Aluminium en titanium: uitstekende keuzes voor de productie van additieven in de ruimtevaart

Gebaseerd op het perspectief van geavanceerde wetenschappelijke verkenning en ontwikkeling, publiceerde Science ooit een artikel dat erop wees dat de moderne industrie vereist dat structurele materialen een hoge sterkte, breuktaaiheid en stijfheid hebben en tegelijkertijd het gewicht zoveel mogelijk verminderen. In dit geval zijn lichtgewicht, zeer sterke legeringen, weergegeven door aluminium en titanium, en dragende hittebestendige legeringen, weergegeven door op Ni gebaseerde superlegeringen, een van de belangrijkste materialen geworden die zijn ontwikkeld in de onderzoeks- en ontwikkelingsplannen van nieuwe materialen in verschillende landen, en zijn ook bezig met laseradditieve fabricage. Belangrijk toegepast materiaal.

Voordelen en verschillen tussen titanium en aluminium

Aluminiumlegering en titaniumlegering worden vanwege hun uitstekende lage dichtheid en structurele sterkte veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, auto's, machinebouw en andere gebieden, of het nu gaat om 3D-printen of CNC-verwerking, vooral in de luchtvaartindustrie. Het is het belangrijkste structurele materiaal van de luchtvaartindustrie.

Zowel titanium als aluminium zijn licht, maar er zijn nog steeds verschillen tussen de twee. Hoewel titanium ongeveer tweederde zwaarder is dan aluminium, betekent zijn inherente sterkte dat de vereiste sterkte kan worden bereikt met minder. Titaniumlegeringen worden veel gebruikt in straalmotoren van vliegtuigen en verschillende soorten ruimtevaartuigen, en hun sterkte en lage dichtheid kunnen de brandstofkosten verlagen. De dichtheid van aluminiumlegeringen is slechts een derde van die van staal en het is in dit stadium het meest gebruikte en meest voorkomende lichtgewicht materiaal voor auto's. Studies hebben aangetoond dat aluminiumlegeringen kunnen worden gebruikt in voertuigen tot 540 kg. Met een gewichtsbesparing van 40 procent is de volledig aluminium carrosserie van voertuigen van Audi, Toyota en andere merken een goed voorbeeld.

Materiaaleigenschappen van aluminium en titanium

Aangezien beide materialen een hoge sterkte en een lage dichtheid hebben, moeten andere verschillen in overweging worden genomen bij de beslissing welke legering moet worden gebruikt.

Sterkte/Gewicht: In kritieke situaties telt elke gram van een onderdeel, maar als een onderdeel met een hogere sterkte nodig is, is titanium de beste keuze. Om deze reden worden titaniumlegeringen gebruikt bij de vervaardiging van onder meer medische apparaten/implantaten, complexe satellietassemblages, armaturen en stents.

Kosten: Aluminium is het meest kosteneffectieve metaal voor machinale bewerking of 3D-printen; titanium is duur, maar kan nog steeds een sprong in waarde maken. De brandstofbesparing van lichtgewicht onderdelen voor een vliegtuig of ruimtevaartuig zal enorm zijn, terwijl titanium onderdelen langer meegaan.

Thermische eigenschappen: Aluminiumlegeringen hebben een hoge thermische geleidbaarheid en worden vaak gebruikt om radiatoren te maken; voor toepassingen bij hoge temperaturen maakt het hoge smeltpunt van titanium het geschikter, en vliegtuigmotoren bevatten een groot aantal componenten van titaniumlegeringen.

Corrosieweerstand: Zowel aluminium als titanium hebben een uitstekende corrosieweerstand.

Titanium's corrosieweerstand en lage reactiviteit maken het het meest biocompatibele metaal en het wordt veel gebruikt in medische toepassingen zoals chirurgische instrumenten. Ti64 is ook goed bestand tegen zoute omgevingen en wordt vaak gebruikt in maritieme toepassingen.

