Zliatiny titánu a hliníka: Vynikajúce možnosti pre výrobu aditív v špičkovom leteckom sektore

Výhody a rozdiely titánu a hliníka
Hliník a zliatiny titánu sa vďaka svojej vynikajúcej nízkej hustote a štrukturálnej pevnosti používajú vo veľkom množstve aplikácií v leteckom, automobilovom a strojárskom priemysle, či už pri použití 3D tlače alebo CNC obrábania, a sú obzvlášť dôležité v leteckom priemysle, kde sú to primárne konštrukčné materiály.
Titán a hliník sú ľahké, no stále je medzi nimi rozdiel. Hoci je titán asi o dve tretiny ťažší ako hliník, jeho vlastná pevnosť znamená, že na dosiahnutie požadovanej pevnosti je možné použiť oveľa menšie množstvo. Zliatiny titánu sú široko používané v leteckých prúdových motoroch a všetkých typoch kozmických lodí, kde ich pevnosť a nízka hustota znižujú náklady na palivo. Hliníková zliatina s hustotou iba jednej tretiny hustoty ocele je v tomto štádiu najpoužívanejším a najbežnejším materiálom na odľahčenie automobilov; existujú štúdie, ktoré ukazujú, že hliníková zliatina môže byť použitá až do hmotnosti 540 kg v kompletnom vozidle, v takom prípade auto stratí 40 % svojej hmotnosti a celohliníkové karosérie vozidiel Audi, Toyota a iných značiek sú dobrý príklad tohto.

Keďže oba materiály majú vysokú pevnosť a nízku hustotu, pri rozhodovaní o tom, ktorú zliatinu použiť, je potrebné zvážiť aj iné faktory.
Pevnosť/hmotnosť: V kritických situáciách sa počíta každý gram súčiastky, ale ak je potrebný komponent s vyššou pevnosťou, najlepšou voľbou je titán. Z tohto dôvodu sa zliatiny titánu používajú pri výrobe zdravotníckych pomôcok/implantátov, zložitých satelitných komponentov, prípravkov a výstuh a ďalších.
Cena: Hliník je cenovo najefektívnejší kov na obrábanie alebo 3D tlač; titán stojí viac, ale stále môže spôsobiť skok v hodnote. Úspora paliva pre lietadlo alebo kozmickú loď z ľahších dielov prinesie obrovské dividendy, zatiaľ čo titánové diely vydržia dlhšie.
Tepelné vlastnosti: Zliatiny hliníka majú vysokú tepelnú vodivosť a často sa používajú na výrobu radiátorov; pre vysokoteplotné aplikácie, vysoká teplota topenia titánu ho robí ešte vhodnejším a letecké motory obsahujú veľké množstvo komponentov zo zliatiny titánu.
Odolnosť proti korózii: Hliník aj titán majú vynikajúcu odolnosť proti korózii.
Odolnosť titánu proti korózii a nízka reaktivita z neho robia najbiokompatibilnejší kov a je široko používaný v lekárskych (napr. chirurgických prístrojoch). Ti64 tiež dobre odoláva soľnému prostrediu a často sa používa v námorných aplikáciách.

Zliatiny hliníka a zliatiny titánu sú veľmi bežné v aplikáciách v letectve. Titánová zliatina má vysokú pevnosť, nízku hustotu (iba asi 57 % ocele) a špecifickú pevnosť (pevnosť/hustotu) je oveľa väčšia ako u iných kovových konštrukčných materiálov, ktoré môžu produkovať diely s vysokou jednotkovou pevnosťou, dobrou tuhosťou a nízkou hmotnosťou. Komponenty leteckého motora, kostra, koža, spojovacie prvky a podvozok môžu byť použité z titánových zliatin. Odkaz na technológiu 3D tlače na kontrolu informácií zistil, že hliníková zliatina je vhodná na prácu v prostredí pod 200 stupňov, trup Airbusu A380 s hliníkom predstavoval viac ako 1/3, C919 tiež používal veľké množstvo konvenčných vysokovýkonných materiálov z hliníkovej zliatiny . Zliatiny hliníka možno použiť na plášte lietadiel, dištančné rámy, rebrá krídel atď.

Výroba titánových aditív a letecký priemysel
Ako je uvedené v Global Aerospace & Defence Industry Outlook 2019 zverejnenom spoločnosťou Deloitte, keďže letecký a obranný priemysel neustále rastie, rastie aj dopyt po výrobe. A pri navrhovaní pre letecké a obranné aplikácie je výber materiálu rozhodujúci. Pre komponenty, ktoré opúšťajú zem, je kritické zníženie počtu komponentov a hmotnosti. V týchto oblastiach každý 1g redukcie hmotnosti prináša významné výhody.

Titán má extrémne vysokú teplotu topenia nad 1 600 stupňov a je zvyčajne ťažké ho opracovať, čo je hlavný dôvod, prečo je drahší ako iné kovy. Ti6Al4V je najpoužívanejšia zliatina titánu a je nielen ľahká, ale má aj vysoká pevnosť a teplotná odolnosť, vďaka čomu sa stal obľúbeným materiálom v aplikáciách v letectve. Bežné aplikácie zahŕňajú časti, ako sú lopatky, disky a zásobníky používané pri výrobe ventilátorov motorov a nízkoteplotných sekcií pretlakových lietadiel prevádzkovaných v teplotnom rozsahu 400-500 stupňov, ako aj pri výrobe zostáv trupu a puzdier , skrine raketových motorov a náboje rotorových listov helikoptér. Avšak napriek vysokej odolnosti voči vysokým teplotám a korózii má titán zlú elektrickú vodivosť, čo z neho robí zlú voľbu pre elektrické aplikácie. Zliatiny titánu sú tiež drahšie v porovnaní s inými ľahkými kovmi, ako je hliník.

