Utmerket valg for additiv produksjon i det avanserte romfartsfeltet

Titan og aluminiumslegeringsytelse og -kostnad er de to evige drivkreftene for utvikling av materialteknologi, mens lettvekt, integrasjon og strukturell funksjonsintegrasjon er de vanlige utfordringene for flykonstruksjon, materialapplikasjon og produksjonsteknologi. I løpet av de siste tiårene har nesten-nettdannende teknologier som varm isostatisk pressing, sprøytestøping og utladningsplasmasintring gjort store fremskritt innen titanlegeringer, men flaskehalsproblemene som oksygeninnhold og porøsitet har ikke blitt effektivt løst. , og begrenser dermed deres anvendelse i produksjonen av luftfartsstrukturer av titanlegering.

Fra perspektivet til vitenskapelig utforskning og utvikling trenger moderne industri strukturelle materialer med høy styrke, bruddseighet og stivhet, samtidig som vekten reduseres så mye som mulig. Derfor har lette høyfaste legeringer som titan og aluminium og bærende varmebestandige legeringer som Ni-baserte superlegeringer blitt fokus for nye materialforsknings- og utviklingsplaner i ulike land. I tillegg er disse materialene også viktige applikasjonsmaterialer i laseradditiv produksjon.

Fordeler og forskjeller mellom titanlegering og aluminiumslegering

Titanlegering har høy spesifikk styrke, spesifikk stivhet og god korrosjonsmotstand, som oppfyller designbehovene til fly med høy manøvrerbarhet, høy pålitelighet og lang levetid, og bruksnivået har blitt et viktig symbol for å måle den avanserte graden av valg av flymaterialer.

Titanlegeringer og aluminiumslegeringer er mye brukt i romfart, bilindustri, maskinproduksjon og andre felt på grunn av deres utmerkede lave tetthet og strukturelle styrke. Spesielt i luftfartsindustrien spiller de en svært viktig rolle og er de viktigste strukturelle materialene i luftfartsindustrien. Selv om titanlegeringer er omtrent to tredjedeler tyngre enn aluminiumslegeringer, betyr deres iboende styrke at den nødvendige styrken kan oppnås i mindre mengder. Titanlegering har blitt et viktig materiale for å redusere drivstoffkostnadene på grunn av sin styrke og lave tetthet, og er mye brukt i flyjetmotorer og ulike typer romfartøy. Aluminiumslegering er det mest brukte og vanlige lettvektsmaterialet for biler på dette stadiet, og dens tetthet er bare en tredjedel av stål. Studier har vist at aluminiumslegering kan brukes opp til 540 kg i hele kjøretøyet, slik at vekten på bilen reduseres med 40 %. Bruken av karosserier i aluminium i kjøretøy fra merker som Audi og Toyota er et godt eksempel.

Siden begge materialene har høy styrke og lav tetthet, må andre faktorer vurderes ved valg av legering.

I kritiske situasjoner der høy styrke og lav vekt kreves, teller hvert gram, men hvis komponenter med høyere styrke er nødvendig, er titan det beste valget. Derfor brukes titanlegeringer til å lage medisinsk utstyr/implantater, komplekse satellittkomponenter, inventar og braketter.

Når det gjelder kostnad, er aluminium det mest kostnadseffektive metallet for maskinering eller 3D-utskrift; Mens titan koster mer, vil lette deler gi enorme fordeler for drivstoffet som spares av fly eller romfartøy, mens titanlegeringsdeler har lengre levetid.

Når det gjelder termiske egenskaper, har aluminiumslegeringer høy varmeledningsevne og brukes ofte til å lage radiatorer; For høytemperaturapplikasjoner gjør titans høye smeltepunkt det mer egnet, og flymotorer inneholder et stort antall titanlegeringsdeler.

Titans korrosjonsmotstand og lave reaktivitet gjør det til det mest biokompatible metallet og er mye brukt i medisinske applikasjoner som kirurgiske instrumenter. Ti64 motstår også saltholdighetsmiljøer godt og brukes ofte i marine applikasjoner.

