa arvoa. Lentokoneen tai avaruusaluksen kevyiden osien polttoainesäästöt ovat valtavat, kun taas titaaniosat kestävät pidempään.

Lämpöominaisuudet: Alumiiniseoksilla on korkea lämmönjohtavuus ja niitä käytetään usein lämpöpatterien valmistukseen; korkean lämpötilan sovelluksiin titaanin korkea sulamispiste tekee siitä sopivamman, ja lentokonemoottorit sisältävät suuren määrän titaaniseoskomponentteja.

Korroosionkestävyys: Sekä alumiinilla että titaanilla on erinomainen korroosionkestävyys.

Titaanin korroosionkestävyys ja alhainen reaktiivisuus tekevät siitä bioyhteensopivimman metallin, ja sitä käytetään laajalti lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten kirurgisissa instrumenteissa. Ti64 kestää hyvin myös suolaista ympäristöä ja sitä käytetään usein merisovelluksissa.

Alumiiniseokset ja titaaniseokset ovat hyvin yleisiä ilmailusovelluksissa. Titaaniseoksella on suuri lujuus ja alhainen tiheys (vain noin 57 prosenttia teräksestä), ja sen ominaislujuus (lujuus/tiheys) on paljon suurempi kuin muiden metallisten rakennemateriaalien. Se voi tuottaa osia, joilla on suuri yksikkölujuus, hyvä jäykkyys ja kevyt. Titaaniseoksia voidaan käyttää lentokoneiden moottoreiden osissa, rungoissa, kuorissa, kiinnikkeissä ja laskutelineissä. 3D-tulostustekniikan vertailutiedoissa havaittiin, että alumiiniseokset soveltuvat työskentelyyn alle 200 asteen lämpötilassa. Airbus A380:n rungossa käytetyn alumiinimateriaalin osuus on yli 1/3, ja C919:ssä käytetään myös lukuisia tavanomaisia ​​korkealaatuisia suorituskykyiset alumiiniseosmateriaalit. Lentokoneen pinnat, laipiot, rivat jne. voidaan valmistaa alumiiniseoksista.

Titaanin lisäaineiden valmistus ja ilmailuteollisuus

Kuten Deloitten julkaisemassa Global Aerospace and Defense Industry Outlookissa 2019 todetaan, ilmailu- ja puolustusteollisuuden jatkaessa kasvuaan tuotannon kysyntä kasvaa. Ja kun suunnitellaan ilmailu- ja puolustussovelluksiin, materiaalin valinta on kriittinen. Maassa oleville komponenteille komponenttien lukumäärän ja painon vähentäminen on avainasemassa. Näillä alueilla jokainen 1g painonpudotus voi tuoda suuria etuja.

Titaanilla on erittäin korkea sulamispiste, yli 1600 astetta, ja se on myös tyypillisesti vaikeasti työstettävä materiaali, mikä on tärkein syy siihen, miksi se on kalliimpaa kuin muut metallit. Ti6Al4V on tällä hetkellä eniten käytetty titaaniseosmateriaali. Se ei ole vain kevyt, vaan sillä on myös korkea lujuus ja korkean lämpötilan kestävyys. Nämä ominaisuudet tekevät siitä erittäin suositun ilmailualalla. Yleisiä sovelluksia ovat siipien, levyjen, koteloiden ja muiden osien valmistus moottorin tuulettimien ja kompressorien matalan lämpötilan osia varten, joiden käyttölämpötila-alue on 400-500 astetta; käytetään myös lentokoneen rungon ja kapselikomponenttien valmistuksessa, rakettimoottorien koteloissa ja helikoptereissa Roottorin napoissa jne. Korkeasta lämpötilastaan ​​ja korroosionkestävyydestään huolimatta titaanilla on kuitenkin huono sähkönjohtavuus, joten se on huono valinta sähkösovelluksiin. Titaani on myös kalliimpaa verrattuna muihin kevyisiin metalleihin, kuten alumiiniin.

Titaanin käyttö ilmailuteollisuudessa

Additiivisen valmistustekniikan käyttö vähentää prosessointikustannuksia ja raaka-ainehävikkiä, mistä on merkittäviä taloudellisia etuja. Titaanipohjaiset seokset ovat myös järjestelmällisimmät ja kypsimmät seosjärjestelmät additiivinen valmistustutkimus. Lisäaineella valmistettuja titaaniseoskomponentteja on käytetty kantavina rakenteina ilmailualalla. 3D-tulostusteknologian referenssejä koskevan tutkimuksen mukaan yhdysvaltalainen Aero Met Company alkoi valmistaa titaaniseoksesta kantavia rakenteellisia testikappaleita Boeing F/A-18E/F-lentokonepohjaiseen yhdistettyyn hävittäjä-/hyökkäyskoneistoon. lentokoneita pienissä erissä vuonna 2001 ja otti johtoaseman LMD-titaaniseoksen toteuttamisessa vuonna 2002. Toissijaisten kantavien rakenneosien käyttö F/A-18-vahvistuskoneessa. Pekingin ilmailu- ja astronautiikkayliopisto on tehnyt läpimurtoja titaaniseosten laserlisäainevalmistuksen avainteknologiassa. Metalliseosten kattavat mekaaniset ominaisuudet ylittävät merkittävästi takomoiden ominaisuudet. Suuret päälaakeroidut titaaniseosrungot ja muut kehitetyt komponentit on asennettu ja sovellettu lentokoneisiin. Northwestern Polytechnical University käytti laserlisäainevalmistustekniikkaa C919-lentokoneen keskisiiven rivan ylä- ja alareunanauhanäytteiden valmistukseen COMAC:ia varten, koko 3000mm × 350mm × 450mm ja massa 196kg.