Použitie technológie aditívnej výroby vedie k zníženiu nákladov na spracovanie, zníženiu plytvania surovinami a má významné ekonomické výhody. Zliatiny na báze titánu sú tiež najsystematickejším a najvyspelejším zliatinovým systémom pre výskum aditívnej výroby. Aditívne vyrábané komponenty z titánovej zliatiny sa používajú ako nosné konštrukcie v oblasti letectva. Podľa skúmania referencie technológie 3D tlače začala spoločnosť American Aero Met Company testovať výrobu skúšobných dielov nosnej konštrukcie z titánovej zliatiny pre palubné spoločné stíhacie/útočné lietadlo Boeing F/A-18E/F v malých sériách v r. 2001 a prevzala vedúcu úlohu pri realizácii aplikácie dielov nosnej konštrukcie zo zliatiny titánu LMD na overovacích lietadlách F/A-18 v roku 2002. Pekinská univerzita pre letectvo a astronautiku prelom v kľúčových technológiách výroby laserových aditív z titánovej zliatiny, zliatina komplexné mechanické vlastnosti sú podstatne viac ako výkovky, vývoj rozsiahleho rámu hlavného ložiska z titánovej zliatiny a ďalších komponentov, bol realizovaný v aplikáciách inštalácie lietadiel. Severozápadná polytechnická univerzita použila technológiu výroby laserových aditív pre COMAC na výrobu rebra centrálneho krídla lietadla C919 na spodnom okraji vzoriek pásu s rozmermi 3,000mm × 350 mm × 450 mm, s hmotnosťou 196 kg.

Výroba aditív hliníka a letecký priemysel
Zliatiny na báze hliníka s nízkou hustotou, vysokou špecifickou pevnosťou, vysokou odolnosťou proti korózii, dobrou tvárnosťou, dobrými fyzikálnymi vlastnosťami a mechanickými vlastnosťami sú najpoužívanejšou triedou neželezných konštrukčných materiálov v priemysle. Na výrobu laserových aditív sú materiály na báze hliníka zvyčajne ťažko spracovateľné materiály, čo je určené ich špeciálnymi fyzikálnymi vlastnosťami (nízka hustota, nízka absorpcia lasera, vysoká tepelná vodivosť a ľahká oxidácia atď.). Z hľadiska procesu tvárnenia aditívnej výroby je hustota hliníkovej zliatiny malá, tekutosť prášku je relatívne zlá, rovnomernosť ukladania na lôžko formovacieho prášku SLM je zlá alebo kontinuita dopravy prášku v procese LMD je zlá, takže presnosť a presnosť systému kladenia/podávania v zariadení na výrobu laserových aditív musí byť vysoká.
V súčasnosti sú hliníkové zliatiny používané v aditívnej výrobe hlavne zliatiny Al-Si, z ktorých AlSi10Mg a AlSi12 s dobrou tekutosťou boli široko študované. Avšak kvôli materiálovej povahe zliatiny Al-Si na odlievanie hliníkovej zliatiny, hoci sa na prípravu používa optimalizovaný proces výroby laserových aditív, je ťažké preraziť pevnosť v ťahu 400 MPa, čo obmedzuje jej použitie v leteckom priemysle a iných oblastiach služieb. požiadavky na výkon komponentov s vyššou nosnosťou.

S cieľom ďalej získať vyššie mechanické vlastnosti mnoho domácich a zahraničných podnikov a univerzít v posledných rokoch zrýchlilo tempo výskumu a vývoja a zaradilo sa veľké množstvo vysokopevnostných hliníkových zliatin určených na aditívnu výrobu. Airbus pre potreby výroby prídavných dielov z hliníkovej zliatiny pre letectvo, vývoj prvej aditívnej výroby vysoko pevných práškových materiálov z hliníkovej zliatiny na svete Scalmalloy, pevnosť v ťahu pri izbovej teplote 520 MPa, bola aplikovaná na časti konštrukcie kabíny lietadla A320 na výrobu aditív; v United States Hughes Research Laboratories (HRL) vývoj vysokopevnostnej hliníkovej zliatiny pre 3D tlač 7A77.60L s pevnosťou viac ako 600 Mpa, čím sa stáva prvým výkovkom pre aditívnu výrobu. Viac ako 600 MPa, čím sa stáva prvou kovaním ekvivalentnou vysokopevnostnou hliníkovou zliatinou možno použiť na aditívnu výrobu, NASA Marshall Space Flight Center začal používať tento materiál na výrobu veľkokapacitných leteckých dielov; Referencia technológie 3D tlače tiež oznámila, že domáci dizajn CVRI a vývoj nového typu 3D tlače zo špeciálnej vysokopevnostnej hliníkovej zliatiny, prelomenie patentových obmedzení Airbus, pevnosť v ťahu stabilná Viac ako 560 MPa, výrazne lepšia ako Airbus Výkon tlače práškovej hliníkovej zliatiny Scalmalloy® dokáže uspokojiť potreby domácej železničnej dopravy, letectva a iných špičkových výrobných dielov v oblasti 3D tlače a domáci letecký sektor začal aplikácie výroby aditív z hliníkovej zliatiny s vysokou pevnosťou.