Odlična izbira za aditivno proizvodnjo na vrhunskem letalskem in vesoljskem področju

Učinkovitost in cena titanovih in aluminijevih zlitin sta dve večni gonilni sili za razvoj tehnologije materialov, medtem ko so lahka teža, integracija in integracija strukturnih funkcij pogosti izzivi konstrukcijskega načrtovanja letal, uporabe materialov in tehnologije izdelave. V zadnjih nekaj desetletjih so tehnologije skoraj neto oblikovanja, kot so vroče izostatično stiskanje, brizganje in sintranje s plazmo z razelektritvijo, dosegle velik napredek na področju titanovih zlitin, vendar težave z ozkimi grli, kot sta vsebnost kisika in poroznost, niso bile učinkovito rešene. , kar omejuje njihovo uporabo pri izdelavi letalskih struktur iz titanove zlitine.

Z vidika znanstvenega raziskovanja in razvoja sodobna industrija potrebuje strukturne materiale z visoko trdnostjo, lomno žilavostjo in togostjo, hkrati pa čim manjšo težo. Zato so lahke zlitine visoke trdnosti, kot sta titan in aluminij, in nosilne zlitine, odporne na vročino, kot so superzlitine na osnovi Ni, postale središče raziskav novih materialov in razvojnih načrtov v različnih državah. Poleg tega so ti materiali tudi pomembni uporabni materiali v laserski aditivni proizvodnji.

Prednosti in razlike med titanovo zlitino in aluminijevo zlitino

Titanova zlitina ima visoko specifično trdnost, specifično togost in dobro odpornost proti koroziji, kar ustreza konstrukcijskim potrebam letal z visoko manevrsko sposobnostjo, visoko zanesljivostjo in dolgo življenjsko dobo, njena raven uporabe pa je postala pomemben simbol za merjenje napredne stopnje izbire materiala za letala.

Titanove zlitine in aluminijeve zlitine se pogosto uporabljajo v vesoljski industriji, avtomobilski industriji, proizvodnji strojev in na drugih področjih zaradi svoje odlične nizke gostote in strukturne trdnosti. Predvsem v letalski industriji imajo zelo pomembno vlogo in so glavni strukturni materiali letalske industrije. Čeprav so titanove zlitine približno dve tretjini težje od aluminijevih zlitin, njihova inherentna trdnost pomeni, da je zahtevano trdnost mogoče doseči v manjših količinah. Titanova zlitina je postala pomemben material za zmanjšanje stroškov goriva zaradi svoje trdnosti in nizke gostote ter se pogosto uporablja v letalskih reaktivnih motorjih in različnih vrstah vesoljskih plovil. Aluminijeva zlitina je na tej stopnji najpogosteje uporabljen in običajen avtomobilski lahki material, njena gostota pa je le ena tretjina gostote jekla. Študije so pokazale, da lahko aluminijevo zlitino uporabimo do 540 kg v celotnem vozilu, tako da se bo teža avtomobila zmanjšala za 40 %. Dober primer je uporaba povsem aluminijastih karoserij v vozilih znamk, kot sta Audi in Toyota.

Ker imata oba materiala visoko trdnost in nizko gostoto, je treba pri izbiri zlitine upoštevati druge dejavnike.

V kritičnih situacijah, ko se zahtevata visoka trdnost in majhna teža, šteje vsak gram, če pa so potrebne komponente z večjo trdnostjo, je titan najboljša izbira. Zato se titanove zlitine uporabljajo za izdelavo medicinskih pripomočkov/vsadkov, zapletenih satelitskih komponent, napeljav in nosilcev.

Z vidika stroškov je aluminij najbolj stroškovno učinkovita kovina za strojno obdelavo ali 3D-tiskanje; Medtem ko je titan dražji, bodo lahki deli prinesli velike koristi pri prihranku goriva z letali ali vesoljskimi plovili, medtem ko imajo deli iz titanove zlitine daljšo življenjsko dobo.

Kar zadeva toplotne lastnosti, imajo aluminijeve zlitine visoko toplotno prevodnost in se pogosto uporabljajo za izdelavo radiatorjev; Za uporabo pri visokih temperaturah je zaradi visokega tališča titana bolj primeren, letalski motorji pa vsebujejo veliko število delov iz titanove zlitine.

