Hliník a titan: Vynikající volba pro výrobu aditiv pro letectví a kosmonautiku

Na základě perspektivy špičkového vědeckého zkoumání a vývoje, Science jednou publikoval článek poukazující na to, že moderní průmysl vyžaduje, aby konstrukční materiály měly vysokou pevnost, lomovou houževnatost a tuhost a zároveň co nejvíce snížily hmotnost. V tomto případě se lehké vysokopevnostní slitiny reprezentované hliníkem a titanem a nosné žáruvzdorné slitiny reprezentované superslitinami na bázi Ni staly jedním z klíčových materiálů vyvíjených ve výzkumných a vývojových záměrech nových materiálů v různých zemí a jsou také v procesu laserové aditivní výroby. Důležitý aplikovaný materiál.

Výhody a rozdíly mezi titanem a hliníkem

Hliníkové slitiny a titanové slitiny jsou díky své vynikající nízké hustotě a strukturální pevnosti široce používány v letectví, automobilovém průmyslu, strojírenství a dalších oborech, ať už s využitím 3D tisku nebo CNC zpracování, zejména v leteckém průmyslu. Je hlavním konstrukčním materiálem leteckého průmyslu.

Titan i hliník jsou lehké, ale přesto jsou mezi nimi rozdíly. Přestože je titan asi o dvě třetiny těžší než hliník, jeho vlastní pevnost znamená, že požadované pevnosti lze dosáhnout s použitím menšího množství. Titanové slitiny jsou široce používány v leteckých proudových motorech a různých typech kosmických lodí a jejich pevnost a nízká hustota mohou snížit náklady na palivo. Hustota hliníkové slitiny je pouze jedna třetina hustoty oceli a v této fázi je nejrozšířenějším a nejběžnějším lehkým materiálem pro automobily. Studie ukázaly, že hliníkové slitiny mohou být použity ve vozidle až do hmotnosti 540 kg. Se 40procentním snížením hmotnosti je dobrým příkladem celohliníková karoserie vozů Audi, Toyota a dalších značek.

Materiálové vlastnosti hliníku a titanu

Protože oba materiály mají vysokou pevnost a nízkou hustotu, je třeba při rozhodování, kterou slitinu použít, vzít v úvahu další rozdíly.

Síla/hmotnost: V kritických situacích se počítá každý gram součásti, ale pokud je vyžadována součást s vyšší pevností, je nejlepší volbou titan. Z tohoto důvodu se titanové slitiny používají mimo jiné při výrobě lékařských zařízení/implantátů, složitých satelitních sestav, přípravků a stentů.

Náklady: Hliník je cenově nejvýhodnější kov pro obrábění nebo 3D tisk; titan je drahý, ale stále může způsobit skok v hodnotě. Úspora paliva u lehkých dílů pro letadlo nebo kosmickou loď bude obrovská, zatímco titanové díly vydrží déle.

Tepelné vlastnosti: Slitiny hliníku mají vysokou tepelnou vodivost a často se používají k výrobě radiátorů; pro vysokoteplotní aplikace je titan díky vysokému bodu tání vhodnější a letecké motory obsahují velké množství komponent ze slitiny titanu.

Odolnost proti korozi: Hliník i titan mají vynikající odolnost proti korozi.

Odolnost proti korozi a nízká reaktivita titanu z něj činí nejvíce biokompatibilní kov a je široce používán v lékařských aplikacích, jako jsou chirurgické nástroje. Ti64 také dobře odolává slanému prostředí a často se používá v námořních aplikacích.

Slitiny hliníku a slitiny titanu jsou velmi běžné v leteckých aplikacích. Titanová slitina má vysokou pevnost a nízkou hustotu (pouze asi 57 procent oceli) a její specifická pevnost (pevnost/hustota) je mnohem větší než u jiných kovových konstrukčních materiálů. Může vyrábět díly s vysokou pevností jednotky, dobrou tuhostí a nízkou hmotností. Titanové slitiny lze použít v součástech leteckých motorů, kostrách, potahech, spojovacích materiálech a přistávacích zařízeních. Referenční data technologie 3D tisku zjistila, že hliníkové slitiny jsou vhodné pro práci v prostředí pod 200 °C. Hliníkový materiál použitý v karoserii Airbusu A380 tvoří více než 1/3 a C919 také používá velké množství konvenčních vysoce- výkonné materiály z hliníkové slitiny. Potahy letadel, přepážky, žebra atd. mohou být vyrobeny z hliníkových slitin.

Výroba titanových aditiv a letecký průmysl

Jak uvádí Globální výhled leteckého a obranného průmyslu na rok 2019 zveřejněný společností Deloitte, jak letecký a obranný průmysl neustále roste, poroste i poptávka po výrobě. A při navrhování pro letecké a obranné aplikace je rozhodující výběr materiálu. U off-the-ground komponentů je klíčové snížení počtu komponent a hmotnosti. V těchto oblastech může každý 1g úbytku hmotnosti přinést velké výhody.

Titan má extrémně vysoký bod tání, přes 1600 stupňů, a je také typicky obtížně obrobitelný materiál, což je hlavní důvod, proč je dražší než jiné kovy. Ti6Al4V je v současnosti nejpoužívanějším materiálem z titanové slitiny. Vyznačuje se nejen nízkou hmotností, ale také vysokou pevností a odolností vůči vysokým teplotám. Díky těmto vlastnostem je velmi populární v leteckém průmyslu. Mezi běžné aplikace patří výroba lopatek, kotoučů, pouzder a dalších dílů pro nízkoteplotní sekci ventilátorů motoru a kompresorů s rozsahem provozních teplot 400-500 stupňů; používá se také při výrobě součástí draků letadel a kapslí, skříní raketových motorů a vrtulníků, nábojů rotorů atd. Navzdory vysoké teplotě a odolnosti proti korozi má titan špatnou elektrickou vodivost, což z něj činí špatnou volbu pro elektrické aplikace. Titan je také dražší ve srovnání s jinými lehkými kovy, jako je hliník.

