Alumīnijs un titāns: lieliska izvēle kosmosa piedevu ražošanai

Pamatojoties uz visprogresīvāko zinātniskās izpētes un attīstības perspektīvu, Zinātne savulaik publicēja rakstu, norādot, ka mūsdienu rūpniecība pieprasa, lai konstrukcijas materiāliem būtu augsta izturība, izturība pret lūzumiem un stingrība, un tajā pašā laikā pēc iespējas mazāks svars. Šajā gadījumā vieglie augstas stiprības sakausējumi, ko pārstāv alumīnijs un titāns, un nesošie karstumizturīgi sakausējumi, ko pārstāv supersakausējumi uz Ni bāzes, ir kļuvuši par vienu no galvenajiem materiāliem, kas izstrādāti jaunu materiālu izpētes un attīstības plānos dažādās jomās. valstīs, kā arī tiek ražotas lāzera piedevas. Svarīgs lietišķais materiāls.

Titāna un alumīnija priekšrocības un atšķirības

Alumīnija sakausējums un titāna sakausējums to izcilā zemā blīvuma un konstrukcijas izturības dēļ tiek plaši izmantots kosmosa, automobiļu, mašīnu ražošanas un citās jomās neatkarīgi no tā, vai tiek izmantota 3D drukāšana vai CNC apstrāde, īpaši aviācijas nozarē. Tas ir galvenais aviācijas nozares strukturālais materiāls.

Gan titāns, gan alumīnijs ir viegli, taču starp tiem joprojām pastāv atšķirības. Lai gan titāns ir apmēram par divām trešdaļām smagāks par alumīniju, tā raksturīgā izturība nozīmē, ka nepieciešamo stiprību var sasniegt, izmantojot mazāk. Titāna sakausējumus plaši izmanto lidmašīnu reaktīvos dzinējos un dažāda veida kosmosa kuģos, un to izturība un zemais blīvums var samazināt degvielas izmaksas. Alumīnija sakausējuma blīvums ir tikai viena trešdaļa no tērauda blīvuma, un šajā posmā tas ir visplašāk izmantotais un visizplatītākais vieglais materiāls automašīnām. Pētījumi ir parādījuši, ka alumīnija sakausējumus var izmantot transportlīdzeklī līdz 540 kg. Ar par 40 procentiem samazinātu svaru Audi, Toyota un citu zīmolu transportlīdzekļu alumīnija virsbūve ir labs piemērs.

Alumīnija un titāna materiālu īpašības

Tā kā abiem materiāliem ir augsta izturība un zems blīvums, lemjot, kuru sakausējumu izmantot, jāņem vērā arī citas atšķirības.

Spēks/svars: Kritiskās situācijās ir svarīgs katrs detaļas grams, bet, ja nepieciešama lielāka stiprības detaļa, titāns ir labākā izvēle. Šī iemesla dēļ titāna sakausējumus cita starpā izmanto medicīnisko ierīču/implantu, sarežģītu satelīta mezglu, armatūru un stentu ražošanā.

Izmaksas: alumīnijs ir visrentablākais metāls apstrādei vai 3D drukāšanai; titāns ir dārgs, bet joprojām var palielināt vērtību. Lidmašīnas vai kosmosa kuģa vieglo detaļu degvielas ietaupījums būs milzīgs, savukārt titāna daļas kalpos ilgāk.

Termiskās īpašības: Alumīnija sakausējumiem ir augsta siltumvadītspēja, un tos bieži izmanto radiatoru izgatavošanai; Augstas temperatūras lietojumiem titāna augstais kušanas punkts padara to piemērotāku, un aviācijas dzinēji satur lielu skaitu titāna sakausējuma komponentu.

Izturība pret koroziju: gan alumīnijam, gan titānam ir lieliska izturība pret koroziju.

Titāna izturība pret koroziju un zemā reaģētspēja padara to par bioloģiski saderīgāko metālu, un to plaši izmanto medicīnā, piemēram, ķirurģijas instrumentos. Ti64 labi iztur arī sāļu vidi, un to bieži izmanto jūrniecībā.