Alumiinipohjaisilla seoksilla on pieni tiheys, korkea ominaislujuus, vahva korroosionkestävyys, hyvä muovattavuus sekä hyvät fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet. Ne ovat alan yleisimmin käytettyjä ei-rautametallisia rakennemateriaaleja. Laserlisäainevalmistuksessa alumiinipohjaiset materiaalit ovat tyypillisesti vaikeasti koneistettavia materiaaleja, jotka määräytyvät niiden erityisten fysikaalisten ominaisuuksien (pieni tiheys, alhainen laserabsorptiokyky, korkea lämmönjohtavuus, helppo hapetus jne.) perusteella. Lisäaineen valmistusmuodostusprosessin näkökulmasta alumiiniseoksen tiheys on suhteellisen pieni, jauheen juoksevuus on suhteellisen huono, SLM-muovausjauhepedille asettamisen tasaisuus on huono tai jauheen kuljetuksen jatkuvuus LMD:ssä. prosessi on huono. Siksi jauheen levitys-/jauheensyöttöjärjestelmän tarkkuus ja tarkkuus laserlisäaineiden valmistuslaitteistoissa ovat suhteellisen korkeat.

Tällä hetkellä lisäainevalmistuksessa käytettävät alumiiniseokset ovat pääasiassa Al-Si-seoksia, joista AlSi10Mg ja AlSi12, joilla on hyvä juoksevuus, on tutkittu laajasti. Al-Si-seoksesta valetun alumiiniseoksen materiaalista johtuen, vaikka se on valmistettu optimoidulla laserlisäainevalmistusprosessilla, vetolujuutta on vaikea ylittää 400 MPa, mikä rajoittaa sen palvelun suorituskykyä ilmailu- ja muilla aloilla. Käytä erittäin kantavissa osissa.

Lentokoneissa käytetyn alumiiniseoksen määrä on jopa 20 prosenttia

Korkeampien mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi edelleen monet yritykset ja yliopistot kotimaassa ja ulkomailla ovat nopeuttaneet tutkimusta ja kehitystä viime vuosina, ja suuri määrä lujia alumiiniseoksia, jotka on tarkoitettu lisäainevalmistukseen, on listattu. Airbus on kehittänyt Scalmalloyn, maailman ensimmäisen huippulujan alumiiniseosjauhemateriaalin lisäainevalmistukseen, jonka vetolujuus on 520 MPa huoneenlämpötilassa ja jota on sovellettu A320-lentokoneen matkustamon rakenneosien lisävalmistukseen. Yhdysvaltalaisen Hughes Research Laboratoryn (HRL) kehittämän 3D-tulostukseen tarkoitetun lujan 7A77.60L alumiiniseoksen lujuus ylittää 600 Mpa, mikä tekee siitä ensimmäisen taotun vastaavan lujan alumiiniseoksen, jota voidaan käyttää lisäainevalmistuksessa. NASA Marshall Space Flight Center on alkanut Tätä materiaalia käytetään laajamittaisten ilmailun osien valmistuksessa; 3D-tulostustekniikan referenssi on raportoinut myös kotimaisen CRRC Industry Research Instituten suunnittelemasta ja kehittämästä uudentyyppisestä korkean lujuuden alumiiniseoksesta 3D-tulostukseen, joka rikkoo Airbusin patenttirajoitukset. Vakaus ylittää 560 MPa, mikä on huomattavasti parempi kuin Airbus Scalmalloy® -alumiiniseosjauheen tulostusteho, joka pystyy vastaamaan korkealuokkaisten valmistusosien, kuten kotimaan rautatiekuljetusvälineiden ja ilmailulaitteiden, 3D-tulostuksen tarpeisiin. materiaalinvalmistussovellukset.

Nykyaikaisten ilmailu- ja avaruuskomponenttien on täytettävä joukon vaativia vaatimuksia, kuten keveys, korkea suorituskyky, korkea luotettavuus ja alhaiset kustannukset, ja komponenttien rakenne on monimutkaisempi ja vaikeampi suunnitella ja valmistaa. Avainteknologioiden innovointi ja kehittäminen alumiini-, titaani- ja nikkelipohjaisten komponenttien laserlisäainevalmistukseen ilmailuteollisuudessa heijastelee paitsi keveyden ja korkean suorituskyvyn kehityssuuntaa materiaalien valinnassa, myös korostaa itse lisäainevalmistustekniikan tarkkuutta. , Verkkomuodon kehitystrendi voi toteuttaa materiaalirakenteen ja suorituskyvyn integroidun lisäaineen valmistuksen ja lisäaineen valmistustekniikan tärkeimmän teknisen sovelluksen ilmailuteollisuudessa.