Nhôm và Titan: Lựa chọn tuyệt vời cho sản xuất phụ gia hàng không vũ trụ

Dựa trên quan điểm khám phá và phát triển khoa học tiên tiến, Science đã từng đăng một bài báo chỉ ra rằng ngành công nghiệp hiện đại đòi hỏi vật liệu kết cấu phải có độ bền cao, độ bền đứt gãy và độ cứng, đồng thời giảm trọng lượng càng nhiều càng tốt. Trong trường hợp này, hợp kim cường độ cao trọng lượng nhẹ đại diện là nhôm và titan, và hợp kim chịu nhiệt chịu tải được đại diện bởi siêu hợp kim dựa trên Ni đã trở thành một trong những vật liệu quan trọng được phát triển trong các kế hoạch nghiên cứu và phát triển vật liệu mới ở nhiều dạng khác nhau và cũng đang trong quá trình sản xuất phụ gia laze. Vật liệu áp dụng quan trọng.

Ưu điểm và sự khác biệt giữa titan và nhôm

Hợp kim nhôm và hợp kim titan, do mật độ thấp và độ bền cấu trúc tuyệt vời của chúng, được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, ô tô, sản xuất máy móc và các lĩnh vực khác, cho dù sử dụng in 3D hoặc gia công CNC, đặc biệt là trong ngành hàng không. Nó là vật liệu kết cấu chính của ngành hàng không.

Cả titan và nhôm đều nhẹ, nhưng vẫn có sự khác biệt giữa hai loại. Mặc dù titan nặng hơn nhôm khoảng 2/3 nhưng sức mạnh vốn có của nó có nghĩa là độ bền cần thiết có thể đạt được khi sử dụng ít hơn. Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong động cơ phản lực máy bay và các loại tàu vũ trụ, sức mạnh và tỷ trọng thấp của chúng có thể làm giảm chi phí nhiên liệu. Tỷ trọng của hợp kim nhôm chỉ bằng một phần ba so với thép, và nó là vật liệu nhẹ phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất cho ô tô ở giai đoạn này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp kim nhôm có thể được sử dụng trong một chiếc xe có trọng lượng lên đến 540kg. Với trọng lượng giảm 40%, thân xe hoàn toàn bằng nhôm của Audi, Toyota và các thương hiệu xe khác là một ví dụ điển hình.

Tính chất vật liệu của nhôm và titan

Vì cả hai vật liệu đều có độ bền cao và mật độ thấp, nên các khác biệt khác phải được xem xét khi quyết định sử dụng hợp kim nào.

Sức mạnh / Trọng lượng: Trong những tình huống quan trọng, mỗi gam của một bộ phận đều có giá trị, nhưng nếu bộ phận có độ bền cao hơn được yêu cầu, thì titan là lựa chọn tốt nhất. Vì lý do này, hợp kim titan được sử dụng trong sản xuất thiết bị y tế / thiết bị cấy ghép, lắp ráp vệ tinh phức tạp, đồ đạc và giá đỡ, cùng nhiều loại khác.

Phí tổn: Nhôm là kim loại tiết kiệm chi phí nhất để gia công hoặc in 3D; titan là đắt tiền nhưng vẫn có thể tạo ra một bước nhảy vọt về giá trị. Tiết kiệm nhiên liệu của các bộ phận nhẹ cho máy bay hoặc tàu vũ trụ sẽ rất lớn, trong khi các bộ phận bằng titan sẽ tồn tại lâu hơn.

Tính chất nhiệt: Hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt cao và thường được dùng để chế tạo bộ tản nhiệt; cho các ứng dụng nhiệt độ cao, điểm nóng chảy cao của titan làm cho nó phù hợp hơn và động cơ hàng không chứa một số lượng lớn các thành phần hợp kim titan.

Chống ăn mòn: Cả nhôm và titan đều có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời.

Khả năng chống ăn mòn và khả năng phản ứng thấp của Titanium làm cho nó trở thành kim loại tương thích sinh học nhất và nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y tế như dụng cụ phẫu thuật. Ti64 cũng chịu được môi trường mặn và thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng hải.

