Alüminyum ve Titanyum: Havacılık ve Uzay Katmanlı Üretim için Mükemmel Seçenekler

En son bilimsel keşif ve geliştirme perspektifine dayanan Science, bir zamanlar modern endüstrinin yapısal malzemelerin yüksek mukavemet, kırılma tokluğu ve sertliğe sahip olmasını ve aynı zamanda ağırlığı mümkün olduğunca azaltmasını gerektirdiğine işaret eden bir makale yayınladı. Bu durumda, alüminyum ve titanyum ile temsil edilen hafif ağırlıklı yüksek mukavemetli alaşımlar ve Ni bazlı süper alaşımlar tarafından temsil edilen yük taşıyan ısıya dayanıklı alaşımlar, çeşitli alanlarda yeni malzemelerin araştırma ve geliştirme planlarında geliştirilen kilit malzemelerden biri haline geldi. ülkelerde ve ayrıca lazer katkılı üretim sürecindedir. Önemli uygulanan malzeme.

Titanyum ve alüminyum arasındaki avantajlar ve farklılıklar

Alüminyum alaşımı ve titanyum alaşımı, mükemmel düşük yoğunlukları ve yapısal mukavemetleri nedeniyle, özellikle havacılık endüstrisinde, havacılık, otomobil, makine imalatı ve diğer alanlarda, 3D baskı veya CNC işleme gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Havacılık endüstrisinin ana yapısal malzemesidir.

Hem titanyum hem de alüminyum hafiftir, ancak ikisi arasında hala farklılıklar vardır. Titanyum, alüminyumdan yaklaşık üçte iki daha ağır olmasına rağmen, doğal gücü, gerekli gücün daha az kullanılarak elde edilebileceği anlamına gelir. Titanyum alaşımları, uçak jet motorlarında ve çeşitli uzay gemilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve güçleri ve düşük yoğunlukları yakıt maliyetlerini azaltabilir. Alüminyum alaşımının yoğunluğu çeliğinkinin sadece üçte biri kadardır ve bu aşamada otomobiller için en yaygın kullanılan ve yaygın hafif malzemedir. Çalışmalar, alüminyum alaşımlarının 540 kg'a kadar olan bir araçta kullanılabileceğini göstermiştir. Ağırlıkta yüzde 40'lık bir azalma ile Audi, Toyota ve diğer marka araçların tamamen alüminyum gövdesi buna iyi bir örnektir.

Alüminyum ve titanyumun malzeme özellikleri

Her iki malzeme de yüksek mukavemete ve düşük yoğunluğa sahip olduğundan, hangi alaşımın kullanılacağına karar verilirken diğer farklılıklar göz önünde bulundurulmalıdır.

Güç/Ağırlık: Kritik durumlarda, bir parçanın her gramı önemlidir, ancak daha yüksek mukavemetli bir parça gerekiyorsa, titanyum en iyi seçimdir. Bu nedenle titanyum alaşımları diğerlerinin yanı sıra tıbbi cihazların/implantların, karmaşık uydu tertibatlarının, fikstürlerin ve stentlerin imalatında kullanılır.

Maliyet: Alüminyum, işleme veya 3D baskı için en uygun maliyetli metaldir; titanyum pahalıdır ancak yine de değerde bir sıçrama sağlayabilir. Bir uçak veya uzay aracı için hafif parçaların yakıt tasarrufu çok büyük olurken, titanyum parçalar daha uzun süre dayanacaktır.

termal özellikler: Alüminyum alaşımları yüksek ısı iletkenliğine sahiptir ve genellikle radyatör yapımında kullanılır; yüksek sıcaklık uygulamaları için titanyumun yüksek erime noktası onu daha uygun hale getirir ve uçak motorları çok sayıda titanyum alaşımlı bileşen içerir.

Korozyon Direnci: Hem alüminyum hem de titanyum mükemmel korozyon direncine sahiptir.

Titanyumun korozyon direnci ve düşük reaktivitesi, onu en biyouyumlu metal haline getirir ve cerrahi aletler gibi tıbbi uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Ti64 ayrıca tuzlu ortamlara iyi dayanır ve genellikle denizcilik uygulamalarında kullanılır.

