Basato sulla prospettiva dell'esplorazione e dello sviluppo scientifico all'avanguardia, Science ha pubblicato una volta un articolo in cui sottolineava che l'industria moderna richiede che i materiali strutturali abbiano un'elevata resistenza, tenacità alla frattura e rigidità e allo stesso tempo riducano il peso il più possibile. In questo caso, le leghe leggere ad alta resistenza rappresentate da alluminio e titanio, e le leghe resistenti al calore portanti rappresentate da superleghe a base di Ni, sono diventate uno dei materiali chiave sviluppati nei piani di ricerca e sviluppo di nuovi materiali in vari paesi e sono anche in fase di produzione additiva laser. Materiale applicato importante.
Vantaggi e differenze tra titanio e alluminio
La lega di alluminio e la lega di titanio, grazie alla loro eccellente bassa densità e resistenza strutturale, sono ampiamente utilizzate nell'industria aerospaziale, automobilistica, nella produzione di macchinari e in altri campi, sia che utilizzino la stampa 3D o la lavorazione CNC, specialmente nell'industria aeronautica. È il principale materiale strutturale dell'industria aeronautica.
Sia il titanio che l'alluminio sono leggeri, ma ci sono ancora differenze tra i due. Sebbene il titanio sia circa due terzi più pesante dell'alluminio, la sua forza intrinseca significa che la resistenza richiesta può essere raggiunta utilizzando meno. Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate nei motori a reazione degli aerei e in vari tipi di veicoli spaziali e la loro forza e bassa densità possono ridurre i costi del carburante. La densità della lega di alluminio è solo un terzo di quella dell'acciaio ed è il materiale leggero più utilizzato e comune per le automobili in questa fase. Gli studi hanno dimostrato che le leghe di alluminio possono essere utilizzate in un veicolo fino a 540 kg. Con una riduzione del 40 percento del peso, la carrozzeria interamente in alluminio di Audi, Toyota e altri veicoli di marca è un buon esempio.
Materiale | Metodi di elaborazione | Resistenza alla trazione | Allungamento | Durezza |
Titanio (Ti6AI4V) | SLM | 1186 MPa | 10 per cento | 40 HRB |
Alluminio (AlSi10Mg) | SLM | 241 MPa | 10 per cento | 45 HRB |
Alluminio(6061-T651) | CNC | 276 MPa | 17 per cento | 95 HRB |
Alluminio(7075-T651) | CNC | 572 MPa | 11 per cento | 85 HRB |
Titanio (Ti6AI4V) | CNC | 951 MPa | 14 per cento | 35 HRB |
Proprietà dei materiali di alluminio e titanio
Poiché entrambi i materiali hanno un'elevata resistenza e una bassa densità, è necessario considerare altre differenze quando si decide quale lega utilizzare.
Strength/Weight: In situazioni critiche, ogni grammo di una parte conta, ma se è richiesta una parte più resistente, il titanio è la scelta migliore. Per questo motivo, le leghe di titanio sono utilizzate nella produzione di dispositivi/impianti medici, complessi satelliti, impianti e stent, tra gli altri.
Costo: L'alluminio è il metallo più conveniente per la lavorazione meccanica o la stampa 3D; il titanio è costoso ma può comunque fare un balzo di valore. Il risparmio di carburante delle parti leggere per un aereo o un veicolo spaziale sarà enorme, mentre le parti in titanio dureranno più a lungo.
Proprietà termali: Le leghe di alluminio hanno un'elevata conduttività termica e sono spesso utilizzate per realizzare radiatori; per applicazioni ad alta temperatura, l'alto punto di fusione del titanio lo rende più adatto e i motori aeronautici contengono un gran numero di componenti in lega di titanio.
Resistenza alla corrosione: Sia l'alluminio che il titanio hanno un'eccellente resistenza alla corrosione.
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. Ti64 resiste bene anche agli ambienti salmastri ed è spesso utilizzato in applicazioni marine.