Aluminiumlegeringen en titaniumlegeringen komen veel voor in ruimtevaarttoepassingen. Titaniumlegering heeft een hoge sterkte en een lage dichtheid (slechts ongeveer 57 procent van staal) en de specifieke sterkte (sterkte/dichtheid) is veel groter dan die van andere metalen constructiematerialen. Het kan onderdelen produceren met een hoge eenheidssterkte, goede stijfheid en lichtgewicht. Titaniumlegeringen kunnen worden gebruikt in onderdelen van vliegtuigmotoren, skeletten, huiden, bevestigingsmiddelen en landingsgestellen. Uit referentiegegevens voor 3D-printtechnologie bleek dat aluminiumlegeringen geschikt zijn om te werken in een omgeving onder 200 ° C. Het aluminiummateriaal dat in de Airbus A380-behuizing wordt gebruikt, is goed voor meer dan 1/3, en de C919 gebruikt ook een groot aantal conventionele hoogwaardige hoogwaardige materialen van aluminiumlegering. Vliegtuighuiden, schotten, ribben, enz. kunnen gemaakt zijn van aluminiumlegeringen.

Productie van titaniumadditieven en de lucht- en ruimtevaartindustrie

Zoals de 2019 Global Aerospace and Defense Industry Outlook gepubliceerd door Deloitte aangeeft, zal de vraag naar productie toenemen naarmate de luchtvaart- en defensie-industrie blijft groeien. En bij het ontwerpen voor ruimtevaart- en defensietoepassingen is de materiaalkeuze van cruciaal belang. Voor off-the-ground componenten is het belangrijk om het aantal componenten en het gewicht te verminderen. In deze gebieden kan elke 1 gram gewichtsverlies grote voordelen opleveren.

Titanium heeft een extreem hoog smeltpunt, meer dan 1600 graden, en is ook typisch een moeilijk te bewerken materiaal, wat de belangrijkste reden is waarom het duurder is dan andere metalen. Ti6Al4V is momenteel het meest gebruikte materiaal van titaniumlegeringen. Het is niet alleen licht in gewicht, maar heeft ook een hoge sterkte en hoge temperatuurbestendigheid. Deze eigenschappen maken het erg populair in de ruimtevaart. Veel voorkomende toepassingen zijn de fabricage van schoepen, schijven, behuizingen en andere onderdelen voor het lagetemperatuurgedeelte van motorventilatoren en compressoren, met een bedrijfstemperatuurbereik van 400-500 graden; wordt ook gebruikt bij de vervaardiging van casco- en capsulecomponenten, raketmotorbehuizingen en helikopters, rotornaven, enz. Ondanks zijn hoge temperatuur- en corrosieweerstand heeft titanium echter een slechte elektrische geleidbaarheid, waardoor het een slechte keuze is voor elektrische toepassingen. Titanium is ook duurder in vergelijking met andere lichtgewicht metalen zoals aluminium.

Gebruik van titanium in de lucht- en ruimtevaartindustrie

Het gebruik van additieve fabricagetechnologie is bevorderlijk voor het verminderen van verwerkingskosten en verspilling van grondstoffen, wat aanzienlijke economische voordelen heeft. Op titanium gebaseerde legeringen zijn ook de meest systematische en volwassen legeringssystemen voor onderzoek naar additieve fabricage. Additief vervaardigde componenten van titaniumlegering zijn gebruikt als dragende constructies in de ruimtevaart. Volgens het onderzoek van referenties van 3D-printtechnologie begon Aero Met Company uit de Verenigde Staten met het produceren van sub-dragende structurele teststukken van titaniumlegering voor Boeing F/A-18E/F carrier-based gecombineerde jager/aanval vliegtuigen in kleine batches in 2001 en nam het voortouw bij het realiseren van LMD titaniumlegering in 2002. De toepassing van secundaire dragende structurele onderdelen op de F/A-18 verificatiemachine. De Beijing University of Aeronautics and Astronautics heeft doorbraken bereikt in de sleuteltechnologie van de laseradditieve fabricage van titaniumlegeringen. De uitgebreide mechanische eigenschappen van de legeringen overtreffen die van smeedstukken aanzienlijk. De grootschalige hoofdlagerframes van titaniumlegering en andere ontwikkelde componenten zijn geïnstalleerd en toegepast in vliegtuigen. Northwestern Polytechnical University gebruikte lasertechnologie voor additieve fabricage om de bovenste en onderste randstrookmonsters van de centrale vleugelrib van het C919-vliegtuig voor COMAC te vervaardigen, met een afmeting van 3000 mm x 350 mm x 450 mm en een massa van 196 kg.