I romfartsfeltet er aluminiumslegeringer og titanlegeringer mye brukt. Titanlegering har fordelene med høy styrke og lav tetthet (bare ca. 57 % av stål), og dens spesifikke styrke (styrke/tetthet) overgår langt den til andre metallkonstruksjonsmaterialer, og kan produsere deler med høy enhetsstyrke, god stivhet og lett vekt. Startdelene, skjelettet, skinnet, festene og landingsutstyret i flyet er alle laget av titanlegering. I tillegg fant 3D-utskriftsteknologireferanse for å sjekke de relevante materialene at aluminiumslegering er egnet for arbeid i et miljø under 200 grader, Airbus A380-kroppen bruker mer enn 1/3 av aluminiumet, og C919 bruker også et stort antall konvensjonelle høye -ytelsesmaterialer av aluminiumslegering. Aluminiumslegering brukes til flyskinn, skillevegger, vingeribber og andre deler.

På grunn av dets høye smeltepunkt og vanskelige prosesseringsegenskaper, er titanlegeringer et av de dyreste metallmaterialene. Den lette, høye styrken og motstanden mot høye temperaturer til Ti6Al4V titanlegering gjør den imidlertid til en høy profil i romfartsfeltet. Bruksområdet inkluderer blader, skiver, mottakere og andre deler som fungerer i lavtemperaturdelen av motorvifter og kompressorer, og arbeidstemperaturområdet kan nå 400-500 grader. I tillegg brukes den til produksjon av flykropps- og kapselkomponenter, rakettmotorhus og helikopterrotorpropellnav. På grunn av sin dårlige ledningsevne er imidlertid ikke titan ideelt for elektriske applikasjoner. Selv om prisen på titanlegering er relativt høy, kan dens høye temperaturbestandighet og korrosjonsmotstand ikke erstattes av andre lettmetaller.

Aluminiumsbaserte legeringer har utmerkede fysiske egenskaper og mekaniske egenskaper som lav tetthet, høy spesifikk styrke, sterk korrosjonsbestandighet og god formbarhet, så de er mye brukt i industrien. Fra perspektivet til støpeprosessen for additiv produksjon er imidlertid tettheten til aluminiumslegeringen liten, pulverfluiditeten er relativt dårlig, jevnheten av å legge på SLM-dannende pulverbed er dårlig, eller kontinuiteten i pulvertransporten i LMD-prosessen er dårlig. , så presisjonen og nøyaktigheten til pulversprednings-/matingssystemet i produksjonsutstyr for laseradditiv er høy.

For tiden er aluminiumslegeringene som brukes i additiv produksjon hovedsakelig Al-Si-legeringer, hvorav AlSi10Mg og AlSi12 med god fluiditet har blitt mye studert. Men fordi Al-Si-legeringen tilhører støpt aluminiumslegering, selv om den er tilberedt ved en optimalisert laseradditiv produksjonsprosess, er strekkstyrken fortsatt vanskelig å overstige 400 MPa, noe som begrenser bruken i bærende komponenter med høyere krav til serviceytelse i romfart og andre felt.

Moderne romfartskomponenter møter en rekke krevende krav, inkludert lett vekt, høy ytelse, høy pålitelighet og lave kostnader. Denne komplekse strukturen er ekstremt vanskelig å designe og produsere. Gjennom innovasjon og utvikling av laseradditiv produksjonsteknologi for typiske aluminium-, titan- og nikkelbaserte komponenter i romfart, kan vi ikke bare oppnå lett og høy ytelse i materialvalg, men også reflektere utviklingstrenden av presisjon og nettoform av additiv produksjon teknologi. Med integrasjonen av additiv produksjon av materialer-struktur-egenskaper, kan vi bruke additiv produksjonsteknologi til store ingeniører innen romfartsfeltet.