Hợp kim nhôm và hợp kim titan rất phổ biến trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. Hợp kim titan có độ bền cao và mật độ thấp (chỉ khoảng 57% thép), và cường độ cụ thể của nó (cường độ / mật độ) lớn hơn nhiều so với các vật liệu kết cấu kim loại khác. Nó có thể sản xuất các bộ phận có độ bền đơn vị cao, độ cứng tốt và nhẹ. Hợp kim titan có thể được sử dụng trong các thành phần động cơ máy bay, khung, da, dây buộc và thiết bị hạ cánh. Dữ liệu tham khảo công nghệ in 3D cho thấy hợp kim nhôm phù hợp để làm việc trong môi trường dưới 200 độ C. Chất liệu nhôm được sử dụng trong thân máy bay Airbus A380 chiếm hơn 1/3 và C919 cũng sử dụng một số lượng lớn các loại cao thông thường. vật liệu hợp kim nhôm hiệu suất. Vỏ máy bay, vách ngăn, sườn ... có thể được làm bằng hợp kim nhôm.

Sản xuất Phụ gia Titan và Công nghiệp Hàng không Vũ trụ

Như Triển vọng Công nghiệp Quốc phòng và Hàng không Toàn cầu năm 2019 do Deloitte xuất bản đã chỉ ra, khi ngành hàng không và quốc phòng tiếp tục phát triển, nhu cầu sản xuất cũng sẽ tăng theo. Và, khi thiết kế cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng, việc lựa chọn vật liệu là rất quan trọng. Đối với các thành phần ngoài mặt đất, giảm số lượng và trọng lượng thành phần là chìa khóa. Trong những lĩnh vực này, mỗi 1g giảm cân có thể mang lại những lợi ích tuyệt vời.

Titan có nhiệt độ nóng chảy cực cao, trên 1600 độ, và cũng thường là một vật liệu khó chế tạo, đây là lý do chính khiến nó đắt hơn các kim loại khác. Ti6Al4V hiện là vật liệu hợp kim titan được sử dụng rộng rãi nhất. Nó không chỉ có trọng lượng nhẹ mà còn có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt độ cao. Những đặc điểm này làm cho nó rất phổ biến trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Các ứng dụng phổ biến bao gồm sản xuất cánh quạt, đĩa, vỏ và các bộ phận khác cho phần nhiệt độ thấp của quạt động cơ và máy nén, với dải nhiệt độ hoạt động là 400-500 độ; cũng được sử dụng trong sản xuất các bộ phận khung máy bay và vỏ máy bay, vỏ động cơ tên lửa và trực thăng Trung tâm rôto, ... Tuy nhiên, mặc dù có nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn, titan có tính dẫn điện kém, khiến nó trở thành một lựa chọn tồi cho các ứng dụng điện. Titan cũng đắt hơn so với các kim loại nhẹ khác như nhôm.

Công dụng của Titanium trong ngành hàng không vũ trụ

Việc sử dụng công nghệ sản xuất phụ gia có lợi cho việc giảm chi phí chế biến và lãng phí nguyên liệu, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Hợp kim dựa trên titan cũng là hệ thống hợp kim hoàn thiện và có hệ thống nhất để nghiên cứu chế tạo phụ gia. Các thành phần hợp kim titan được sản xuất bổ sung đã được sử dụng làm kết cấu chịu lực trong lĩnh vực hàng không vũ trụ. Theo khảo sát của các tài liệu tham khảo về công nghệ in 3D, Công ty Aero Met của Hoa Kỳ đã bắt đầu sản xuất các mẫu thử nghiệm kết cấu chịu lực phụ bằng hợp kim titan cho máy bay chiến đấu / tấn công liên hợp dựa trên tàu sân bay Boeing F / A -18 E / F máy bay theo lô nhỏ vào năm 2001 và đi đầu trong việc sản xuất hợp kim titan LMD vào năm 2002. Ứng dụng của các bộ phận kết cấu chịu lực thứ cấp trên máy xác minh F / A -18. Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh đã đạt được những bước đột phá trong công nghệ quan trọng là sản xuất phụ gia laze của hợp kim titan. Các tính chất cơ học toàn diện của hợp kim vượt quá đáng kể so với các tính chất rèn. Khung hợp kim titan chịu lực chính quy mô lớn và các thành phần khác được phát triển đã được lắp đặt và ứng dụng trên máy bay. Đại học Bách khoa Tây Bắc đã sử dụng công nghệ chế tạo phụ gia laze để chế tạo các mẫu dải cạnh trên và dưới của sườn cánh trung tâm của máy bay C919 cho COMAC, với kích thước 3000mm × 350mm × 450mm và khối lượng 196kg.

