Титанові та алюмінієві сплави: чудові варіанти для адитивного виробництва в елітному аерокосмічному секторі

Переваги та відмінності титану та алюмінію
Алюмінієві та титанові сплави, завдяки своїй чудовій низькій щільності та структурній міцності, використовуються у великій кількості застосувань в аерокосмічній, автомобільній та машинобудівній промисловості, незалежно від того, чи використовується 3D-друк чи обробка з ЧПУ, і особливо важливі в аерокосмічній промисловості, де вони є основними конструкційними матеріалами.
І титан, і алюміній легкі, але різниця між ними все одно є. Хоча титан приблизно на дві третини важчий за алюміній, його властива міцність означає, що для досягнення необхідної міцності можна використовувати набагато меншу кількість. Титанові сплави широко використовуються в авіаційних реактивних двигунах і всіх типах космічних кораблів, де їх міцність і низька щільність знижують витрати на паливо. Алюмінієвий сплав, щільність якого становить лише одну третину від густини сталі, є найбільш широко використовуваним і поширеним матеріалом для полегшення автомобілів на даному етапі; були дослідження, які показують, що алюмінієвий сплав може використовуватися для повного транспортного засобу вагою до 540 кг, у цьому випадку автомобіль втратить 40% своєї ваги, а повністю алюмінієві кузови автомобілів Audi, Toyota та інших брендів є хороший приклад цього.

Оскільки обидва матеріали мають високу міцність і низьку щільність, при виборі сплаву слід враховувати інші відмінні фактори.
Міцність/вага: у критичних ситуаціях важливий кожен грам деталі, але якщо потрібен більш міцний компонент, найкращим вибором є титан. Через це титанові сплави використовуються у виготовленні медичних пристроїв/імплантатів, складних супутникових компонентів, фіксаторів і брекетів тощо.
Вартість. Алюміній є найбільш економічно ефективним металом для обробки або 3D-друку; титан коштує дорожче, але все одно може спричинити стрибок у вартості. Економія палива для літака чи космічного корабля завдяки легким деталям принесе величезні дивіденди, тоді як титанові деталі служать довше.
Теплові властивості: алюмінієві сплави мають високу теплопровідність і часто використовуються для виготовлення радіаторів; для застосування при високих температурах висока температура плавлення титану робить його ще більш придатним, а авіаційні двигуни містять велику кількість компонентів із титанового сплаву.
Стійкість до корозії: як алюміній, так і титан мають чудову стійкість до корозії.
Стійкість до корозії та низька реакційна здатність титану роблять його найбільш біосумісним металом, і він широко використовується в медицині (наприклад, хірургічні інструменти). Ti64 також добре протистоїть соляному середовищу та часто використовується в морських цілях.

Алюмінієві та титанові сплави дуже поширені в аерокосмічній галузі. Титановий сплав має високу міцність, низьку щільність (тільки близько 57% сталі), а питома міцність (міцність/щільність) набагато більша, ніж інші металеві конструкційні матеріали, які можуть виробляти деталі з високою одиничною міцністю, хорошою жорсткістю та малою вагою. Компоненти авіаційних двигунів, скелет, обшивка, кріплення і шасі можуть бути використані з титанових сплавів. Посилання на технологію 3D-друку для перевірки інформації виявило, що алюмінієвий сплав підходить для роботи в середовищі нижче 200 градусів, фюзеляж Airbus A380 з алюмінієм становив більше 1/3, C919 також використовував велику кількість звичайних високоефективних матеріалів з алюмінієвого сплаву. . Алюмінієві сплави можуть бути використані для обшивки літаків, розпірних шпангоутів, ребер крила тощо.

Виробництво титанових добавок і аерокосмічна промисловість
Як зазначено в Global Aerospace & Defense Industry Outlook 2019, опублікованому Deloitte, у міру зростання аерокосмічної та оборонної промисловості зростатиме і попит на продукцію. А під час проектування для аерокосмічних і оборонних застосувань вибір матеріалів має вирішальне значення. Для компонентів, які залишають землю, зменшення кількості компонентів і ваги є критичним. У цих областях кожен 1 г зниження ваги приносить значні переваги.

Титан має надзвичайно високу температуру плавлення понад 1600 градусів і його зазвичай важко обробляти, що є основною причиною того, чому він дорожчий за інші метали. Ti6Al4V є найбільш широко використовуваним титановим сплавом, який не тільки легкий, але й має висока міцність і термостійкість, які зробили його популярним матеріалом в аерокосмічній галузі. Загальні застосування включають такі деталі, як лопаті, диски та магазини, які використовуються у виробництві вентиляторів двигунів і низькотемпературних секцій герметичних літаків, що працюють у діапазоні температур 400-500 градусів, а також у виробництві фюзеляжу та вузлів капсул , корпуси ракетних двигунів і втулки лопатей гвинта вертольота. Однак, незважаючи на високу стійкість до високих температур і корозії, титан має погану електропровідність, що робить його поганим вибором для електричних застосувань. Титанові сплави також дорожчі порівняно з іншими легкими металами, такими як алюміній.

