Vynikající volba pro aditivní výrobu v oblasti špičkového letectví

Výkon a cena titanu a slitin hliníku jsou dvě věčné hnací síly pro vývoj materiálové technologie, zatímco lehkost, integrace a integrace konstrukčních funkcí jsou společnými výzvami konstrukčního návrhu letadla, aplikace materiálů a výrobní technologie. V posledních několika desetiletích dosáhly technologie tváření v blízkosti sítě, jako je izostatické lisování za tepla, vstřikování a výbojové plazmové slinování, velkého pokroku v oblasti titanových slitin, ale problémy s úzkým místem, jako je obsah kyslíku a pórovitost, nebyly účinně vyřešeny. , což omezuje jejich použití při výrobě konstrukcí z leteckých slitin titanu.

Z hlediska vědeckého zkoumání a vývoje potřebuje moderní průmysl konstrukční materiály s vysokou pevností, lomovou houževnatostí a tuhostí při co největší redukci hmotnosti. Proto se lehké vysokopevnostní slitiny, jako je titan a hliník, a nosné žáruvzdorné slitiny, jako jsou superslitiny na bázi Ni, staly středem zájmu plánů výzkumu a vývoje nových materiálů v různých zemích. Kromě toho jsou tyto materiály také důležitými aplikačními materiály při výrobě laserových aditiv.

Výhody a rozdíly mezi slitinou titanu a slitinou hliníku

Titanová slitina má vysokou specifickou pevnost, specifickou tuhost a dobrou odolnost proti korozi, což splňuje konstrukční potřeby letadel s vysokou manévrovatelností, vysokou spolehlivostí a dlouhou životností a její aplikační úroveň se stala důležitým symbolem pro měření pokročilého stupně výběru leteckého materiálu.

Titanové slitiny a hliníkové slitiny jsou široce používány v letectví, automobilovém průmyslu, strojírenství a dalších oborech, protože mají vynikající nízkou hustotu a strukturální pevnost. Zejména v leteckém průmyslu hrají velmi důležitou roli a jsou hlavními konstrukčními materiály leteckého průmyslu. Přestože jsou slitiny titanu asi o dvě třetiny těžší než slitiny hliníku, jejich vlastní pevnost znamená, že požadované pevnosti lze dosáhnout v menším množství. Titanová slitina se stala důležitým materiálem pro snížení nákladů na palivo kvůli své pevnosti a nízké hustotě a je široce používána v leteckých proudových motorech a různých typech kosmických lodí. Hliníková slitina je v této fázi nejrozšířenějším a nejběžnějším automobilovým lehkým materiálem a její hustota je pouze jedna třetina hustoty oceli. Studie ukázaly, že hliníkovou slitinu lze použít až do hmotnosti 540 kg v celém vozidle, takže hmotnost vozu se sníží o 40 %. Dobrým příkladem je použití celohliníkových karoserií ve vozidlech značek jako Audi a Toyota.

Protože oba materiály mají vysokou pevnost a nízkou hustotu, je třeba při výběru slitiny vzít v úvahu další faktory.

V kritických situacích, kdy je vyžadována vysoká pevnost a nízká hmotnost, se počítá každý gram, ale pokud jsou potřeba komponenty s vyšší pevností, je nejlepší volbou titan. Slitiny titanu se proto používají k výrobě lékařských zařízení/implantátů, složitých satelitních komponent, přípravků a držáků.

Z hlediska nákladů je hliník cenově nejvýhodnějším kovem pro obrábění nebo 3D tisk; Zatímco titan stojí více, lehké díly přinesou obrovské výhody palivu ušetřenému letadly nebo kosmickými loděmi, zatímco díly ze slitiny titanu mají delší životnost.

Z hlediska tepelných vlastností mají hliníkové slitiny 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 dílů ze slitiny titanu.

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.

V oblasti letectví jsou široce používány slitiny hliníku a slitiny titanu. Titanová slitina má výhody vysoké pevnosti a nízké hustoty (pouze asi 57 % oceli) a její specifická pevnost (pevnost/hustota) daleko převyšuje pevnost jiných kovových konstrukčních materiálů a může vyrábět díly s vysokou jednotkovou pevností, dobrou tuhostí a lehká váha. Startovací části, kostra, kůže, spojovací prvky a podvozek v letadle jsou vyrobeny z titanové slitiny. Kromě toho odkaz na technologii 3D tisku pro kontrolu příslušných materiálů zjistil, že hliníková slitina je vhodná pro práci v prostředí pod 200 stupňů, trup Airbusu A380 využívá více než 1/3 hliníku a C919 také používá velké množství konvenčních vysokých - výkonné materiály z hliníkové slitiny. Hliníková slitina se používá na pláště letadel, přepážky, žebra křídel a další díly.

Slitiny titanu jsou díky svému vysokému bodu tání a obtížným zpracovatelským vlastnostem jedním z nejdražších kovových materiálů. Nicméně lehkost, vysoká pevnost a odolnost vůči vysokým teplotám z titanové slitiny Ti6Al4V z ní činí významný profil v leteckém průmyslu. Rozsah jeho použití zahrnuje lopatky, kotouče, přijímače a další díly pracující v nízkoteplotní sekci ventilátorů motoru a kompresorů a rozsah pracovních teplot může dosáhnout 400-500 stupňů. Kromě toho se používá při výrobě součástí trupu a kapslí, skříní raketových motorů a nábojů vrtulí rotorů vrtulníků. Kvůli své špatné vodivosti však není titan ideální pro elektrické aplikace. Přestože je cena titanové slitiny poměrně vysoká, její vysoká teplotní odolnost a odolnost proti korozi nelze nahradit jinými lehkými kovy.

Slitiny na bázi hliníku mají vynikající fyzikální vlastnosti a mechanické vlastnosti, jako je nízká hustota, vysoká měrná pevnost, silná odolnost proti korozi a dobrá tvarovatelnost, proto jsou široce používány v průmyslu. Z hlediska procesu tvarování aditivní výroby je však hustota hliníkové slitiny malá, tekutost prášku je relativně špatná, rovnoměrnost pokládání na loži formovacího prášku SLM je špatná nebo kontinuita dopravy prášku v procesu LMD je špatná. , takže přesnost a přesnost systému nanášení/dávkování prášku v zařízení na výrobu laserových aditiv jsou vysoké.

V současné době jsou hliníkové slitiny používané v aditivní výrobě převážně slitiny Al-Si, z nichž AlSi10Mg a AlSi12 s dobrou tekutostí byly široce studovány. Protože však slitina Al-Si patří k lité hliníkové slitině, ačkoli je připravena optimalizovaným výrobním procesem laserových aditiv, její pevnost v tahu je stále obtížné překročit 400 MPa, což omezuje její použití v nosných součástech s vyššími požadavky na provozní výkon v leteckém průmyslu. a další obory.

Moderní letecké komponenty čelí řadě náročných požadavků, včetně nízké hmotnosti, vysokého výkonu, vysoké spolehlivosti a nízkých nákladů. Tuto složitou konstrukci je extrémně obtížné navrhnout a vyrobit. Prostřednictvím inovace a vývoje technologie laserové aditivní výroby pro typické hliníkové, titanové a niklové komponenty pro letectví a kosmonautiku můžeme nejen dosáhnout nízké hmotnosti a vysokého výkonu při výběru materiálů, ale také odrážet vývojový trend přesnosti a čistého tvaru aditivní výroby. technika. Díky integraci aditivní výroby materiálů-struktura-vlastnosti můžeme aplikovat technologii aditivní výroby na hlavní strojírenství v oblasti letectví a kosmonautiky.