Ál og títan: Framúrskarandi val fyrir aukefnaframleiðslu í geimferðum

Byggt á sjónarhorni háþróaðrar vísindarannsóknar og þróunar, birti Science einu sinni grein þar sem bent var á að nútíma iðnaður krefst þess að byggingarefni hafi mikinn styrk, brotseigu og stífleika og á sama tíma draga úr þyngd eins mikið og mögulegt er. Í þessu tilviki hafa léttar hástyrktar málmblöndur sem táknuð eru með áli og títan og burðarþolnar hitaþolnar málmblöndur sem táknaðar eru með Ni-undirstaða ofurblendi orðið eitt af lykilefnum sem þróuð eru í rannsóknar- og þróunaráætlunum nýrra efna í ýmsum löndum, og eru einnig í ferli við framleiðslu á laseraukefnum. Mikilvægt notað efni.

Kostir og munur á títan og áli

Ál og títan málmblöndur, vegna framúrskarandi lágþéttleika þeirra og styrkleika, eru mikið notaðar í geimferðum, bifreiðum, vélaframleiðslu og öðrum sviðum, hvort sem notað er 3D prentun eða CNC vinnslu, sérstaklega í flugiðnaðinum. Það er helsta byggingarefni flugiðnaðarins.

Bæði títan og ál eru létt, en það er samt munur á þessu tvennu. Þó að títan sé um það bil tveimur þriðju þyngra en ál, þýðir eðlisstyrkur þess að hægt er að ná nauðsynlegum styrk með því að nota minna. Títan málmblöndur eru mikið notaðar í þotuhreyfla flugvéla og ýmsar gerðir geimfara og getur styrkur þeirra og lítill þéttleiki dregið úr eldsneytiskostnaði. Þéttleiki álblöndunnar er aðeins þriðjungur af stáli og það er mest notaða og algengasta létt efnið í bíla á þessu stigi. Rannsóknir hafa sýnt að hægt er að nota álblöndur í farartæki allt að 540 kg. Með 40 prósenta lækkun á þyngd er yfirbygging úr áli á Audi, Toyota og öðrum vörumerkjum gott dæmi.

Efniseiginleikar áls og títan

Þar sem bæði efnin hafa mikinn styrk og lágan þéttleika, verður að hafa í huga annan mun þegar ákveðið er hvaða ál á að nota.

Styrkur/þyngd: Í mikilvægum aðstæðum telur hvert gramm af hluta, en ef þörf er á meiri styrkleika er títan besti kosturinn. Af þessum sökum eru títan málmblöndur meðal annars notuð við framleiðslu á lækningatækjum/ígræðslum, flóknum gervihnattasamstæðum, innréttingum og stoðnetum.

Kostnaður: Ál er hagkvæmasti málmur fyrir vinnslu eða þrívíddarprentun; Títan er dýrt en getur samt leitt til verðmætisstökks. Eldsneytissparnaður léttra hluta í flugvél eða geimfar verður gríðarlegur á meðan títanhlutar endast lengur.

Hitaeiginleikar: Álblöndur hafa mikla hitaleiðni og eru oft notuð til að búa til ofna; fyrir háhitanotkun gerir hátt bræðslumark títan það hentugra og flugvélar innihalda mikinn fjölda af títanblendihlutum.

Tæringarþol: Bæði ál og títan hafa framúrskarandi tæringarþol.

Tæringarþol og lág hvarfgirni títan gerir hann að lífsamhæfasta málmnum og hann er mikið notaður í læknisfræðilegum aðgerðum eins og skurðaðgerðartækjum. Ti64 þolir einnig salt umhverfi vel og er oft notað í sjávarnotkun.

