Doskonały wybór do wytwarzania przyrostowego w najwyższej klasy branży lotniczej

Wydajność i koszt tytanu i stopu aluminium to dwie odwieczne siły napędowe rozwoju technologii materiałowej, podczas gdy lekkość, integracja i integracja funkcji konstrukcyjnych to typowe wyzwania związane z projektowaniem konstrukcyjnym samolotów, zastosowaniem materiałów i technologią produkcji. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci technologie formowania bliskiego netto, takie jak prasowanie izostatyczne na gorąco, formowanie wtryskowe i spiekanie plazmowe wyładowcze, poczyniły ogromne postępy w dziedzinie stopów tytanu, ale problemy z wąskimi gardłami, takie jak zawartość tlenu i porowatość, nie zostały skutecznie rozwiązane , ograniczając w ten sposób ich zastosowanie w produkcji konstrukcji ze stopów tytanu lotniczego.

Z punktu widzenia badań naukowych i rozwoju współczesny przemysł potrzebuje materiałów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości, odporności na pękanie i sztywności, przy jednoczesnej maksymalnej redukcji masy. Dlatego też lekkie stopy o wysokiej wytrzymałości, takie jak tytan i aluminium, oraz przenoszące obciążenia stopy żaroodporne, takie jak superstopy na bazie niklu, stały się przedmiotem badań nad nowymi materiałami i planów rozwoju w różnych krajach. Ponadto materiały te są również ważnymi materiałami aplikacyjnymi w laserowym wytwarzaniu przyrostowym.

Zalety i różnice między stopem tytanu a stopem aluminium

Stop tytanu ma wysoką wytrzymałość właściwą, sztywność właściwą i dobrą odporność na korozję, co spełnia potrzeby projektowe samolotów o wysokiej manewrowości, wysokiej niezawodności i długiej żywotności, a poziom jego zastosowania stał się ważnym symbolem pomiaru zaawansowanego stopnia doboru materiałów samolotów.

Stopy tytanu i stopy aluminium są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, produkcji maszyn i innych dziedzinach ze względu na ich doskonałą niską gęstość i wytrzymałość strukturalną. Szczególnie w przemyśle lotniczym odgrywają one bardzo ważną rolę i są głównymi materiałami konstrukcyjnymi przemysłu lotniczego. Chociaż stopy tytanu są o około dwie trzecie cięższe niż stopy aluminium, ich wrodzona wytrzymałość oznacza, że ​​wymaganą wytrzymałość można osiągnąć w mniejszych ilościach. Stop tytanu stał się ważnym materiałem pozwalającym obniżyć koszty paliwa ze względu na swoją wytrzymałość i małą gęstość i jest szeroko stosowany w silnikach odrzutowych samolotów i różnych typach statków kosmicznych. Stop aluminium jest na tym etapie najpowszechniej stosowanym i najpowszechniejszym lekkim materiałem samochodowym, a jego gęstość wynosi tylko jedną trzecią gęstości stali. Badania wykazały, że w całym pojeździe można zastosować stop aluminium do 540kg, dzięki czemu masa samochodu zostanie zmniejszona o 40%. Dobrym przykładem jest zastosowanie nadwozi całkowicie aluminiowych w pojazdach takich marek jak Audi i Toyota.

Ponieważ oba materiały mają wysoką wytrzymałość i niską gęstość, przy wyborze stopu należy wziąć pod uwagę inne czynniki.

W sytuacjach krytycznych, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość i niewielka waga, liczy się każdy gram, ale jeśli potrzebne są komponenty o większej wytrzymałości, najlepszym wyborem będzie tytan. Dlatego stopy tytanu są wykorzystywane do produkcji wyrobów medycznych/implantów, złożonych elementów satelitarnych, osprzętu i zamków.

Pod względem kosztów aluminium jest najbardziej opłacalnym metalem do obróbki skrawaniem lub drukowania 3D; Chociaż tytan kosztuje więcej, lekkie części przyniosą ogromne korzyści w zakresie paliwa oszczędzanego przez samoloty lub statki kosmiczne, podczas gdy części ze stopu tytanu mają dłuższą żywotność.

Pod względem właściwości termicznych stopy aluminium mają wysoką przewodność cieplną i są często stosowane do produkcji grzejników; Do zastosowań wysokotemperaturowych wysoka temperatura topnienia tytanu czyni go bardziej odpowiednim, a silniki lotnicze zawierają dużą liczbę części ze stopu tytanu.