Le leghe di alluminio e le leghe di titanio sono molto comuni nelle applicazioni aerospaziali. La lega di titanio ha un'elevata resistenza e una bassa densità (solo circa il 57% dell'acciaio) e la sua resistenza specifica (resistenza/densità) è molto maggiore di quella di altri materiali strutturali metallici. Può produrre parti con elevata resistenza dell'unità, buona rigidità e leggerezza. Le leghe di titanio possono essere utilizzate in componenti di motori aeronautici, scheletri, pelli, elementi di fissaggio e carrello di atterraggio. I dati di riferimento della tecnologia di stampa 3D hanno rilevato che le leghe di alluminio sono adatte per lavorare in un ambiente al di sotto di 200 gradi C. Il materiale di alluminio utilizzato nel corpo dell'Airbus A380 rappresenta più di 1/3 e il C919 utilizza anche un gran numero di convenzionali ad alta temperatura materiali in lega di alluminio ad alte prestazioni. Le pelli degli aerei, le paratie, le centine, ecc. possono essere realizzate in leghe di alluminio.
Produzione additiva di titanio e industria aerospaziale
Come sottolinea il Global Aerospace and Defence Industry Outlook 2019 pubblicato da Deloitte, poiché l'industria aerospaziale e della difesa continua a crescere, aumenterà anche la domanda di produzione. Inoltre, quando si progetta per applicazioni aerospaziali e di difesa, la selezione dei materiali è fondamentale. Per i componenti fuori terra, la riduzione del numero di componenti e del peso è fondamentale. In queste aree, ogni 1g di perdita di peso può portare grandi benefici.
Il titanio ha un punto di fusione estremamente alto, oltre 1600 gradi, ed è anche un materiale tipicamente difficile da lavorare, motivo principale per cui è più costoso di altri metalli. Ti6Al4V è attualmente il materiale in lega di titanio più utilizzato. Non è solo leggero, ma ha anche un'elevata resistenza e resistenza alle alte temperature. Queste caratteristiche lo rendono molto popolare nel campo aerospaziale. Le applicazioni comuni includono la produzione di pale, dischi, involucri e altre parti per la sezione a bassa temperatura di ventilatori e compressori del motore, con un intervallo di temperatura di esercizio di 400-500 gradi; utilizzato anche nella produzione di componenti della cellula e della capsula, carter di motori a razzo ed elicotteri, mozzi del rotore, ecc. Tuttavia, nonostante le sue alte temperature e resistenza alla corrosione, il titanio ha una scarsa conduttività elettrica, il che lo rende una scelta scadente per le applicazioni elettriche. Il titanio è anche più costoso rispetto ad altri metalli leggeri come l'alluminio.
Usi del titanio nell'industria aerospaziale
L'uso della tecnologia di produzione additiva contribuisce a ridurre i costi di lavorazione e lo spreco di materie prime, con notevoli vantaggi economici. Le leghe a base di titanio sono anche i sistemi di leghe più sistematici e maturi per la ricerca sulla produzione additiva. I componenti in lega di titanio prodotti in modo additivo sono stati utilizzati come strutture portanti nel campo aerospaziale. Secondo l'indagine sui riferimenti della tecnologia di stampa 3D, Aero Met Company degli Stati Uniti ha iniziato a produrre provini strutturali sub-portanti in lega di titanio per caccia/attacco combinato Boeing F/A{5}}E/F basato su portaerei aeromobili in piccoli lotti nel 2001 e ha preso l'iniziativa nella realizzazione della lega di titanio LMD nel 2002. L'applicazione di parti strutturali portanti secondarie sulla macchina di verifica F/A{10}}. L'Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino ha compiuto progressi nella tecnologia chiave della produzione additiva laser di leghe di titanio. Le proprietà meccaniche complete delle leghe superano significativamente quelle dei pezzi fucinati. I telai in lega di titanio del cuscinetto principale su larga scala e altri componenti sviluppati sono stati installati e applicati su aeromobili. La Northwestern Polytechnical University ha utilizzato la tecnologia di produzione additiva laser per produrre i campioni di striscia del bordo superiore e inferiore della nervatura centrale dell'ala dell'aereo C919 per COMAC, con una dimensione di 3000 mm × 350 mm × 450 mm e una massa di 196 kg.