Alumīnija sakausējumi un titāna sakausējumi ir ļoti izplatīti kosmosa lietojumos. Titāna sakausējumam ir augsta izturība un zems blīvums (tikai aptuveni 57 procenti tērauda), un tā īpatnējā izturība (stiprība/blīvums) ir daudz lielāka nekā citiem metāla konstrukcijas materiāliem. Tas var ražot detaļas ar augstu vienības izturību, labu stingrību un vieglu. Titāna sakausējumus var izmantot lidmašīnu dzinēju sastāvdaļās, skeletos, apvalkos, stiprinājumos un šasijā. 3D drukas tehnoloģijas atsauces dati atklāja, ka alumīnija sakausējumi ir piemēroti darbam vidē, kas ir zemāka par 200 grādiem C. Airbus A380 korpusā izmantotais alumīnija materiāls veido vairāk nekā 1/3, un C919 izmanto arī lielu skaitu parasto augstas kvalitātes veiktspējas alumīnija sakausējuma materiāli. No alumīnija sakausējumiem var izgatavot gaisa kuģu apvalkus, starpsienas, ribas utt.

Titāna piedevu ražošana un kosmosa rūpniecība

Kā norādīts Deloitte publicētajā 2019. gada globālajā aviācijas un aizsardzības nozares pārskatā, aviācijas un aizsardzības nozarei turpinot augt, pieaugs arī ražošanas pieprasījums. Un, izstrādājot aviācijas un aizsardzības lietojumiem, materiālu izvēle ir ļoti svarīga. Attiecībā uz ārpuszemes komponentiem galvenais ir samazināt komponentu skaitu un svaru. Šajās jomās katrs 1g svara zudums var dot lielu labumu.

Titānam ir ārkārtīgi augsta kušanas temperatūra, kas pārsniedz 1600 grādus, un tas parasti ir arī grūti apstrādājams materiāls, kas ir galvenais iemesls, kāpēc tas ir dārgāks nekā citi metāli. Ti6Al4V pašlaik ir visplašāk izmantotais titāna sakausējuma materiāls. Tam ir ne tikai viegls svars, bet arī augsta izturība un izturība pret augstu temperatūru. Šīs īpašības padara to ļoti populāru kosmosa jomā. Parasti tiek izmantoti lāpstiņu, disku, apvalku un citu detaļu ražošana dzinēja ventilatoru un kompresoru zemas temperatūras sekcijām ar darba temperatūras diapazonu 400-500 grādiem; izmanto arī lidmašīnu korpusu un kapsulu komponentu, raķešu dzinēju korpusu un helikopteru Rotoru rumbu ražošanā utt. Tomēr, neskatoties uz tā augsto temperatūru un izturību pret koroziju, titānam ir slikta elektrovadītspēja, tāpēc tas ir slikta izvēle elektriskiem lietojumiem. Titāns ir arī dārgāks salīdzinājumā ar citiem viegliem metāliem, piemēram, alumīniju.

Titāna izmantošana aviācijas un kosmosa rūpniecībā

Piedevu ražošanas tehnoloģiju izmantošana veicina pārstrādes izmaksu un izejvielu izšķērdēšanas samazināšanu, kam ir būtiskas ekonomiskās priekšrocības. Titāna sakausējumi ir arī sistemātiskākās un nobriedušākās sakausējumu sistēmas piedevu ražošanas pētījumiem. Ar piedevām ražotas titāna sakausējuma sastāvdaļas ir izmantotas kā nesošās konstrukcijas aviācijas un kosmosa jomā. Saskaņā ar 3D drukāšanas tehnoloģiju atsauces aptauju, ASV uzņēmums Aero Met Company sāka ražot titāna sakausējuma nesošās konstrukcijas testa gabalus Boeing F/A-18E/F pārvadātāju kombinētajiem iznīcinātājiem/uzbrukumiem. lidmašīnu nelielās partijās 2001. gadā un 2002. gadā uzņēmās vadību LMD titāna sakausējuma realizācijā. Sekundāro nesošo konstrukciju daļu pielietošana F/A-18 verifikācijas iekārtā. Pekinas Aeronautikas un astronautikas universitāte ir guvusi sasniegumus galvenajā tehnoloģijā titāna sakausējumu lāzera piedevu ražošanā. Sakausējumu visaptverošās mehāniskās īpašības ievērojami pārsniedz kalumu īpašības. Liela mēroga galveno gultņu titāna sakausējuma rāmji un citas izstrādātās sastāvdaļas ir uzstādītas un izmantotas lidmašīnās. Ziemeļrietumu Politehniskā universitāte izmantoja lāzera piedevu ražošanas tehnoloģiju, lai ražotu C919 lidmašīnas centrālā spārna ribas augšējās un apakšējās malas sloksnes paraugus COMAC vajadzībām ar izmēriem 3000 mm × 350 mm × 450 mm un masu 196 kg.

