Lega di titanio Ti-6Al-4V: caratteristiche fondamentali
Alluminio 5,5–6,75%, vanadio 3,5–4,5% e oligoelementi come ferro, carbonio, azoto, ossigeno e idrogeno costituiscono i componenti chimici principali della lega di titanio Ti-6Al-4V. La sua densità è di 4,44 g/cm³; l'intervallo della temperatura di fusione è compreso tra 1630 e 1650 gradi. Con intervalli rispettivamente di 825–895 MPa e 895–1180 MPa, questa lega di titanio mostra un buon allungamento (10–15%) e un buon ritiro trasversale (25–35%). La sua resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento sono eccezionali.
La scarsa conduttività termica della lega di titanio Ti-6Al-4V, la forte attività chimica, l'incrudimento severo, che produce una bassa velocità di taglio e una breve durata dell'utensile, pertanto le difficoltà di lavorazione di questa lega sono molto significative. Tuttavia, le tecniche di trattamento termico tra cui ricottura, trattamento di soluzione e trattamento di invecchiamento possono aiutare a massimizzare le sue qualità meccaniche. Inoltre, adatta per applicazioni nei settori marittimo e chimico, la lega mostra un'ottima resistenza alla corrosione in condizioni difficili, tra cui ossidanti, riducenti, acidi forti e alcali forti.
Applicazione della tecnologia di stampa 3D in metallo aerospaziale
Essendo una sofisticata tecnica di produzione additiva, la tecnologia di stampa 3D in metallo può fornire lo stampaggio integrato di componenti dalla forma complessa nel settore aerospaziale, migliorando quindi la precisione e la qualità della produzione. L'eccellente applicazione della lega di titanio Ti-6Al-4V ne ha fatto uno dei materiali più studiati per la stampa 3D in metallo.
Le apparecchiature aerospaziali, compreso il guscio conico della cabina elettrica, il guscio cilindrico della cabina di controllo elettrico del razzo e il guscio della coda, presentano forme complicate e strutture disperse tra cui sporgenze, nervature, finestre, ecc. Mentre la tecnologia di stampa 3D può facilmente eseguire lo stampaggio integrato di queste strutture complicate e garantisce l'accuratezza e la qualità delle parti, le tecniche di produzione tradizionali sono difficili da ottenere. La Platinum Technology Company, ad esempio, ha prodotto questi componenti del guscio per i razzi della serie "txi", che soddisfano i criteri, hanno un forte controllo generale della deformazione, dimensioni e proprietà meccaniche stabili e integrità meccanica.
Componenti del motore: soprattutto per componenti importanti come iniettori di carburante, turbopompe e camere di combustione, che hanno strutture complesse e requisiti severi in termini di prestazioni dei materiali e precisione di produzione, la produzione di motori a razzo richiede criteri tecnici molto elevati. Utilizzando la tecnologia di stampa 3D è possibile lo stampaggio integrato di costruzioni complesse, migliorando così l’affidabilità e le prestazioni del motore.
Componenti strutturali delle ali: sebbene abbiano costruzioni complicate, le ali degli aerei devono avere grande resistenza e poco peso. Strutture interne complesse, tra cui travi e nervature delle ali, possono essere prodotte tramite la tecnologia di stampa 3D in metallo per i componenti delle ali. La riduzione del peso mediante la progettazione strutturale aiuta a migliorare contemporaneamente la resistenza e la rigidità dell'ala.
pale per motori: l'ambiente operativo ostile delle pale dei motori degli aerei richiede un'elevata resistenza alla temperatura e all'usura dei materiali. Pale del motore con forme e strutture interne uniche, comprese pale con canali di raffreddamento, che possono aumentare l'efficacia di raffreddamento delle pale e prolungarne la durata, possono essere prodotte mediante la tecnologia di stampa 3D in metallo.
Problemi e rimedi per la stampa 3D di metalli in lega di titanio Ti-6Al-4V
La lega di titanio Ti-6Al-4V presenta ancora alcune difficoltà anche se presenta numerosi vantaggi per la stampa 3D in metallo. I tipici componenti prodotti con additivi Ti-6Al-4V hanno caratteristiche di trazione anisotropiche con grani Prior colonnari grossolani. Pertanto, l’aumento delle caratteristiche di trazione dei grani equiassici è diventato un importante argomento di studio.
Per raffinare i grani Priori dei componenti Ti-6Al-4V durante la deposizione di energia diretta tramite laser (LDED), l'Accademia coreana delle scienze e della tecnica ha proposto una tecnica di produzione additiva assistita da laser pulsato (PLAAM). Utilizzando le onde d'urto prodotte dal laser, i fenomeni di cavitazione e il flusso Marangoni accelerato per generare strutture a grani Prior equiassici fini, questo metodo incorpora laser a impulsi di nanosecondi con sistemi LDED per fornire un'elevata energia di impulso al pool di fusione, fornendo quindi un ambiente favorevole. Con 3,78 volte la quantità di grani Prior per unità di area rispetto ai campioni di produzione additiva convenzionale, la ricerca ha dimostrato che i campioni PLAAM mostrano grani Prior più fini ed equiassici sull'intera altezza di costruzione di 30 mm.
ottimizzazione dei componenti di produzione additiva e valutazione delle prestazioni
I componenti prodotti mediante produzione additiva devono soddisfare i requisiti dell’industria aerospaziale se devono essere utilizzati nel settore. In collaborazione con Rolls Royce, un gruppo di ricerca della Nanyang Technological University di Singapore ha valutato le prestazioni di campioni di Ti-6Al-4V prodotti e fabbricati utilizzando la produzione additiva con fusione laser a letto di polvere (L-PBF). Gli studi hanno indicato che i campioni di Ti-6Al-4V generati mediante la produzione additiva L-PBF trattati con il metodo di produzione aeronautica (MoM) hanno una resistenza alla fatica migliore rispetto ai campioni prodotti dalla fabbricazione. Oltre a ciò, la tecnica di lucidatura a vibrazione aumenta la levigatezza della superficie e la durata a fatica mantenendo il vantaggioso stress compressivo residuo della pallinatura.
Lo studio ha inoltre rilevato che la lucidatura superficiale può aumentare del 50% la durata a fatica dei componenti lavorati a macchina e pallinati. Estendere la durata dei componenti ed evitare guasti dipende in gran parte dai metodi di trattamento superficiale, tra cui la pallinatura e la lucidatura a vibrazione. La pallinatura introduce stress di compressione producendo deformazione plastica dei materiali e migliorando le strutture dei grani superficiali e sotterranei, migliorando quindi le prestazioni a fatica. La pallinatura può tuttavia provocare variazioni ed eccessiva rugosità superficiale; pertanto la necessaria ruvidità superficiale richiede un'ultima lucidatura fine. La lucidatura a vibrazione è una tecnica di lucidatura batch in cui il materiale viene rimosso uniformemente dalla superficie a un ritmo regolato e genera texture lisce, riducendo quindi la rugosità superficiale mantenendo allo stesso tempo lo stress di compressione e l'affinamento della grana sia sulla superficie che sul lato inferiore.
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