Alüminyum alaşımları ve titanyum alaşımları, havacılık uygulamalarında çok yaygındır. Titanyum alaşımı yüksek mukavemete ve düşük yoğunluğa (çeliğin sadece yüzde 57'si kadar) sahiptir ve özgül mukavemeti (kuvvet/yoğunluk) diğer metal yapısal malzemelerden çok daha fazladır. Yüksek birim mukavemetli, iyi rijitlik ve hafifliğe sahip parçalar üretebilir. Titanyum alaşımları, uçak motor bileşenlerinde, iskeletlerde, kaplamalarda, bağlantı elemanlarında ve iniş takımlarında kullanılabilir. 3D baskı teknolojisi referans verileri, alüminyum alaşımlarının 200 derece C'nin altındaki bir ortamda çalışmaya uygun olduğunu buldu. Airbus A380 gövdesinde kullanılan alüminyum malzeme 1/3'ten fazlasını oluşturuyor ve C919 ayrıca çok sayıda geleneksel yüksek sıcaklık kullanıyor. performans alüminyum alaşımlı malzemeler. Uçak kaplamaları, bölme duvarları, kaburgalar vb. alüminyum alaşımlardan yapılabilir.

Titanyum Eklemeli İmalat ve Havacılık ve Uzay Sanayii

Deloitte tarafından yayınlanan 2019 Küresel Havacılık ve Savunma Sanayii Görünümü'nün işaret ettiği gibi, havacılık ve savunma sanayi büyümeye devam ettikçe üretim talebi de artacak. Ve havacılık ve savunma uygulamaları için tasarım yaparken malzeme seçimi çok önemlidir. Yerde olmayan bileşenler için bileşen sayısını ve ağırlığını azaltmak çok önemlidir. Bu alanlarda her 1 gr kilo kaybı büyük faydalar sağlayabilir.

Titanyum, 1600 derecenin üzerinde son derece yüksek bir erime noktasına sahiptir ve ayrıca tipik olarak işlenmesi zor bir malzemedir, bu da diğer metallerden daha pahalı olmasının ana nedenidir. Ti6Al4V şu anda en yaygın kullanılan titanyum alaşımlı malzemedir. Sadece hafif değil, aynı zamanda yüksek mukavemet ve yüksek sıcaklık direncine sahiptir. Bu özellikler onu havacılık alanında çok popüler kılmaktadır. Yaygın uygulamalar arasında motor fanlarının ve kompresörlerin düşük sıcaklık bölümü için kanatların, disklerin, muhafazaların ve diğer parçaların 400-500 derece çalışma sıcaklığı aralığı ile imalatı; ayrıca uçak gövdesi ve kapsül bileşenlerinin, roket motoru kasalarının ve helikopterlerin Rotor göbeklerinin vb. imalatında da kullanılır. Bununla birlikte, yüksek sıcaklık ve korozyon direncine rağmen, titanyum zayıf elektrik iletkenliğine sahiptir ve bu da onu elektrik uygulamaları için kötü bir seçim haline getirir. Titanyum ayrıca alüminyum gibi diğer hafif metallere kıyasla daha pahalıdır.

Titanyumun Havacılık Endüstrisinde Kullanımları

Eklemeli üretim teknolojisinin kullanımı, önemli ekonomik avantajlara sahip olan işleme maliyetlerini ve hammadde israfını azaltmaya elverişlidir. Titanyum bazlı alaşımlar, aynı zamanda, eklemeli imalat araştırmaları için en sistematik ve olgun alaşım sistemleridir. Katmanlı olarak üretilmiş titanyum alaşımlı bileşenler, havacılık alanında yük taşıyıcı yapılar olarak kullanılmıştır. 3D baskı teknolojisi referanslarının anketine göre, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Aero Met Company, Boeing F/A-18E/F taşıyıcı tabanlı kombine avcı/saldırı için titanyum alaşımlı alt yük taşıyan yapısal test parçaları üretmeye başladı. 2001'de küçük partiler halinde uçaklar ve 2002'de LMD titanyum alaşımının gerçekleştirilmesinde liderliği aldı. F/A-18 doğrulama makinesinde ikincil yük taşıyan yapısal parçaların uygulanması. Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi, titanyum alaşımlarının lazer katkılı imalatının kilit teknolojisinde atılımlar yaptı. Alaşımların kapsamlı mekanik özellikleri, dövmelerin özelliklerini önemli ölçüde aşmaktadır. Geliştirilen büyük ölçekli ana yatak titanyum alaşımlı çerçeveler ve diğer bileşenler uçaklara monte edilmiş ve uygulanmıştır. Northwestern Politeknik Üniversitesi, COMAC için C919 uçağının merkezi kanat kaburgasının üst ve alt kenar şerit örneklerini 3000 mm × 350 mm × 450 mm boyutunda ve 196 kg kütleli lazer katkılı üretim teknolojisini kullandı.

