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高端航空航天領域增材制造的絕佳選擇:鈦、鋁合金

發布時間:2023-09-23 人氣:870

  從科學探索與發展角度看,現代工業需要具有高強度、斷裂韌性和剛度,同時盡可能減輕重量的結構材料。因此,鈦和鋁等輕質高強合金以及Ni基高溫合金等承載耐熱合金成為了各國新材料研發計劃的焦點。此外,這些材料也是激光增材制造中的重要應用材料。

  鈦合金和鋁合金的優勢與區別:

  鈦合金和鋁合金因其出色的低密度和結構強度而在航空航天、汽車、機械制造等領域被廣泛應用。尤其在航空工業中,它們扮演著十分重要的角色,是航空工業的主要結構材料。盡管鈦合金比鋁合金重約三分之二,但其固有強度意味著可以使用更少的量達到所需要的強度。鈦合金因其強度和低密度而成為降低燃料成本的重要材料,被廣泛用于飛機噴氣發動機和各類航天器。鋁合金是現階段應用最廣、最常見的汽車輕量化材料,其密度僅是鋼的三分之一。有研究表明,鋁合金在整車中最多可以使用540kg,這樣的情況下汽車將減重40%。奧迪、豐田等品牌的車輛采用全鋁車身就是很好的例子。

  由于兩種材料都具有高強度和低密度,因此在選擇合金時,必須考慮其他因素。

  在需要高強度和低重量的關鍵情況下,每一克都很重要,但如果需要更高強度的部件,鈦是最好的選擇。因此,鈦合金被用于制造醫療器件/植入體、復雜衛星組件、固定裝置和支架等。

  成本方面,鋁是機加工或3D打印最具成本效益的金屬;而鈦的成本較高,但輕質零件給飛機或航天器節省的燃料將帶來巨大效益,同時鈦合金零件的使用壽命更長。

  在熱性能方面,鋁合金具有很高的導熱率,常被用來制造散熱器;對于高溫應用,鈦的高熔點使其更加適合,航空發動機中就包含大量的鈦合金部件。

  鈦的耐腐蝕性和低反應活性使其成為生物相容性最高的金屬,被廣泛用于醫療(如手術器械)領域。Ti64還可以很好地抵抗鹽分環境,并經常用于海洋應用。

  在航空航天領域,鋁合金和鈦合金都被廣泛應用。鈦合金具有高強度和低密度(僅為鋼的57%左右)的優點,其比強度(強度/密度)遠超過其他金屬結構材料,可制作出單位強度高、剛性好、質量輕的零部件。飛機中的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都采用了鈦合金。另外,3D打印技術參考查閱相關資料發現,鋁合金適合在200℃以下的環境中工作,空客A380機身使用的鋁材占到了1/3以上,而C919也大量采用了常規高性能鋁合金材料。飛機蒙皮、隔框、翼肋等部分都使用了鋁合金。

  鈦合金由于其高熔點和難加工性質,成為了成本最高的金屬材料之一。然而,Ti6Al4V鈦合金的輕量化、高強度和耐高溫特性使其在航空航天領域備受矚目。它的應用范圍包括發動機風扇和壓氣機低溫段工作的葉片、盤、機匣等零件,工作溫度區間可達400-500℃。此外,它還用于制造機身和太空艙組件、火箭發動機箱以及直升機旋翼槳轂等。然而,由于鈦的導電性較差,它在電氣應用中并不是理想的選擇。盡管鈦合金價格相對較高,但它的耐高溫和耐腐蝕性是無法被其他輕質金屬所取代的。

  鋁基合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性強、成形性好等優良物理特性和力學性能,因此在工業中應用廣泛。然而,從增材制造成形工藝角度看,鋁合金的密度較小,粉體流動性相對較差,在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運的連續性較差,因此對激光增材制造裝備中鋪粉/送粉系統的精度及準確性要求較高。

  目前應用于增材制造的鋁合金主要是Al-Si合金,其中具有良好流動性的AlSi10Mg和AlSi12得到了廣泛研究。然而,由于Al-Si系合金屬于鑄造鋁合金,盡管采用經過優化的激光增材制造工藝進行制備,但其抗拉強度仍難以突破400MPa,限制了其在航空航天等領域服役性能要求更高的承力構件上的使用。

  現代航空航天構件面臨著一系列嚴苛的要求,包括輕量化、高性能、高可靠性和低成本。這種復雜的結構設計和制造難度極大。通過創新和發展航空航天典型鋁、鈦、鎳基構件的激光增材制造技術,我們不僅可以實現選材上的輕量化和高性能化,而且可以體現增材制造技術的精密化和凈成形化發展趨勢。通過實現材料-結構-性能的一體化增材制造,我們可以將增材制造技術應用于航空航天領域中的重大工程。


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