Le leghe a base di alluminio hanno bassa densità, elevata resistenza specifica, forte resistenza alla corrosione, buona formabilità e buone proprietà fisiche e meccaniche. Sono i materiali strutturali in metallo non ferroso più utilizzati nel settore. Per la produzione additiva laser, i materiali a base di alluminio sono in genere materiali difficili da lavorare, che sono determinati dalle loro proprietà fisiche speciali (bassa densità, basso assorbimento del laser, alta conducibilità termica, facile ossidazione, ecc.). Dal punto di vista del processo di formatura della produzione additiva, la densità della lega di alluminio è relativamente piccola, la fluidità della polvere è relativamente scarsa, l'uniformità di posa sul letto di formatura della polvere SLM è scarsa o la continuità del trasporto della polvere nell'LMD il processo è scadente. Pertanto, la precisione e l'accuratezza del sistema di spargimento/alimentazione della polvere nelle apparecchiature di produzione additiva laser sono relativamente elevate.
Attualmente le leghe di alluminio utilizzate nella produzione additiva sono principalmente leghe Al-Si, tra le quali sono stati ampiamente studiati AlSi10Mg e AlSi12 con buona fluidità. Tuttavia, a causa della natura del materiale della lega di alluminio fuso Al-Si, sebbene sia preparata da un processo di produzione additiva laser ottimizzato, la resistenza alla trazione è difficile da superare 400 MPa, il che limita le sue prestazioni di servizio nel settore aerospaziale e in altri campi. Utilizzo su elementi portanti elevati.
La quantità di lega di alluminio utilizzata negli aerei raggiunge il 20 percento
Al fine di ottenere proprietà meccaniche più elevate, molte aziende e università in patria e all'estero hanno accelerato il ritmo della ricerca e sviluppo negli ultimi anni e sono state elencate un gran numero di leghe di alluminio ad alta resistenza dedicate alla produzione additiva. Airbus ha sviluppato Scalmalloy, il primo materiale in polvere in lega di alluminio ad alta resistenza al mondo per la produzione additiva, con una resistenza alla trazione di 520 MPa a temperatura ambiente, che è stato applicato alla produzione additiva delle parti strutturali della cabina dell'aeromobile A320. La forza della lega di alluminio 7A77.60L ad alta resistenza per la stampa 3D sviluppata dallo Hughes Research Laboratory (HRL) negli Stati Uniti supera i 600 Mpa, rendendola la prima lega di alluminio ad alta resistenza equivalente forgiata che può essere utilizzata per la produzione additiva. Il NASA Marshall Space Flight Center ha iniziato a Questo materiale viene utilizzato nella produzione di parti aerospaziali su larga scala; Il riferimento alla tecnologia di stampa 3D ha anche riportato un nuovo tipo di lega di alluminio ad alta resistenza progettata e sviluppata dal CRRC Industry Research Institute nazionale per la stampa 3D, che rompe le restrizioni sui brevetti di Airbus. La stabilità supera i 560 MPa, che è significativamente migliore delle prestazioni di stampa della polvere di lega di alluminio Airbus Scalmalloy®, che può soddisfare le esigenze della stampa 3D di parti di produzione di fascia alta come le attrezzature per il trasporto ferroviario nazionale e l'aerospaziale. applicazioni di fabbricazione dei materiali.
I moderni componenti aerospaziali devono soddisfare una serie di requisiti esigenti come leggerezza, prestazioni elevate, alta affidabilità e basso costo, e la struttura dei componenti è più complessa e più difficile da progettare e produrre. L'innovazione e lo sviluppo di tecnologie chiave per la produzione additiva laser di componenti a base di alluminio, titanio e nichel nel settore aerospaziale, non solo riflette la direzione dello sviluppo di materiali leggeri e ad alte prestazioni nella selezione dei materiali, ma evidenzia anche la precisione della stessa tecnologia di produzione additiva. , La tendenza allo sviluppo della forma della rete può realizzare la produzione additiva integrata di materiale-struttura-prestazioni e la principale applicazione ingegneristica della tecnologia di produzione additiva nel settore aerospaziale.