Alumīnija sakausējumiem ir zems blīvums, augsta īpatnējā izturība, spēcīga izturība pret koroziju, laba formējamība un labas fizikālās un mehāniskās īpašības. Tie ir nozarē visplašāk izmantotie krāsaino metālu konstrukciju materiāli. Lāzera piedevu ražošanai materiāli uz alumīnija bāzes parasti ir grūti apstrādājami materiāli, ko nosaka to īpašās fizikālās īpašības (zems blīvums, zema lāzera absorbcija, augsta siltumvadītspēja, viegla oksidēšanās utt.). No piedevu ražošanas veidošanas procesa viedokļa alumīnija sakausējuma blīvums ir salīdzinoši mazs, pulvera plūstamība ir salīdzinoši slikta, uzklāšanas viendabīgums uz SLM veidojošā pulvera slāņa ir slikta vai pulvera transportēšanas nepārtrauktība LMD. process ir slikts. Tāpēc pulvera izkliedēšanas/pulvera padeves sistēmas precizitāte un precizitāte lāzera piedevu ražošanas iekārtās ir salīdzinoši augsta.

Pašlaik piedevu ražošanā izmantotie alumīnija sakausējumi galvenokārt ir Al-Si sakausējumi, starp kuriem AlSi10Mg un AlSi12 ar labu plūstamību ir plaši pētīti. Tomēr, ņemot vērā Al-Si sakausējuma lietā alumīnija sakausējuma materiālo raksturu, lai gan tas ir sagatavots, izmantojot optimizētu lāzera piedevu ražošanas procesu, stiepes izturību ir grūti pārsniegt 400 MPa, kas ierobežo tā pakalpojumu veiktspēju kosmosa un citās jomās. Izmantot uz augstas slodzes elementiem.

Lidmašīnās izmantotā alumīnija sakausējuma daudzums sasniedz pat 20 procentus

Lai vēl vairāk iegūtu augstākas mehāniskās īpašības, daudzi uzņēmumi un universitātes gan mājās, gan ārvalstīs pēdējos gados ir paātrinājuši pētniecības un attīstības tempu, un sarakstā ir iekļauts liels skaits augstas stiprības alumīnija sakausējumu, kas paredzēti piedevu ražošanai. Airbus ir izstrādājis Scalmalloy, pasaulē pirmo augstas stiprības alumīnija sakausējuma pulvermateriālu piedevu ražošanai ar stiepes izturību 520 MPa istabas temperatūrā, kas ir izmantots A320 lidmašīnas kabīnes konstrukciju detaļu ražošanā. Augstas stiprības 7A77.60L alumīnija sakausējuma izturība 3D drukāšanai, ko izstrādājusi Hughes Research Laboratory (HRL) Amerikas Savienotajās Valstīs, pārsniedz 600Mpa, padarot to par pirmo kaltu līdzvērtīgu augstas stiprības alumīnija sakausējumu, ko var izmantot piedevu ražošanā. NASA Māršala kosmosa lidojumu centrs ir sācis Šo materiālu izmanto liela mēroga kosmosa detaļu ražošanā; 3D drukas tehnoloģiju atsauce ir arī ziņojusi par jauna veida augstas stiprības alumīnija sakausējumu, ko izstrādājis un izstrādājis vietējais CRRC Rūpniecības pētniecības institūts 3D drukāšanai, kas pārkāpj Airbus patentu ierobežojumus. Stabilitāte pārsniedz 560 MPa, kas ir ievērojami labāka nekā Airbus Scalmalloy® alumīnija sakausējuma pulvera drukāšanas veiktspēja, kas var apmierināt augstākās klases ražošanas detaļu 3D drukāšanas vajadzības, piemēram, vietējās dzelzceļa tranzīta iekārtas un kosmosa iekārtas. materiālu ražošanas pielietojumi.

Mūsdienu aviācijas un kosmosa komponentiem ir jāatbilst virknei stingru prasību, piemēram, viegls, augsta veiktspēja, augsta uzticamība un zemas izmaksas, turklāt komponentu struktūra ir sarežģītāka un grūtāk projektējama un ražojama. Novatoriskas un attīstot galvenās tehnoloģijas alumīnija, titāna un niķeļa komponentu lāzera piedevu ražošanai kosmiskajā aviācijā, ne tikai atspoguļo vieglā svara un augstas veiktspējas attīstības virzienu materiālu izvēlē, bet arī izceļ pašas piedevu ražošanas tehnoloģijas precizitāti. , Tīkla formas attīstības tendence var realizēt integrētu materiālu struktūras un veiktspējas piedevu ražošanu un galveno piedevu ražošanas tehnoloģiju inženierijas pielietojumu kosmosa jomā.