Využití titanu v leteckém průmyslu

Použití technologie aditivní výroby přispívá ke snížení nákladů na zpracování a plýtvání surovinami, což má významné ekonomické výhody. Slitiny na bázi titanu jsou také nejsystematičtějšími a nejvyspělejšími slitinovými systémy pro výzkum aditivní výroby. Aditivně vyráběné komponenty z titanové slitiny byly použity jako nosné konstrukce v oblasti letectví a kosmonautiky. Podle průzkumu referencí technologie 3D tisku začala společnost Aero Met Company ze Spojených států vyrábět nosné konstrukční zkušební kusy z titanové slitiny pro kombinované stíhací/útočné letouny na nosiči Boeing F/A-18E/F letadel v malých sériích v roce 2001 a v roce 2002 převzal vedení při realizaci slitiny titanu LMD. Aplikace sekundárních nosných konstrukčních dílů na ověřovacím stroji F/A{10}}. Pekingská univerzita pro letectví a kosmonautiku učinila průlom v klíčové technologii laserové aditivní výroby titanových slitin. Komplexní mechanické vlastnosti slitin výrazně převyšují vlastnosti výkovků. Rozsáhlé rámy hlavních ložisek z titanové slitiny a další vyvinuté komponenty byly instalovány a aplikovány na letadla. Northwestern Polytechnical University použila technologii laserové aditivní výroby k výrobě vzorků horního a spodního okrajového pásu žebra centrálního křídla letadla C919 pro COMAC o rozměrech 3000 mm × 350 mm × 450 mm a hmotnosti 196 kg.

Slitiny na bázi hliníku mají nízkou hustotu, vysokou měrnou pevnost, silnou odolnost proti korozi, dobrou tvarovatelnost a dobré fyzikální a mechanické vlastnosti. Jedná se o nejpoužívanější konstrukční materiály z neželezných kovů v průmyslu. Pro laserovou aditivní výrobu jsou materiály na bázi hliníku typicky obtížně obrobitelné materiály, které jsou určeny svými speciálními fyzikálními vlastnostmi (nízká hustota, nízká absorpce laseru, vysoká tepelná vodivost, snadná oxidace atd.). Z hlediska procesu tváření aditivní výroby je hustota hliníkové slitiny relativně malá, tekutost prášku je relativně špatná, rovnoměrnost ukládání na loži formovacího prášku SLM je špatná nebo kontinuita dopravy prášku v LMD proces je špatný. Proto je přesnost a přesnost systému nanášení prášku/prášku v zařízení na výrobu laserových přísad relativně vysoká.

V současné době jsou hliníkové slitiny používané v aditivní výrobě převážně slitiny Al-Si, mezi nimiž byly široce studovány AlSi10Mg a AlSi12 s dobrou tekutostí. Vzhledem k materiálové povaze slitiny Al-Si odlévané hliníkové slitiny, přestože je připravena optimalizovaným výrobním procesem laserových aditiv, je obtížné překročit pevnost v tahu 400 MPa, což omezuje její provozní výkonnost v letectví a jiných oblastech. Použití na vysoce nosné prvky.

Množství hliníkové slitiny používané v letadlech je až 20 procent

Aby bylo možné dále získat vyšší mechanické vlastnosti, mnoho společností a univerzit doma i v zahraničí v posledních letech zrychlilo tempo výzkumu a vývoje a bylo uvedeno velké množství vysoce pevných hliníkových slitin určených pro aditivní výrobu. Airbus vyvinul Scalmalloy, první vysoce pevný práškový materiál z hliníkové slitiny na světě pro aditivní výrobu, s pevností v tahu 520 MPa při pokojové teplotě, který byl aplikován na aditivní výrobu konstrukčních dílů kabin letadla A320. Pevnost vysoce pevné hliníkové slitiny 7A77.60L pro 3D tisk vyvinutá Hughes Research Laboratory (HRL) ve Spojených státech přesahuje 600 Mpa, což z ní činí první kovanou ekvivalentní vysoce pevnou hliníkovou slitinu, kterou lze použít pro aditivní výrobu. NASA Marshall Space Flight Center začala Tento materiál se používá při výrobě velkých leteckých dílů; Referenční technologie 3D tisku také oznámila nový typ vysoce pevné hliníkové slitiny navržené a vyvinuté domácím průmyslovým výzkumným ústavem CRRC pro 3D tisk, který překonává patentová omezení Airbusu. Stabilita přesahuje 560 MPa, což je výrazně lepší než tiskový výkon prášku z hliníkové slitiny Airbus Scalmalloy®, který může splnit potřeby 3D tisku špičkových výrobních dílů, jako je zařízení pro domácí železniční dopravu a letecký průmysl. aplikace výroby materiálů.

Moderní komponenty pro letectví a kosmonautiku musí splňovat řadu náročných požadavků, jako je lehkost, vysoký výkon, vysoká spolehlivost a nízké náklady, přičemž struktura komponent je složitější a obtížnější je navrhnout a vyrobit. Inovace a vývoj klíčových technologií pro laserovou aditivní výrobu komponentů na bázi hliníku, titanu a niklu v letectví nejen odráží směr vývoje lehkých a vysoce výkonných při výběru materiálů, ale také zdůrazňuje přesnost samotné technologie aditivní výroby. , Vývojový trend čistého tvaru může realizovat integrovanou aditivní výrobu materiálu-struktura-výkon a hlavní inženýrskou aplikaci technologie aditivní výroby v letectví.