Kiváló választás additív gyártáshoz a csúcskategóriás repülőgépiparban

A titán és az alumíniumötvözet teljesítménye és költsége az anyagtechnológia fejlődésének két örök hajtóereje, míg a könnyű súly, az integráció és a szerkezeti funkciók integrációja a repülőgép szerkezeti tervezése, az anyagfelhasználás és a gyártástechnológia közös kihívása. Az elmúlt néhány évtizedben a hálóközeli formázási technológiák, mint például a forró izosztatikus préselés, a fröccsöntés és a kisülési plazma szinterezés nagy előrelépést értek el a titánötvözetek területén, de a szűk keresztmetszeti problémákat, mint például az oxigéntartalom és a porozitás, nem sikerült hatékonyan megoldani. , ezzel korlátozva alkalmazásukat a repülési titánötvözet szerkezetek gyártásában.

A tudományos feltárás és fejlesztés szempontjából a modern iparnak nagy szilárdságú, törési szilárdságú és merev szerkezeti anyagokra van szüksége, miközben a lehető legnagyobb mértékben csökkenti a súlyt. Ezért a könnyű, nagy szilárdságú ötvözetek, mint például a titán és az alumínium, valamint a teherbíró hőálló ötvözetek, például a Ni-alapú szuperötvözetek kerültek az új anyagkutatási és -fejlesztési tervek középpontjába különböző országokban. Ezenkívül ezek az anyagok a lézeradalékok gyártásában is fontos alkalmazási anyagok.

A titánötvözet és az alumíniumötvözet előnyei és különbségei

A titánötvözet nagy fajlagos szilárdsággal, fajlagos merevséggel és jó korrózióállósággal rendelkezik, amely megfelel a nagy manőverezőképességű, nagy megbízhatóságú és hosszú élettartamú repülőgépek tervezési igényeinek, és alkalmazási szintje fontos szimbólummá vált a repülőgépek anyagválasztásának fejlett fokának mérésére.

A titánötvözetek és alumíniumötvözetek széles körben használatosak az űrhajózásban, az autóiparban, a gépgyártásban és más területeken kiváló alacsony sűrűségük és szerkezeti szilárdságuk miatt. Különösen a repülési iparban játszanak nagyon fontos szerepet, és a repülési ipar fő szerkezeti anyagai. Bár a titánötvözetek körülbelül kétharmadával nehezebbek, mint az alumíniumötvözetek, eredendő szilárdságuk azt jelenti, hogy a szükséges szilárdság kisebb mennyiségben is elérhető. A titánötvözet szilárdsága és alacsony sűrűsége miatt az üzemanyagköltségek csökkentésének fontos anyagává vált, és széles körben használják repülőgép-hajtóművekben és különféle típusú űrjárművekben. Az alumíniumötvözet a legszélesebb körben használt és legelterjedtebb autóipari könnyűsúlyú anyag ebben a szakaszban, sűrűsége pedig csak egyharmada az acélénak. Tanulmányok kimutatták, hogy az alumíniumötvözet 540 kg-ig használható a teljes járműben, így az autó tömege 40%-kal csökken. Jó példa a teljesen alumínium karosszériák használata olyan márkák járműveiben, mint az Audi és a Toyota.

Mivel mindkét anyag nagy szilárdságú és alacsony sűrűségű, az ötvözet kiválasztásakor más tényezőket is figyelembe kell venni.

Kritikus helyzetekben, ahol nagy szilárdság és kis tömeg szükséges, minden gramm számít, de ha nagyobb szilárdságú alkatrészekre van szükség, a titán a legjobb választás. Ezért a titánötvözeteket orvosi eszközök/implantátumok, összetett műhold-alkatrészek, szerelvények és konzolok készítésére használják.

Költség szempontjából az alumínium a legköltséghatékonyabb fém megmunkáláshoz vagy 3D nyomtatáshoz; Míg a titán többe kerül, a könnyű alkatrészek óriási előnyökkel járnak a repülőgépek vagy űrhajók által megtakarított üzemanyag tekintetében, míg a titánötvözet alkatrészek hosszabb élettartammal rendelkeznek.

A termikus tulajdonságokat tekintve az alumíniumötvözetek nagy hővezető képességgel rendelkeznek, és gyakran használják radiátorok készítésére; Magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz a titán magas olvadáspontja alkalmasabbá teszi, és az aeromotorok nagyszámú titánötvözet alkatrészt tartalmaznak.