Ál málmblöndur og títan málmblöndur eru mjög algengar í geimferðum. Títan álfelgur hefur mikinn styrk og lágan þéttleika (aðeins um 57 prósent af stáli), og sérstakur styrkur þess (styrkur/þéttleiki) er mun meiri en annarra málmbyggingarefna. Það getur framleitt hluta með miklum einingastyrk, góðum stífni og léttum. Títan málmblöndur er hægt að nota í vélarhluta flugvéla, beinagrindur, skinn, festingar og lendingarbúnað. Viðmiðunargögn í þrívíddarprentunartækni komust að því að álblöndur henta til að vinna í umhverfi undir 200 gráður C. Álefnið sem notað er í Airbus A380 yfirbyggingunni er meira en 1/3 og C919 notar einnig mikinn fjölda hefðbundinna há- afkastamikil álefni. Húð fyrir flugvélar, þil, rif o.s.frv. geta verið úr álblöndu.

Títanbætiefnaframleiðsla og geimferðaiðnaðurinn

Eins og 2019 Global Aerospace and Defense Industry Outlook birtar af Deloitte bendir á, eftir því sem flug- og varnarmálaiðnaðurinn heldur áfram að vaxa, mun eftirspurn eftir framleiðslu einnig aukast. Og þegar hannað er fyrir flug- og varnarmál er efnisval mikilvægt. Fyrir íhluti utan jarðar er lykilatriði að draga úr fjölda íhluta og þyngd. Á þessum svæðum getur hvert 1g af þyngdartapi haft mikinn ávinning.

Títan hefur ákaflega hátt bræðslumark, yfir 1600 gráður, og er einnig venjulega efni sem erfitt er að vinna úr, sem er aðalástæðan fyrir því að það er dýrara en aðrir málmar. Ti6Al4V er sem stendur mest notaða títan álefnið. Það er ekki aðeins létt í þyngd, heldur hefur það einnig mikinn styrk og háhitaþol. Þessir eiginleikar gera það mjög vinsælt á sviði geimferða. Algengar notkunarmöguleikar fela í sér framleiðslu á blöðum, diskum, hlífum og öðrum hlutum fyrir lághitahluta hreyfilvifta og þjöppu, með vinnuhitasviðið 400-500 gráður; einnig notað við framleiðslu á íhlutum fyrir flugskrokk og hylki, eldflaugavélarhylki og þyrlur. Títan hefur hins vegar lélega rafleiðni, þrátt fyrir háan hita og tæringarþol, sem gerir það lélegt val fyrir rafmagnsnotkun. Títan er líka dýrara miðað við aðra létta málma eins og ál.

Notkun títans í loftrýmisiðnaðinum

Notkun aukefnaframleiðslutækni er til þess fallin að draga úr vinnslukostnaði og sóun á hráefnum, sem hefur umtalsverða efnahagslega kosti. Títan-undirstaða málmblöndur eru einnig kerfisbundnustu og þroskaðustu málmblöndurnar til rannsókna á aukefnaframleiðslu. Aukaframleiddir íhlutir úr títanblendi hafa verið notaðir sem burðarvirki í geimferðamálum. Samkvæmt könnuninni á tilvísunum í þrívíddarprentunartækni byrjaði Aero Met Company í Bandaríkjunum að framleiða títan álfelgur undirburðarþolsprófunarhluti fyrir Boeing F/A-18E/F samsetta orrustuflugvél/árás flugvélar í litlum lotum árið 2001 og tóku forystuna í framleiðslu LMD títan álfelgur árið 2002. Notkun aukaburðarhluta burðarvirkja á F/A-18 sannprófunarvélina. Flug- og geimvísindaháskólinn í Peking hefur gert bylting í lykiltækni við framleiðslu leysiefnablöndunar á títan málmblöndur. Alhliða vélrænni eiginleikar málmblöndunnar eru verulega umfram járnsmíðar. Stórfelldu títan ál rammar og aðrir íhlutir sem þróaðir eru hafa verið settir upp og notaðir á flugvélar. Northwestern Polytechnical University notaði leysisaukandi framleiðslutækni til að framleiða efri og neðri brún ræmur af miðvæng rifi C919 flugvélarinnar fyrir COMAC, með stærð 3000 mm × 350 mm × 450 mm og massa 196 kg.