Zaradi odpornosti proti koroziji in nizke reaktivnosti je titan najbolj biokompatibilna kovina in se pogosto uporablja v medicinskih aplikacijah, kot so kirurški instrumenti. Ti64 se dobro upira tudi slanim okoljem in se pogosto uporablja v pomorskih aplikacijah.

Na področju letalstva se pogosto uporabljajo aluminijeve zlitine in titanove zlitine. Prednosti titanove zlitine so visoka trdnost in nizka gostota (samo približno 57 % jekla), njena specifična trdnost (trdnost/gostota) pa daleč presega trdnost drugih kovinskih strukturnih materialov in lahko proizvaja dele z visoko enotno trdnostjo, dobro togostjo in majhna teža. Začetni deli, okostje, obloga, pritrdilni elementi in podvozje letala so izdelani iz titanove zlitine. Poleg tega je referenca tehnologije 3D-tiskanja za preverjanje ustreznih materialov pokazala, da je aluminijeva zlitina primerna za delo v okolju pod 200 stopinjami, trup Airbusa A380 uporablja več kot 1/3 aluminija, C919 pa uporablja tudi veliko število običajnih visokih - zmogljivi materiali iz aluminijeve zlitine. Aluminijeve zlitine se uporabljajo za obloge letal, predelne stene, rebra kril in druge dele.

Titanove zlitine so zaradi visokega tališča in težkih lastnosti obdelave eden najdražjih kovinskih materialov. Zaradi lahke, visoke trdnosti in odpornosti na visoke temperature je titanova zlitina Ti6Al4V zelo pomembna na področju vesolja. Njegov obseg uporabe vključuje rezila, diske, sprejemnike in druge dele, ki delujejo v nizkotemperaturnem delu ventilatorjev motorja in kompresorjev, delovno temperaturno območje pa lahko doseže 400-500 stopinj. Poleg tega se uporablja pri izdelavi sestavnih delov za trupe in kapsule, ohišij raketnih motorjev in pest propelerjev rotorjev helikopterjev. Vendar zaradi svoje slabe prevodnosti titan ni idealen za električne aplikacije. Čeprav je cena titanove zlitine razmeroma visoka, njene odpornosti na visoke temperature in odpornosti proti koroziji ni mogoče nadomestiti z drugimi lahkimi kovinami.

Zlitine na osnovi aluminija imajo odlične fizikalne lastnosti in mehanske lastnosti, kot so nizka gostota, visoka specifična trdnost, močna odpornost proti koroziji in dobra sposobnost oblikovanja, zato se pogosto uporabljajo v industriji. Vendar pa je z vidika postopka oblikovanja aditivnega izdelave gostota aluminijeve zlitine majhna, pretočnost prahu je razmeroma slaba, enakomernost polaganja na plasti prahu, ki tvori SLM, je slaba ali pa je kontinuiteta transporta prahu v procesu LMD slaba. , zato sta natančnost in točnost sistema za trošenje/dovajanje prahu v opremi za lasersko aditivno proizvodnjo visoki.

Trenutno so aluminijeve zlitine, ki se uporabljajo v aditivni proizvodnji, večinoma zlitine Al-Si, od katerih sta bili AlSi10Mg in AlSi12 z dobro fluidnostjo obsežno raziskani. Ker pa zlitina Al-Si spada med lite aluminijeve zlitine, čeprav je pripravljena z optimiziranim proizvodnim postopkom laserskih dodatkov, je njena natezna trdnost še vedno težko preseči 400MPa, kar omejuje njeno uporabo v nosilnih komponentah z višjimi zahtevami glede zmogljivosti v letalstvu in druga področja.

Sodobne letalske in vesoljske komponente se soočajo z vrsto zahtevnih zahtev, vključno z majhno težo, visoko zmogljivostjo, visoko zanesljivostjo in nizkimi stroški. To kompleksno strukturo je izjemno težko načrtovati in izdelati. Z inovacijo in razvojem tehnologije laserske aditivne proizvodnje za tipične komponente vesolja na osnovi aluminija, titana in niklja ne moremo le doseči lahkih in visoko zmogljivih pri izbiri materiala, temveč tudi odražati razvojni trend natančnosti in neto oblike aditivne proizvodnje. tehnologija. Z integracijo aditivnega izdelave materialov, strukture in lastnosti lahko tehnologijo aditivnega izdelave uporabimo v večjih inženiringih na področju vesolja.