Fremragende valg til additiv fremstilling i det avancerede rumfartsområde

Titanium og aluminiumlegerings ydeevne og omkostninger er de to evige drivkræfter for udviklingen af ​​materialeteknologi, mens letvægts-, integrations- og strukturel funktionsintegration er de fælles udfordringer for flyets strukturelle design, materialeanvendelse og fremstillingsteknologi. I de sidste par årtier har næsten-net-dannende teknologier såsom varm isostatisk presning, sprøjtestøbning og udledningsplasmasintring gjort store fremskridt inden for titanlegeringer, men flaskehalsproblemerne såsom oxygenindhold og porøsitet er ikke blevet effektivt løst. , hvilket begrænser deres anvendelse i fremstillingen af ​​luftfartskonstruktioner af titanlegering.

Fra perspektivet af videnskabelig udforskning og udvikling har moderne industri brug for strukturelle materialer med høj styrke, brudsejhed og stivhed, samtidig med at vægten reduceres så meget som muligt. Derfor er lette højstyrkelegeringer som titanium og aluminium og bærende varmebestandige legeringer som Ni-baserede superlegeringer blevet fokus for nye materialeforsknings- og udviklingsplaner i forskellige lande. Derudover er disse materialer også vigtige applikationsmaterialer i laseradditiv fremstilling.

Fordele og forskelle mellem titanlegering og aluminiumslegering

Titaniumlegering har høj specifik styrke, specifik stivhed og god korrosionsbestandighed, som opfylder designbehovene for fly med høj manøvredygtighed, høj pålidelighed og lang levetid, og dens anvendelsesniveau er blevet et vigtigt symbol for at måle den avancerede grad af flymaterialevalg.

Titaniumlegeringer og aluminiumslegeringer er meget udbredt i rumfart, bilindustrien, maskinfremstilling og andre områder på grund af deres fremragende lave tæthed og strukturelle styrke. Især i luftfartsindustrien spiller de en meget vigtig rolle og er de vigtigste strukturelle materialer i luftfartsindustrien. Selvom titanlegeringer er omkring to tredjedele tungere end aluminiumslegeringer, betyder deres iboende styrke, at den nødvendige styrke kan opnås i mindre mængder. Titaniumlegering er blevet et vigtigt materiale til at reducere brændstofomkostningerne på grund af dets styrke og lave densitet og er meget udbredt i flyjetmotorer og forskellige typer rumfartøjer. Aluminiumslegering er det mest udbredte og almindelige letvægtsmateriale til biler på dette stadium, og dens tæthed er kun en tredjedel af stål. Undersøgelser har vist, at aluminiumslegering kan bruges op til 540 kg i hele køretøjet, således at bilens vægt reduceres med 40%. Brugen af ​​karrosserier helt i aluminium i køretøjer af mærker som Audi og Toyota er et godt eksempel.

Da begge materialer har høj styrke og lav densitet, skal andre faktorer tages i betragtning, når du vælger en legering.

I kritiske situationer, hvor høj styrke og lav vægt er påkrævet, tæller hvert gram, men hvis der er behov for komponenter med højere styrke, er titanium det bedste valg. Derfor bruges titanlegeringer til fremstilling af medicinsk udstyr/implantater, komplekse satellitkomponenter, armaturer og beslag.

Med hensyn til omkostninger er aluminium det mest omkostningseffektive metal til bearbejdning eller 3D-print; Mens titanium koster mere, vil letvægtsdele bringe enorme fordele til det brændstof, der spares af fly eller rumfartøjer, mens titaniumlegeringsdele har en længere levetid.

Med hensyn til termiske egenskaber har aluminiumslegeringer høj varmeledningsevne og bruges ofte til at lave radiatorer; Til højtemperaturapplikationer gør titaniums høje smeltepunkt det mere egnet, og flymotorer indeholder et stort antal titanlegeringsdele.

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

I rumfartsområdet er aluminiumslegeringer og titanlegeringer meget udbredt. Titaniumlegering har fordelene ved høj styrke og lav densitet (kun ca. 57% af stål), og dens specifikke styrke (styrke/densitet) overstiger langt andre metalstrukturmaterialer og kan producere dele med høj enhedsstyrke, god stivhed og let vægt. Startdelene, skelet, skind, fastgørelsesanordninger og landingsstel i flyet er alle lavet af titanlegering. Derudover fandt 3D-printteknologi reference for at kontrollere de relevante materialer, at aluminiumslegering er egnet til at arbejde i et miljø under 200 grader, Airbus A380 skrog bruger mere end 1/3 af aluminium, og C919 bruger også et stort antal konventionelle høje -ydeevne aluminiumslegeringsmaterialer. Aluminiumslegering bruges til flyskind, skillevægge, vingeribber og andre dele.

På grund af dets høje smeltepunkt og vanskelige forarbejdningsegenskaber er titanlegeringer et af de dyreste metalmaterialer. Men den lette, høje styrke og høje temperaturbestandighed af Ti6Al4V titanlegering gør den til en høj profil inden for rumfartsområdet. Dens anvendelsesområde omfatter blade, skiver, modtagere og andre dele, der arbejder i lavtemperatursektionen af ​​motorventilatorer og kompressorer, og arbejdstemperaturområdet kan nå 400-500 grader . Derudover bruges det til fremstilling af skrog- og kapselkomponenter, raketmotorhuse og helikopterrotorpropellernav. Men på grund af dets dårlige ledningsevne er titanium ikke ideelt til elektriske applikationer. Selvom prisen på titanlegering er relativt høj, kan dens høje temperaturbestandighed og korrosionsbestandighed ikke erstattes af andre letmetaller.

Aluminiumsbaserede legeringer har fremragende fysiske egenskaber og mekaniske egenskaber såsom lav densitet, høj specifik styrke, stærk korrosionsbestandighed og god formbarhed, så de er meget udbredt i industrien. Men set fra additiv fremstillingsstøbeproces er tætheden af ​​aluminiumslegering lille, pulverfluiditeten er relativt dårlig, ensartetheden af ​​at lægge på SLM-dannende pulverleje er dårlig, eller kontinuiteten af ​​pulvertransporten i LMD-processen er dårlig. , så præcisionen og nøjagtigheden af ​​pulversprednings-/fodringssystemet i laseradditivfremstillingsudstyr er høj.

På nuværende tidspunkt er de aluminiumslegeringer, der anvendes til additiv fremstilling, hovedsageligt Al-Si-legeringer, hvoraf AlSi10Mg og AlSi12 med god flydende er blevet undersøgt bredt. Men fordi Al-Si-legering tilhører støbt aluminiumslegering, selvom den er fremstillet ved optimeret laseradditiv fremstillingsproces, er dens trækstyrke stadig vanskelig at overstige 400 MPa, hvilket begrænser dens brug i bærende komponenter med højere serviceydelseskrav i rumfart og andre felter.

Moderne rumfartskomponenter står over for en række krævende krav, herunder letvægt, høj ydeevne, høj pålidelighed og lave omkostninger. Denne komplekse struktur er ekstremt vanskelig at designe og fremstille. Gennem innovation og udvikling af laseradditiv fremstillingsteknologi til typiske aluminium-, titanium- og nikkel-baserede komponenter inden for rumfart, kan vi ikke kun opnå letvægts og høj ydeevne i materialevalg, men også afspejle udviklingstendensen for præcision og nettoform af additiv fremstilling teknologi. Med integrationen af ​​materiale-struktur-egenskaber additiv fremstilling kan vi anvende additiv fremstillingsteknologi til større ingeniørvirksomhed inden for rumfartsområdet.