Ál-undirstaða málmblöndur hafa lágan þéttleika, mikinn sérstyrk, sterka tæringarþol, góða mótunarhæfni og góða líkamlega og vélræna eiginleika. Þau eru útbreiddustu byggingarefnin sem ekki eru úr málmi í greininni. Til framleiðslu á leysiefnablöndu eru efni sem byggjast á áli yfirleitt erfitt að vinna úr efni, sem ákvarðast af sérstökum eðliseiginleikum þeirra (lítil þéttleiki, lágt leysir frásog, mikil hitaleiðni, auðveld oxun osfrv.). Frá sjónarhóli aukefnaframleiðslunnar er þéttleiki álblöndu tiltölulega lítill, duftvökvi er tiltölulega lélegur, einsleitni lagningar á SLM-myndandi duftbeðinu er léleg eða samfelld duftflutnings í LMD ferlið er lélegt. Þess vegna er nákvæmni og nákvæmni duftdreifingar-/duftfóðrunarkerfisins í leysisaukefnaframleiðslubúnaðinum tiltölulega mikil.

Sem stendur eru álblöndurnar sem notaðar eru í aukefnaframleiðslu aðallega Al-Si málmblöndur, þar á meðal AlSi10Mg og AlSi12 með góða vökvavirkni hafa verið mikið rannsökuð. Hins vegar, vegna efnislegs eðlis Al-Si ál steypu álblöndunnar, þó að það sé undirbúið með bjartsýni framleiðsluferli fyrir laseraukefni, er togstyrkurinn erfitt að fara yfir 400MPa, sem takmarkar þjónustuframmistöðu þess í geimferðum og öðrum sviðum. Notist á háar burðarhlutir.

Magn álblöndu sem notað er í flugvélum er allt að 20 prósent

Til þess að öðlast enn meiri vélrænni eiginleika hafa mörg fyrirtæki og háskólar heima og erlendis aukið hraða rannsókna og þróunar á undanförnum árum og mikill fjöldi hástyrktar álblöndur tileinkaðar aukefnaframleiðslu hefur verið skráð. Airbus hefur þróað Scalmalloy, fyrsta hástyrkta álblönduðu duftefnið í heiminum til viðbótarframleiðslu, með togstyrk upp á 520MPa við stofuhita, sem hefur verið notað við aukna framleiðslu á burðarhlutum A320 farþegarýmis flugvéla. Styrkur hástyrktu 7A77.60L álblöndunnar fyrir þrívíddarprentun sem þróað er af Hughes Research Laboratory (HRL) í Bandaríkjunum fer yfir 600Mpa, sem gerir það að fyrsta sviksuðu jafngildu hástyrktar álblöndunni sem hægt er að nota til aukefnaframleiðslu. NASA Marshall Space Flight Center hefur byrjað að Þetta efni er notað við framleiðslu á stórum geimferðahlutum; Tilvísun í þrívíddarprentunartækni hefur einnig greint frá nýrri tegund af hástyrkri álblöndu sem er hönnuð og þróuð af innlendu CRRC Industry Research Institute fyrir þrívíddarprentun, sem brýtur í gegnum einkaleyfistakmarkanir Airbus. Stöðugleikinn fer yfir 560MPa, sem er umtalsvert betri en prentunarárangur Airbus Scalmalloy® áldufts, sem getur mætt þörfum þrívíddarprentunar á hágæða framleiðsluhlutum eins og flutningsbúnaði fyrir innanlandsflutninga og flugrými. efnisframleiðsluforrit.

Nútíma íhlutir í geimferðum þurfa að uppfylla nokkrar krefjandi kröfur eins og léttur, mikil afköst, hár áreiðanleiki og litlum tilkostnaði, og uppbygging íhluta er flóknari og erfiðara að hanna og framleiða. Nýsköpun og þróun lykiltækni fyrir laseraukefnaframleiðslu á íhlutum úr áli, títan og nikkel í geimferðum, endurspeglar ekki aðeins þróunarstefnu létts og mikils afkasta í efnisvali heldur undirstrikar einnig nákvæmni aukefnaframleiðslutækninnar sjálfrar. , Þróunarþróun netlaga lögun getur áttað sig á samþættri aukefnaframleiðslu á efni-byggingu-frammistöðu og helstu verkfræðibeitingu aukefnaframleiðslutækni í geimferðum.