Các hợp kim làm từ nhôm có mật độ thấp, độ bền riêng cao, chống ăn mòn mạnh, định hình tốt và các tính chất cơ lý tốt. Chúng là vật liệu kết cấu kim loại màu được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp. Đối với sản xuất phụ gia laze, vật liệu làm từ nhôm thường là vật liệu khó chế tạo, được xác định bởi các tính chất vật lý đặc biệt của chúng (mật độ thấp, độ hấp thụ tia laze thấp, độ dẫn nhiệt cao, dễ oxy hóa, v.v.). Từ quan điểm của quá trình tạo hình sản xuất phụ gia, mật độ của hợp kim nhôm tương đối nhỏ, tính lỏng của bột tương đối kém, tính đồng nhất của việc đặt trên lớp bột tạo hình SLM kém, hoặc tính liên tục của việc vận chuyển bột trong LMD quy trình kém. Do đó, độ chính xác và độ chính xác của hệ thống rải bột / cấp bột trong thiết bị sản xuất phụ gia laser là tương đối cao.

Hiện nay, các hợp kim nhôm được sử dụng trong sản xuất phụ gia chủ yếu là hợp kim Al-Si, trong đó AlSi10Mg và AlSi12 với tính lưu động tốt đã được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, do bản chất vật liệu của hợp kim nhôm đúc hợp kim Al-Si, mặc dù nó được điều chế bằng quy trình sản xuất phụ gia laser tối ưu hóa, độ bền kéo khó vượt quá 400MPa, điều này hạn chế hiệu suất hoạt động của nó trong hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Sử dụng trên các cấu kiện chịu lực cao.

Lượng hợp kim nhôm được sử dụng trong máy bay cao tới 20%

Để đạt được các tính chất cơ học cao hơn nữa, nhiều công ty và trường đại học trong và ngoài nước đã đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây, và một số lượng lớn các hợp kim nhôm có độ bền cao dành riêng cho sản xuất phụ gia đã được đưa vào danh sách. Airbus đã phát triển Scalmalloy, vật liệu bột hợp kim nhôm có độ bền cao đầu tiên trên thế giới để sản xuất phụ gia, với độ bền kéo 520MPa ở nhiệt độ phòng, đã được áp dụng để sản xuất phụ gia của các bộ phận cấu trúc cabin máy bay A320. Độ bền của hợp kim nhôm 7A77.60L có độ bền cao để in 3D được phát triển bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu Hughes (HRL) ở Hoa Kỳ vượt quá 600Mpa, khiến nó trở thành hợp kim nhôm có độ bền cao tương đương được rèn đầu tiên có thể được sử dụng để sản xuất phụ gia. NASA Marshall Space Flight Centre đã bắt đầu sử dụng Vật liệu này trong sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ quy mô lớn; Tài liệu tham khảo về công nghệ in 3D cũng đã báo cáo một loại hợp kim nhôm có độ bền cao mới được thiết kế và phát triển bởi Viện Nghiên cứu Công nghiệp CRRC trong nước để in 3D, vượt qua các hạn chế bằng sáng chế của Airbus. Độ ổn định vượt quá 560MPa, tốt hơn đáng kể so với hiệu suất in của bột hợp kim nhôm Scalmalloy® của Airbus, có thể đáp ứng nhu cầu in 3D của các bộ phận sản xuất cao cấp như thiết bị vận chuyển đường sắt trong nước và hàng không vũ trụ. ứng dụng sản xuất vật liệu.

Các thành phần hàng không vũ trụ hiện đại cần đáp ứng một loạt các yêu cầu khắt khe như nhẹ, hiệu suất cao, độ tin cậy cao và giá thành rẻ, cấu trúc của các thành phần phức tạp hơn và khó thiết kế và chế tạo hơn. Đổi mới và phát triển các công nghệ quan trọng để sản xuất phụ gia laze của nhôm, titan và các thành phần dựa trên niken trong hàng không vũ trụ, không chỉ phản ánh hướng phát triển của trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao trong việc lựa chọn vật liệu mà còn làm nổi bật độ chính xác của chính công nghệ sản xuất phụ gia. , Xu hướng phát triển của hình dạng lưới có thể thực hiện sản xuất phụ gia tích hợp của vật liệu-cấu trúc-hiệu suất và ứng dụng kỹ thuật chính của công nghệ sản xuất phụ gia trong hàng không vũ trụ.