Alüminyum bazlı alaşımlar düşük yoğunluğa, yüksek özgül mukavemete, güçlü korozyon direncine, iyi şekillendirilebilirliğe ve iyi fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptir. Endüstride en çok kullanılan demir dışı metal yapı malzemeleridir. Lazer katkılı üretim için, alüminyum bazlı malzemeler tipik olarak özel fiziksel özellikleriyle (düşük yoğunluk, düşük lazer emiciliği, yüksek termal iletkenlik, kolay oksidasyon, vb.) belirlenen işlenmesi zor malzemelerdir. Eklemeli imalat şekillendirme prosesi açısından, alüminyum alaşımının yoğunluğu nispeten küçüktür, toz akışkanlığı nispeten zayıftır, SLM oluşturan toz yatağına döşemenin tekdüzeliği zayıftır veya LMD'de toz taşıma sürekliliği süreç zayıf. Bu nedenle, lazer katkılı üretim ekipmanındaki toz yayma/toz besleme sisteminin hassasiyeti ve doğruluğu nispeten yüksektir.

Şu anda, eklemeli imalatta kullanılan alüminyum alaşımları, aralarında iyi akışkanlığa sahip AlSi10Mg ve AlSi12'nin geniş çapta çalışıldığı Al-Si alaşımlarıdır. Bununla birlikte, Al-Si alaşımlı dökme alüminyum alaşımının malzeme yapısı nedeniyle, optimize edilmiş bir lazer katkılı üretim süreci ile hazırlanmış olmasına rağmen, çekme mukavemetinin 400MPa'yı aşması zordur, bu da havacılık ve diğer alanlarda hizmet performansını sınırlar. Yüksek yük taşıyan elemanlarda kullanın.

Uçaklarda kullanılan alüminyum alaşım miktarı yüzde 20 kadar yüksek

Daha yüksek mekanik özellikler elde etmek için, yurtiçinde ve yurtdışında birçok şirket ve üniversite, son yıllarda araştırma ve geliştirme hızını hızlandırmış ve eklemeli imalata ayrılmış çok sayıda yüksek mukavemetli alüminyum alaşımları listelenmiştir. Airbus, A320 uçak kabin yapısal parçalarının eklemeli imalatına uygulanan, oda sıcaklığında 520 MPa çekme mukavemetine sahip, katmanlı üretim için dünyanın ilk yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlı toz malzemesi olan Scalmalloy'u geliştirdi. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Hughes Araştırma Laboratuvarı (HRL) tarafından geliştirilen 3D baskı için yüksek mukavemetli 7A77.60L alüminyum alaşımının gücü 600Mpa'yı aşıyor ve bu da onu, katmanlı imalat için kullanılabilecek ilk dövme eşdeğeri yüksek mukavemetli alüminyum alaşımı yapıyor. NASA Marshall Uzay Uçuş Merkezi, büyük ölçekli havacılık parçalarının üretiminde kullanılan bu malzeme; 3D baskı teknolojisi referansı, Airbus'ın patent kısıtlamalarını aşan, yerli CRRC Industry Research Institute tarafından 3D baskı için tasarlanan ve geliştirilen yeni bir yüksek mukavemetli alüminyum alaşım türü de bildirdi. Stabilite 560MPa'yı aşıyor, bu da yerli raylı ulaşım ekipmanı ve havacılık gibi yüksek kaliteli üretim parçalarının 3D baskı ihtiyaçlarını karşılayabilen Airbus Scalmalloy® alüminyum alaşım tozunun baskı performansından önemli ölçüde daha iyi. malzeme üretim uygulamaları.

Modern havacılık bileşenlerinin hafiflik, yüksek performans, yüksek güvenilirlik ve düşük maliyet gibi bir dizi zorlu gereksinimi karşılaması gerekir ve bileşenlerin yapısı daha karmaşık ve tasarımı ve üretimi daha zordur. Havacılıkta alüminyum, titanyum ve nikel bazlı bileşenlerin lazer katkılı üretimi için kilit teknolojileri yenilemek ve geliştirmek, yalnızca malzeme seçiminde hafiflik ve yüksek performansın gelişim yönünü yansıtmakla kalmaz, aynı zamanda eklemeli üretim teknolojisinin hassasiyetini de vurgular. , Net şeklin gelişme eğilimi, malzeme-yapı-performansın entegre katmanlı imalatını ve havacılıkta katmanlı imalat teknolojisinin ana mühendislik uygulamasını gerçekleştirebilir.