A titán korrózióállósága és alacsony reakcióképessége a leginkább biokompatibilis fémmé teszi, és széles körben használják orvosi alkalmazásokban, például sebészeti eszközökben. A Ti64 jól ellenáll a sótartalmú környezetnek is, és gyakran használják tengeri alkalmazásokban.

A repülőgépiparban széles körben használják az alumíniumötvözeteket és a titánötvözeteket. A titánötvözet előnye a nagy szilárdság és az alacsony sűrűség (az acélnak csak kb. 57%-a), fajlagos szilárdsága (szilárdság/sűrűség) pedig messze meghaladja a többi fém szerkezeti anyagét, és nagy egységszilárdságú, jó merevségű és könnyű súly. A repülőgép indítóalkatrészei, csontváza, bőre, rögzítőelemei és futóművei mind titánötvözetből készülnek. Ezen túlmenően a releváns anyagok ellenőrzésére szolgáló 3D nyomtatási technológiai hivatkozások megállapították, hogy az alumíniumötvözet alkalmas 200 fok alatti környezetben történő munkavégzésre, az Airbus A380 törzse az alumínium több mint 1/3-át használja fel, a C919 pedig szintén nagyszámú hagyományos magas -teljesítményű alumíniumötvözet anyagok. Az alumíniumötvözetet repülőgépborításokhoz, válaszfalakhoz, szárnybordákhoz és egyéb alkatrészekhez használják.

Magas olvadáspontja és nehéz feldolgozási tulajdonságai miatt a titánötvözetek az egyik legdrágább fémanyag. A Ti6Al4V titánötvözet könnyű súlya, nagy szilárdsága és magas hőmérséklet-állósága azonban kiemelkedő szerepet tölt be a repülőgépiparban. Alkalmazási köre magában foglalja a motorventilátorok és kompresszorok alacsony hőmérsékletű részében működő lapátokat, tárcsákat, vevőegységeket és egyéb alkatrészeket, az üzemi hőmérsékleti tartomány elérheti a 400-500 fokot is. Ezenkívül törzs- és kapszulaalkatrészek, rakétahajtóművek házainak és helikopter-rotor légcsavar-agyak gyártásához használják. Azonban gyenge vezetőképessége miatt a titán nem ideális elektromos alkalmazásokhoz. Bár a titánötvözet ára viszonylag magas, magas hőmérséklet- és korrózióállóságát más könnyűfémekkel nem lehet pótolni.

Az alumínium alapú ötvözetek kiváló fizikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, például alacsony sűrűségűek, nagy fajlagos szilárdságuk, erős korrózióállóságuk és jó alakíthatóságuk, ezért széles körben használják az iparban. Az additív gyártási formázási folyamat szempontjából azonban az alumíniumötvözet sűrűsége kicsi, a por folyékonysága viszonylag gyenge, az SLM-képző porágyon rossz az egyenletes fektetés, vagy rossz a por szállításának folytonossága az LMD folyamatban. , így a lézeres adalékanyag-gyártó berendezésekben a porszóró/adagoló rendszer precizitása és pontossága magas.

Jelenleg az additív gyártás során használt alumíniumötvözetek főként Al-Si ötvözetek, amelyek közül az AlSi10Mg és AlSi12 jó folyékonyságú AlSi12-t széles körben tanulmányozták. Mivel azonban az Al-Si ötvözet az öntött alumíniumötvözethez tartozik, jóllehet optimalizált lézeradalékos gyártási eljárással állítják elő, szakítószilárdsága továbbra is nehezen haladja meg a 400 MPa-t, ami korlátozza a használatát teherhordó alkatrészekben, amelyek magasabb szolgáltatási teljesítményigényűek a repülőgépiparban. és más területeken.

A modern repülőgép-alkatrészek számos igényes követelményekkel szembesülnek, beleértve a könnyű súlyt, a nagy teljesítményt, a nagy megbízhatóságot és az alacsony költségeket. Ezt az összetett szerkezetet rendkívül nehéz megtervezni és legyártani. Az űrrepülés tipikus alumínium-, titán- és nikkel-alapú alkatrészeinek lézeres adalékos gyártási technológiájának innovációjával és fejlesztésével nemcsak könnyű és nagy teljesítményt érhetünk el az anyagválasztásban, hanem tükrözhetjük az adalékanyag-gyártás precíziós és nettó alakjának fejlődési trendjét is. technológia. Az anyagok-szerkezet-tulajdonságok additív gyártás integrációjával additív gyártástechnológiát alkalmazhatunk a repülőgép- és űrkutatási szakterület nagy mérnöki munkáiban.