Aluminium og titan: Fremragende valg til fremstilling af additiv til rumfart

Baseret på perspektivet om banebrydende videnskabelig udforskning og udvikling, publicerede Science engang en artikel, der påpegede, at moderne industri kræver, at strukturelle materialer har høj styrke, brudsejhed og stivhed, og samtidig reducere vægten så meget som muligt. I dette tilfælde er lette højstyrkelegeringer repræsenteret af aluminium og titanium, og bærende varmebestandige legeringer repræsenteret af Ni-baserede superlegeringer blevet et af nøglematerialerne udviklet i forsknings- og udviklingsplanerne for nye materialer i forskellige lande, og er også i gang med laseradditiv fremstilling. Vigtigt anvendt materiale.

Fordele og forskelle mellem titanium og aluminium

Aluminiumslegering og titanlegering, på grund af deres fremragende lave tæthed og strukturelle styrke, er meget udbredt i rumfart, bil, maskinfremstilling og andre områder, uanset om der bruges 3D-print eller CNC-behandling, især i luftfartsindustrien. Det er det vigtigste strukturelle materiale i luftfartsindustrien.

Både titanium og aluminium er lette, men der er stadig forskelle mellem de to. Selvom titanium er omkring to tredjedele tungere end aluminium, betyder dets iboende styrke, at den nødvendige styrke kan opnås ved brug af mindre. Titaniumlegeringer er meget udbredt i flyjetmotorer og forskellige typer rumfartøjer, og deres styrke og lave densitet kan reducere brændstofomkostningerne. Densiteten af ​​aluminiumslegering er kun en tredjedel af stålets, og det er det mest udbredte og almindelige letvægtsmateriale til biler på dette stadium. Undersøgelser har vist, at aluminiumslegeringer kan bruges i et køretøj op til 540 kg. Med en vægtreduktion på 40 procent er karrosseri helt i aluminium fra Audi, Toyota og andre mærkekøretøjer et godt eksempel.

Materialeegenskaber af aluminium og titanium

Da begge materialer har høj styrke og lav densitet, skal andre forskelle tages i betragtning, når man beslutter, hvilken legering der skal bruges.

Styrke/vægt: I kritiske situationer tæller hvert gram af en del, men hvis en del med højere styrke er påkrævet, er titanium det bedste valg. Af denne grund bruges titanlegeringer blandt andet til fremstilling af medicinsk udstyr/implantater, komplekse satellitsamlinger, armaturer og stenter.

Koste: Aluminium er det mest omkostningseffektive metal til bearbejdning eller 3D-print; titanium er dyrt, men kan stadig drive et spring i værdi. Brændstofbesparelserne ved letvægtsdele til et fly eller rumfartøj vil være enorme, mens titaniumdele holder længere.

Termiske egenskaber: Aluminiumslegeringer har høj varmeledningsevne og bruges ofte til at fremstille radiatorer; til højtemperaturapplikationer gør titaniums høje smeltepunkt det mere egnet, og flymotorer indeholder et stort antal titaniumlegeringskomponenter.

Korrosionsbestandighed: Både aluminium og titanium har fremragende korrosionsbestandighed.

Titaniums korrosionsbestandighed og lave reaktivitet gør det til det mest biokompatible metal, og det er meget udbredt i medicinske applikationer såsom kirurgiske instrumenter. Ti64 modstår også godt salte miljøer og bruges ofte i marine applikationer.

Aluminiumslegeringer og titanlegeringer er meget almindelige i rumfartsapplikationer. Titaniumlegering har høj styrke og lav densitet (kun omkring 57 procent af stål), og dens specifikke styrke (styrke/densitet) er meget større end andre metalstrukturmaterialer. Det kan producere dele med høj enhedsstyrke, god stivhed og letvægt. Titaniumlegeringer kan bruges i flymotorkomponenter, skeletter, skind, fastgørelseselementer og landingsstel. Referencedata for 3D-printteknologi viste, at aluminiumslegeringer er egnede til at arbejde i et miljø under 200 grader C. Aluminiumsmaterialet, der bruges i Airbus A380-kroppen, udgør mere end 1/3, og C919 bruger også et stort antal konventionelle høj- ydeevne aluminiumslegeringsmaterialer. Flyskind, skotter, ribber osv. kan være lavet af aluminiumslegeringer.

Titanium Additive Manufacturing og rumfartsindustrien

Som 2019 Global Aerospace and Defence Industry Outlook udgivet af Deloitte påpeger, vil efterspørgslen efter produktion også vokse i takt med, at rumfarts- og forsvarsindustrien fortsætter med at vokse. Og når man designer til rumfarts- og forsvarsapplikationer, er materialevalg afgørende. For komponenter udenfor jorden er reduktion af komponentantal og vægt nøglen. På disse områder kan hvert 1 g vægttab give store fordele.

Titanium har et ekstremt højt smeltepunkt, over 1600 grader, og er desuden typisk et svært bearbejdeligt materiale, hvilket er hovedårsagen til, at det er dyrere end andre metaller. Ti6Al4V er i øjeblikket det mest udbredte titanlegeringsmateriale. Det er ikke kun let i vægt, men har også høj styrke og høj temperaturbestandighed. Disse egenskaber gør den meget populær inden for rumfart. Almindelige anvendelser omfatter fremstilling af knive, skiver, huse og andre dele til lavtemperatursektionen af ​​motorventilatorer og kompressorer med et driftstemperaturområde på 400-500 grader; bruges også til fremstilling af flyskrog og kapselkomponenter, raketmotorhuse og helikoptere Rotornav osv. På trods af sin høje temperatur og korrosionsbestandighed har titanium imidlertid dårlig elektrisk ledningsevne, hvilket gør det til et dårligt valg til elektriske applikationer. Titanium er også dyrere sammenlignet med andre letvægtsmetaller såsom aluminium.