Legeringen op aluminiumbasis hebben een lage dichtheid, hoge specifieke sterkte, sterke corrosieweerstand, goede vervormbaarheid en goede fysieke en mechanische eigenschappen. Het zijn de meest gebruikte non-ferro metalen structurele materialen in de industrie. Voor de productie van laseradditieven zijn op aluminium gebaseerde materialen doorgaans moeilijk te bewerken materialen, die worden bepaald door hun speciale fysieke eigenschappen (lage dichtheid, laag laserabsorptievermogen, hoge thermische geleidbaarheid, gemakkelijke oxidatie, enz.). Vanuit het oogpunt van het vormingsproces van additieve fabricage is de dichtheid van aluminiumlegering relatief klein, de vloeibaarheid van het poeder is relatief slecht, de uniformiteit van het leggen op het SLM-vormende poederbed is slecht, of de continuïteit van poedertransport in de LMD proces is slecht. Daarom zijn de precisie en nauwkeurigheid van het poederverspreidings-/poedertoevoersysteem in de laseradditievenproductieapparatuur relatief hoog.

Op dit moment zijn de aluminiumlegeringen die worden gebruikt bij additieve productie voornamelijk Al-Si-legeringen, waaronder AlSi10Mg en AlSi12 met een goede vloeibaarheid op grote schaal zijn bestudeerd. Vanwege de materiële aard van de gegoten aluminiumlegering van Al-Si-legering, hoewel het is bereid door een geoptimaliseerd laseradditief productieproces, is de treksterkte moeilijk om 400 MPa te overschrijden, wat de serviceprestaties in de lucht- en ruimtevaart en andere gebieden beperkt. Gebruik op hoogdragende delen.

De hoeveelheid aluminiumlegering die in vliegtuigen wordt gebruikt, is maar liefst 20 procent

Om nog hogere mechanische eigenschappen te verkrijgen, hebben veel bedrijven en universiteiten in binnen- en buitenland het tempo van onderzoek en ontwikkeling de afgelopen jaren opgevoerd en is een groot aantal zeer sterke aluminiumlegeringen voor additive manufacturing op de lijst geplaatst. Airbus heeft Scalmalloy ontwikkeld, 's werelds eerste poedermateriaal van hoge sterkte aluminiumlegering voor additieve fabricage, met een treksterkte van 520 MPa bij kamertemperatuur, dat is toegepast op de additieve fabricage van structurele onderdelen van A320-vliegtuigcabines. De sterkte van de zeer sterke 7A77.60L aluminiumlegering voor 3D-printen, ontwikkeld door het Hughes Research Laboratory (HRL) in de Verenigde Staten, overschrijdt 600Mpa, waardoor het de eerste gesmede equivalente hoogwaardige aluminiumlegering is die kan worden gebruikt voor additive manufacturing. NASA Marshall Space Flight Center is begonnen met dit materiaal wordt gebruikt bij de productie van grootschalige ruimtevaartonderdelen; Referentie voor 3D-printtechnologie heeft ook melding gemaakt van een nieuw type zeer sterke aluminiumlegering, ontworpen en ontwikkeld door het binnenlandse CRRC Industry Research Institute voor 3D-printen, dat de patentbeperkingen van Airbus doorbreekt. De stabiliteit overschrijdt 560 MPa, wat aanzienlijk beter is dan de afdrukprestaties van Airbus Scalmalloy® aluminiumlegeringspoeder, dat kan voldoen aan de behoeften van 3D-printen van hoogwaardige productieonderdelen zoals binnenlandse spoorwegvervoerapparatuur en ruimtevaart. materiaal productie toepassingen.

Moderne luchtvaartcomponenten moeten voldoen aan een reeks veeleisende vereisten, zoals lichtgewicht, hoge prestaties, hoge betrouwbaarheid en lage kosten, en de structuur van componenten is complexer en moeilijker te ontwerpen en te produceren. Het innoveren en ontwikkelen van belangrijke technologieën voor de laseradditieve fabricage van aluminium, titanium en nikkelgebaseerde componenten in de lucht- en ruimtevaart, weerspiegelt niet alleen de ontwikkelingsrichting van lichtgewicht en hoge prestaties in materiaalkeuze, maar benadrukt ook de precisie van de additieve fabricagetechnologie zelf. , De ontwikkelingstrend van netvorm kan de geïntegreerde additieve productie van materiaal-structuur-prestaties en de belangrijkste technische toepassing van additieve productietechnologie in de lucht- en ruimtevaart realiseren.