Odporność na korozję i niska reaktywność tytanu sprawiają, że jest to najbardziej biokompatybilny metal i jest szeroko stosowany w zastosowaniach medycznych, takich jak narzędzia chirurgiczne. Ti64 jest również dobrze odporny na zasolenie i jest często stosowany w zastosowaniach morskich.

W przemyśle lotniczym szeroko stosowane są stopy aluminium i stopy tytanu. Stop tytanu ma zalety wysokiej wytrzymałości i małej gęstości (tylko około 57% stali), a jego wytrzymałość właściwa (wytrzymałość/gęstość) znacznie przewyższa wytrzymałość innych metalowych materiałów konstrukcyjnych i może wytwarzać części o dużej wytrzymałości jednostkowej, dobrej sztywności i lekka waga. Części startowe, szkielet, poszycie, elementy mocujące i podwozie samolotu są wykonane ze stopu tytanu. Ponadto odniesienie do technologii druku 3D w celu sprawdzenia odpowiednich materiałów wykazało, że stop aluminium nadaje się do pracy w środowisku poniżej 200 stopni, kadłub Airbusa A380 wykorzystuje ponad 1/3 aluminium, a C919 wykorzystuje również dużą liczbę konwencjonalnych wysokich -wydajne materiały ze stopu aluminium. Stop aluminium jest używany do poszycia samolotów, ścianek działowych, żeber skrzydeł i innych części.

Stopy tytanu ze względu na wysoką temperaturę topnienia i trudne właściwości przetwórcze należą do najdroższych materiałów metalowych. Jednakże lekkość, wysoka wytrzymałość i odporność na wysoką temperaturę stopu tytanu Ti6Al4V sprawiają, że jest on ceniony w branży lotniczej. Jego zakres zastosowań obejmuje łopatki, tarcze, odbiorniki i inne części pracujące w sekcji niskotemperaturowej wentylatorów silnika i sprężarek, a zakres temperatur roboczych może sięgać 400-500 stopni. Ponadto wykorzystuje się go do produkcji elementów kadłuba i kapsuły, obudów silników rakietowych i piast śmigieł wirników helikopterów. Jednakże ze względu na słabą przewodność tytan nie jest idealny do zastosowań elektrycznych. Chociaż cena stopu tytanu jest stosunkowo wysoka, jego odporności na wysoką temperaturę i odporność na korozję nie można zastąpić innymi metalami lekkimi.

Stopy na bazie aluminium mają doskonałe właściwości fizyczne i mechaniczne, takie jak niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa, duża odporność na korozję i dobra odkształcalność, dlatego są szeroko stosowane w przemyśle. Jednakże z punktu widzenia procesu formowania metodą przyrostową gęstość stopu aluminium jest mała, płynność proszku jest stosunkowo słaba, równomierność układania na złożu proszkowym tworzącym SLM jest słaba lub ciągłość transportu proszku w procesie LMD jest słaba , dlatego precyzja i dokładność systemu rozprowadzania/podawania proszku w sprzęcie do laserowej produkcji przyrostowej jest wysoka.

Obecnie stopami aluminium stosowanymi w produkcji przyrostowej są głównie stopy Al-Si, z których szeroko badano AlSi10Mg i AlSi12 o dobrej płynności. Jednakże, ponieważ stop Al-Si należy do odlewanych stopów aluminium, chociaż jest wytwarzany w zoptymalizowanym procesie wytwarzania przyrostowego laserem, jego wytrzymałość na rozciąganie nadal trudno przekroczyć 400 MPa, co ogranicza jego zastosowanie w elementach nośnych o wyższych wymaganiach eksploatacyjnych w przemyśle lotniczym i inne pola.

Nowoczesne komponenty lotnicze spełniają szereg wysokich wymagań, w tym lekkość, wysoką wydajność, wysoką niezawodność i niski koszt. Ta złożona konstrukcja jest niezwykle trudna do zaprojektowania i wyprodukowania. Dzięki innowacjom i rozwojowi technologii laserowego wytwarzania przyrostowego typowych komponentów na bazie aluminium, tytanu i niklu dla przemysłu lotniczego możemy nie tylko osiągnąć lekkość i wysoką wydajność przy doborze materiałów, ale także odzwierciedlać trend rozwojowy w zakresie precyzji i kształtu netto w produkcji przyrostowej technologia. Dzięki integracji wytwarzania przyrostowego materiałów, struktur i właściwości możemy zastosować technologię wytwarzania przyrostowego w głównych obszarach inżynierii w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki.