Scelta eccellente per la produzione additiva nel campo aerospaziale di fascia alta

Le prestazioni e i costi del titanio e delle leghe di alluminio sono le due eterne forze trainanti per lo sviluppo della tecnologia dei materiali, mentre la leggerezza, l’integrazione e l’integrazione delle funzioni strutturali sono le sfide comuni della progettazione strutturale degli aeromobili, dell’applicazione dei materiali e della tecnologia di produzione. Negli ultimi decenni, le tecnologie di formatura “near-net” come la pressatura isostatica a caldo, lo stampaggio a iniezione e la sinterizzazione al plasma a scarica hanno fatto grandi progressi nel campo delle leghe di titanio, ma i problemi del collo di bottiglia come il contenuto di ossigeno e la porosità non sono stati risolti in modo efficace. , limitando così la loro applicazione nella produzione di strutture in lega di titanio per l'aviazione.

Dal punto di vista dell'esplorazione e dello sviluppo scientifico, l'industria moderna ha bisogno di materiali strutturali con elevata resistenza, resistenza alla frattura e rigidità, riducendo al contempo il peso il più possibile. Pertanto, le leghe leggere ad alta resistenza come il titanio e l'alluminio e le leghe resistenti al calore come le superleghe a base di Ni sono diventate il fulcro di piani di ricerca e sviluppo di nuovi materiali in vari paesi. Inoltre, questi materiali sono anche importanti materiali applicativi nella produzione additiva laser.

Vantaggi e differenze tra lega di titanio e lega di alluminio

La lega di titanio ha un'elevata resistenza specifica, rigidità specifica e buona resistenza alla corrosione, che soddisfa le esigenze di progettazione di aeromobili con elevata manovrabilità, elevata affidabilità e lunga durata, e il suo livello di applicazione è diventato un simbolo importante per misurare il grado avanzato di selezione dei materiali dell'aeromobile.

Le leghe di titanio e le leghe di alluminio sono ampiamente utilizzate nel settore aerospaziale, automobilistico, nella produzione di macchinari e in altri campi grazie alla loro eccellente bassa densità e resistenza strutturale. Soprattutto nell'industria aeronautica svolgono un ruolo molto importante e sono i principali materiali strutturali dell'industria aeronautica. Sebbene le leghe di titanio siano circa due terzi più pesanti delle leghe di alluminio, la loro resistenza intrinseca fa sì che la resistenza richiesta possa essere ottenuta in quantità minori. La lega di titanio è diventata un materiale importante per ridurre i costi del carburante grazie alla sua resistenza e bassa densità ed è ampiamente utilizzata nei motori degli aerei e in vari tipi di veicoli spaziali. In questa fase la lega di alluminio è il materiale leggero più utilizzato e comune nel settore automobilistico e la sua densità è solo un terzo di quella dell'acciaio. Gli studi hanno dimostrato che la lega di alluminio può essere utilizzata fino a 540 kg nell'intero veicolo, in modo che il peso dell'auto sarà ridotto del 40%. L'uso di carrozzerie interamente in alluminio in veicoli di marchi come Audi e Toyota è un buon esempio.

Poiché entrambi i materiali hanno un'elevata resistenza e una bassa densità, è necessario considerare altri fattori quando si sceglie una lega.

In situazioni critiche in cui sono richieste elevata resistenza e peso ridotto, ogni grammo conta, ma se sono necessari componenti con resistenza maggiore, il titanio è la scelta migliore. Pertanto, le leghe di titanio vengono utilizzate per realizzare dispositivi/impianti medici, componenti satellitari complessi, dispositivi di fissaggio e staffe.

In termini di costi, l’alluminio è il metallo più conveniente per la lavorazione o la stampa 3D; Mentre il titanio costa di più, le parti leggere apporteranno enormi vantaggi al risparmio di carburante di aerei o veicoli spaziali, mentre le parti in lega di titanio hanno una durata maggiore.

In termini di proprietà termiche, le leghe di alluminio hanno un'elevata conduttività termica e vengono spesso utilizzate per realizzare radiatori; Per le applicazioni ad alta temperatura, l'elevato punto di fusione del titanio lo rende più adatto e i motori aeronautici contengono un gran numero di parti in lega di titanio.

La resistenza alla corrosione e la bassa reattività del titanio lo rendono il metallo più biocompatibile ed è ampiamente utilizzato in applicazioni mediche come gli strumenti chirurgici. Il Ti64 resiste bene anche agli ambienti salini e viene spesso utilizzato in applicazioni marine.

Nel campo aerospaziale trovano largo impiego le leghe di alluminio e le leghe di titanio. La lega di titanio presenta i vantaggi di elevata resistenza e bassa densità (solo circa il 57% dell'acciaio) e la sua resistenza specifica (resistenza/densità) supera di gran lunga quella di altri materiali strutturali metallici e può produrre parti con elevata resistenza unitaria, buona rigidità e peso leggero. Le parti di partenza, lo scheletro, la pelle, gli elementi di fissaggio e il carrello di atterraggio dell'aereo sono tutti realizzati in lega di titanio. Inoltre, il riferimento alla tecnologia di stampa 3D per verificare i materiali rilevanti ha rilevato che la lega di alluminio è adatta per lavorare in un ambiente inferiore a 200 gradi, la fusoliera dell'Airbus A380 utilizza più di 1/3 dell'alluminio e C919 utilizza anche un gran numero di convenzionali alti materiali in lega di alluminio ad alte prestazioni. La lega di alluminio viene utilizzata per rivestimenti di aeromobili, partizioni, centine alari e altre parti.

A causa del suo elevato punto di fusione e delle difficili proprietà di lavorazione, le leghe di titanio sono uno dei materiali metallici più costosi. Tuttavia, la leggerezza, l'elevata robustezza e la resistenza alle alte temperature della lega di titanio Ti6Al4V la rendono di alto profilo nel campo aerospaziale. Il suo campo di applicazione comprende pale, dischi, ricevitori e altre parti che funzionano nella sezione a bassa temperatura di ventole e compressori del motore e l'intervallo di temperatura di funzionamento può raggiungere i 400-500 gradi. Inoltre, viene utilizzato nella produzione di componenti di fusoliera e capsula, alloggiamenti di motori a razzo e mozzi di eliche di rotori di elicotteri. Tuttavia, a causa della sua scarsa conduttività, il titanio non è ideale per le applicazioni elettriche. Sebbene il prezzo della lega di titanio sia relativamente alto, la sua resistenza alle alte temperature e alla corrosione non può essere sostituita da altri metalli leggeri.

Le leghe a base di alluminio hanno eccellenti proprietà fisiche e meccaniche come bassa densità, elevata resistenza specifica, forte resistenza alla corrosione e buona formabilità, quindi sono ampiamente utilizzate nell'industria. Tuttavia, dal punto di vista del processo di stampaggio di produzione additiva, la densità della lega di alluminio è piccola, la fluidità della polvere è relativamente scarsa, l'uniformità di posa sul letto di polvere che forma SLM è scarsa o la continuità del trasporto della polvere nel processo LMD è scarsa , quindi la precisione e l'accuratezza del sistema di distribuzione/alimentazione della polvere nelle apparecchiature di produzione additiva laser sono elevate.

Allo stato attuale, le leghe di alluminio utilizzate nella produzione additiva sono principalmente leghe Al-Si, di cui sono state ampiamente studiate AlSi10Mg e AlSi12 con buona fluidità. Tuttavia, poiché la lega Al-Si appartiene alla lega di alluminio fuso, sebbene sia preparata mediante un processo di produzione additiva laser ottimizzato, la sua resistenza alla trazione è ancora difficile da superare 400 MPa, il che ne limita l'uso in componenti portanti con requisiti di prestazioni di servizio più elevati nel settore aerospaziale. e altri campi.

I moderni componenti aerospaziali devono affrontare una serie di requisiti impegnativi, tra cui leggerezza, alte prestazioni, elevata affidabilità e basso costo. Questa struttura complessa è estremamente difficile da progettare e produrre. Attraverso l'innovazione e lo sviluppo della tecnologia di produzione additiva laser per componenti tipici del settore aerospaziale in alluminio, titanio e nichel, non solo possiamo ottenere leggerezza e prestazioni elevate nella selezione dei materiali, ma anche riflettere la tendenza allo sviluppo della precisione e della forma netta della produzione additiva tecnologia. Con l’integrazione della produzione additiva materiali-struttura-proprietà, possiamo applicare la tecnologia di produzione additiva alle principali attività di ingegneria nel campo aerospaziale.