Застосування технології адитивного виробництва сприяє зниженню витрат на переробку, зменшенню відходів сировини та має значні економічні переваги. Сплави на основі титану також є найбільш систематичною та зрілою системою сплавів для досліджень адитивного виробництва. Компоненти з титанового сплаву, виготовлені за допомогою добавок, використовуються як несучі конструкції в авіаційній галузі. Згідно з дослідженням довідкової технології 3D-друку, американська компанія Aero Met Company почала випробування виготовлення тестових деталей підшипникової конструкції з титанового сплаву для корабельних винищувачів/штурмовиків Boeing F/A-18E/F невеликою партією 2001 р., а в 2002 р. взяв на себе провідну роль у застосуванні деталей несучої конструкції з титанового сплаву LMD на верифікаційних літаках F/A-18. Пекінський університет аеронавтики та астронавтики прорив у виробництві лазерних добавок з титанового сплаву ключові технології, сплав комплексні механічні властивості значно більші, ніж поковки, розробка великомасштабної рами з титанового сплаву головного підшипника та інших компонентів була реалізована в додатках для встановлення літаків. Північно-Західний політехнічний університет використав технологію лазерного адитивного виробництва для COMAC для виготовлення ребра центрального крила літака C919 на нижній кромці зразків смуги, розміром 3,000 мм × 350 мм × 450 мм, якість 196 кг.

Виробництво алюмінієвих добавок та аерокосмічна промисловість
Сплави на основі алюмінію з низькою щільністю, високою питомою міцністю, високою корозійною стійкістю, хорошою формуваністю, хорошими фізичними та механічними властивостями є найбільш широко використовуваним класом кольорових конструкційних матеріалів у промисловості. Для лазерного адитивного виробництва матеріали на основі алюмінію зазвичай важко обробляти, що визначається його особливими фізичними властивостями (низька щільність, низьке лазерне поглинання, висока теплопровідність і легке окислення тощо). З точки зору процесу формування адитивного виробництва, щільність алюмінієвого сплаву невелика, текучість порошку відносно погана, рівномірність укладання на порошковий шар формування SLM погана або безперервність транспортування порошку в процесі LMD погана, тому точність і точність системи укладання/подачі в обладнанні для лазерного адитивного виробництва повинні бути високими.
В даний час алюмінієві сплави, що використовуються в адитивному виробництві, - це в основному сплави Al-Si, з яких AlSi10Mg і AlSi12 з хорошою текучістю були широко вивчені. Однак через природу матеріалу сплаву Al-Si для лиття алюмінію, хоча для підготовки використовується оптимізований процес виробництва лазерних добавок, міцність на розрив важко перевищити 400 МПа, що обмежує його використання в аерокосмічній та інших галузях обслуговування вимоги до продуктивності компонентів з більш високим навантаженням.

З метою подальшого отримання вищих механічних властивостей багато вітчизняних і зарубіжних підприємств і університетів прискорили темпи досліджень і розробок в останні роки, і була перерахована велика кількість високоміцних алюмінієвих сплавів, призначених для адитивного виробництва. Airbus для авіаційних потреб у виробництві добавок з алюмінієвих сплавів, розробка першого в світі виробництва добавок з високоміцних порошкових матеріалів з алюмінієвих сплавів Scalmalloy, межа міцності на розрив при кімнатній температурі 520 МПа, була застосована до частин конструкції кабіни літака A320 адитивного виробництва; Дослідницькі лабораторії Хьюза США (HRL) розробляють високоміцний алюмінієвий сплав для 3D-друку 7A77.60L з міцністю понад 600 МПа, який став першим куском для адитивного виробництва. Понад 600 МПа, ставши першим високоміцним алюмінієвим сплавом, еквівалентним ковці, який можна використовувати для адитивного виробництва, Центр космічних польотів імені Маршалла NASA почав застосовувати цей матеріал для виробництва великомасштабних аерокосмічних деталей; Посилання на технологію 3D-друку також повідомляє, що внутрішній дизайн CVRI та розробка нового типу 3D-друку спеціального високоміцного алюмінієвого сплаву, що порушує обмеження патенту Airbus, міцність на розрив стабільної понад 560 МПа, що значно краще, ніж Airbus Ефективність порошкового друку алюмінієвого сплаву Scalmalloy® може задовольнити потреби внутрішнього залізничного транспортного обладнання, аерокосмічної та інших високоякісних виробничих деталей у 3D-друкі, а вітчизняний аерокосмічний сектор розпочав виробництво добавок із високоміцних алюмінієвих сплавів.