Anvendelser af titan i rumfartsindustrien

Brugen af ​​additiv fremstillingsteknologi er befordrende for at reducere forarbejdningsomkostninger og spild af råmaterialer, hvilket har betydelige økonomiske fordele. Titanium-baserede legeringer er også de mest systematiske og modne legeringssystemer til forskning i additiv fremstilling. Additivt fremstillede titanlegeringskomponenter er blevet brugt som bærende strukturer i rumfartsområdet. Ifølge undersøgelsen af ​​referencer til 3D-printteknologi begyndte Aero Met Company i USA at producere underlastbærende strukturelle teststykker af titaniumlegering til Boeing F/A-18E/F-fartøjsbaseret kombineret jager/angreb fly i små partier i 2001 og tog føringen i realiseringen af ​​LMD titanlegering i 2002. Anvendelsen af ​​sekundære bærende strukturelle dele på F/A{10}}-verifikationsmaskinen. Beijing University of Aeronautics and Astronautics har gjort gennembrud inden for nøgleteknologien til laseradditiv fremstilling af titanlegeringer. Legeringernes omfattende mekaniske egenskaber overstiger væsentligt smedningens. De store hovedlejer i titanlegeringer og andre udviklede komponenter er blevet installeret og anvendt på fly. Northwestern Polytechnical University brugte laseradditiv fremstillingsteknologi til at fremstille prøverne af den øvre og nedre kantstrimmel af den centrale vingerib på C919-flyet til COMAC, med en størrelse på 3000 mm×350 mm×450 mm og en masse på 196 kg.

Aluminiumsbaserede legeringer har lav densitet, høj specifik styrke, stærk korrosionsbestandighed, god formbarhed og gode fysiske og mekaniske egenskaber. De er de mest udbredte ikke-jernholdige metalkonstruktionsmaterialer i industrien. Til laseradditiv fremstilling er aluminiumbaserede materialer typisk svært bearbejdelige materialer, som er bestemt af deres særlige fysiske egenskaber (lav tæthed, lav laserabsorptionsevne, høj varmeledningsevne, let oxidation osv.). Fra synspunktet til den additive fremstillingsformningsprocessen er tætheden af ​​aluminiumslegering relativt lille, pulverfluiditeten er relativt dårlig, ensartetheden af ​​at lægge på den SLM-dannende pulverleje er dårlig, eller kontinuiteten af ​​pulvertransporten i LMD processen er dårlig. Derfor er præcisionen og nøjagtigheden af ​​pulversprednings-/pulvertilførselssystemet i laseradditivfremstillingsudstyret relativt høj.

På nuværende tidspunkt er de aluminiumlegeringer, der anvendes til additiv fremstilling, hovedsageligt Al-Si-legeringer, blandt hvilke AlSi10Mg og AlSi12 med god fluiditet er blevet bredt undersøgt. Men på grund af den materielle karakter af Al-Si-legeringens støbte aluminiumslegering, selvom den er fremstillet ved en optimeret laseradditiv fremstillingsproces, er trækstyrken vanskelig at overstige 400 MPa, hvilket begrænser dens serviceydelse i rumfart og andre områder. Brug på høje bærende elementer.

Mængden af ​​aluminiumslegering brugt i fly er så høj som 20 procent

For yderligere at opnå højere mekaniske egenskaber har mange virksomheder og universiteter i ind- og udland accelereret tempoet i forskning og udvikling i de seneste år, og et stort antal højstyrke aluminiumslegeringer dedikeret til additiv fremstilling er blevet noteret. Airbus har udviklet Scalmalloy, verdens første højstyrke aluminiumslegeringspulvermateriale til additiv fremstilling, med en trækstyrke på 520MPa ved stuetemperatur, som er blevet anvendt til additiv fremstilling af A320 flykabine strukturelle dele. Styrken af ​​den højstyrke 7A77.60L aluminiumslegering til 3D-printning udviklet af Hughes Research Laboratory (HRL) i USA overstiger 600Mpa, hvilket gør den til den første smedede ækvivalente højstyrke aluminiumslegering, der kan bruges til additiv fremstilling. NASA Marshall Space Flight Center er begyndt at Dette materiale bruges i produktionen af ​​store rumfartsdele; Reference til 3D-printteknologi har også rapporteret om en ny type højstyrke aluminiumslegering designet og udviklet af det indenlandske CRRC Industry Research Institute for 3D-print, som bryder igennem Airbus patentrestriktioner. Stabiliteten overstiger 560 MPa, hvilket er væsentligt bedre end udskrivningsydelsen af ​​Airbus Scalmalloy® aluminiumslegeringspulver, som kan opfylde behovene for 3D-printning af avancerede fremstillingsdele såsom indenlandsk jernbanetransitudstyr og rumfart. applikationer til materialefremstilling.

Moderne rumfartskomponenter skal opfylde en række krævende krav såsom letvægt, høj ydeevne, høj pålidelighed og lave omkostninger, og komponenternes struktur er mere kompleks og sværere at designe og fremstille. Innovation og udvikling af nøgleteknologier til laseradditiv fremstilling af aluminium-, titanium- og nikkelbaserede komponenter i rumfart afspejler ikke kun udviklingsretningen for letvægt og høj ydeevne i materialevalg, men fremhæver også præcisionen af ​​selve additiv fremstillingsteknologi. , Udviklingstrenden af ​​netform kan realisere den integrerede additive fremstilling af materiale-struktur-ydeevne og den store tekniske anvendelse af additiv fremstillingsteknologi i rumfart.