Hợp kim titan và nhôm: Những lựa chọn tuyệt vời cho sản xuất phụ gia trong lĩnh vực hàng không vũ trụ cao cấp

Ưu điểm và sự khác biệt của titan và nhôm
Hợp kim nhôm và titan, do mật độ thấp và độ bền kết cấu tuyệt vời của chúng, được sử dụng trong một số lượng lớn các ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô và chế tạo máy, cho dù sử dụng in 3D hay gia công CNC, và đặc biệt quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ, nơi chúng là vật liệu cấu trúc chính.
Titan và nhôm đều nhẹ, nhưng vẫn có sự khác biệt giữa hai loại này. Mặc dù titan nặng hơn nhôm khoảng 2/3 nhưng độ bền vốn có của nó có nghĩa là có thể sử dụng một lượng nhỏ hơn nhiều để đạt được độ bền cần thiết. Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong động cơ phản lực máy bay và tất cả các loại tàu vũ trụ, nơi độ bền và mật độ thấp giúp giảm chi phí nhiên liệu. Hợp kim nhôm, với mật độ chỉ bằng 1/3 so với thép, là vật liệu được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất để giảm nhẹ ô tô ở giai đoạn này; Đã có những nghiên cứu cho thấy rằng hợp kim nhôm có thể được sử dụng cho một chiếc xe hoàn chỉnh có trọng lượng lên tới 540kg, trong trường hợp đó, chiếc xe sẽ giảm 40% trọng lượng và thân xe hoàn toàn bằng nhôm của Audi, Toyota và các loại xe có thương hiệu khác là một lựa chọn hợp lý. ví dụ tốt về điều này.

Vì cả hai vật liệu đều có độ bền cao và mật độ thấp nên các yếu tố khác biệt khác phải được xem xét khi quyết định sử dụng hợp kim nào.
Độ bền/Trọng lượng: Trong những tình huống quan trọng, mỗi gam của một bộ phận đều có giá trị, nhưng nếu cần một thành phần có độ bền cao hơn, titan là lựa chọn tốt nhất. Vì lý do này, hợp kim titan được sử dụng trong chế tạo thiết bị y tế/cấy ghép, các thành phần vệ tinh phức tạp, đồ gá và niềng răng, v.v.
Chi phí: Nhôm là kim loại tiết kiệm chi phí nhất để sử dụng để gia công hoặc in 3D; titan có giá cao hơn nhưng vẫn có thể tạo ra bước nhảy vọt về giá trị. Việc tiết kiệm nhiên liệu cho máy bay hoặc tàu vũ trụ từ các bộ phận nhẹ hơn sẽ mang lại lợi ích rất lớn, trong khi các bộ phận bằng titan sẽ tồn tại lâu hơn.
Tính chất nhiệt: Hợp kim nhôm có độ dẫn nhiệt cao và thường được dùng để làm bộ tản nhiệt; đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, điểm nóng chảy cao của titan khiến nó phù hợp hơn nữa và động cơ máy bay chứa một lượng lớn các thành phần hợp kim titan.
Chống ăn mòn: Cả nhôm và titan đều có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời.
Khả năng chống ăn mòn và độ phản ứng thấp của titan khiến nó trở thành kim loại tương thích sinh học nhất và được sử dụng rộng rãi trong y tế (ví dụ: dụng cụ phẫu thuật). Ti64 cũng chống chịu tốt với môi trường muối và thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng hải.

Hợp kim nhôm và hợp kim titan đều rất phổ biến trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. Hợp kim titan có độ bền cao, mật độ thấp (chỉ khoảng 57% thép) và cường độ riêng (cường độ / mật độ) lớn hơn nhiều so với các vật liệu kết cấu kim loại khác, có thể tạo ra các bộ phận có cường độ đơn vị cao, độ cứng tốt và trọng lượng nhẹ. Các thành phần động cơ máy bay, bộ xương, da, ốc vít và thiết bị hạ cánh có thể được sử dụng hợp kim titan. Công nghệ in 3D tham khảo kiểm tra thông tin cho thấy hợp kim nhôm phù hợp làm việc trong môi trường dưới 200 độ, thân máy bay Airbus A380 với nhôm chiếm hơn 1/3, C919 cũng sử dụng một số lượng lớn vật liệu hợp kim nhôm hiệu suất cao thông thường . Hợp kim nhôm có thể được sử dụng làm vỏ máy bay, khung đệm, sườn cánh, v.v.

Sản xuất phụ gia titan và ngành hàng không vũ trụ
Như đã lưu ý trong Báo cáo Triển vọng Công nghiệp Hàng không & Quốc phòng Toàn cầu 2019 do Deloitte công bố, khi ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng tiếp tục phát triển thì nhu cầu sản xuất cũng sẽ tăng theo. Và khi thiết kế cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng, việc lựa chọn vật liệu là rất quan trọng. Đối với các bộ phận rời khỏi mặt đất, việc giảm số lượng bộ phận và trọng lượng là rất quan trọng. Ở những vùng này, cứ mỗi 1g giảm cân đều mang lại lợi ích đáng kể.

Titan có nhiệt độ nóng chảy cực cao trên 1.600 độ và thường khó gia công, đó là lý do chính khiến nó đắt hơn các kim loại khác. Ti6Al4V là hợp kim titan được sử dụng rộng rãi nhất, không chỉ nhẹ mà còn có độ bền và khả năng chịu nhiệt độ cao, khiến nó trở thành vật liệu phổ biến trong các ứng dụng hàng không vũ trụ. Các ứng dụng phổ biến bao gồm các bộ phận như cánh quạt, đĩa và tạp chí được sử dụng trong sản xuất quạt động cơ và các bộ phận nhiệt độ thấp của máy bay điều áp hoạt động trong phạm vi nhiệt độ 400-500 độ, cũng như trong sản xuất thân máy bay và cụm vỏ máy bay , vỏ động cơ tên lửa và trục cánh quạt máy bay trực thăng. Tuy nhiên, mặc dù có khả năng chống chịu nhiệt độ cao và ăn mòn cao, titan có tính dẫn điện kém, khiến nó trở thành lựa chọn không tốt cho các ứng dụng điện. Hợp kim titan cũng đắt hơn so với các kim loại nhẹ khác như nhôm.

Việc sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp có lợi cho việc giảm chi phí xử lý, giảm lãng phí nguyên liệu thô và mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Hợp kim dựa trên titan cũng là hệ thống hợp kim có hệ thống và trưởng thành nhất cho nghiên cứu sản xuất bồi đắp. Các thành phần hợp kim titan được sản xuất bổ sung đã được sử dụng làm cấu trúc chịu lực trong lĩnh vực hàng không. Theo điều tra về tài liệu tham khảo công nghệ in 3D, Công ty Aero Met của Mỹ đã bắt đầu thử nghiệm sản xuất các bộ phận thử nghiệm cấu trúc ổ đỡ phụ bằng hợp kim titan cho máy bay chiến đấu/tấn công chung trên tàu Boeing F/A-18E/F theo lô nhỏ trong 2001, và đi đầu trong việc hiện thực hóa ứng dụng các bộ phận kết cấu ổ trục phụ bằng hợp kim titan LMD trên máy bay xác minh F/A-18 vào năm 2002. Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh đột phá trong việc sản xuất phụ gia bằng laser hợp kim titan, các công nghệ chủ chốt, hợp kim các đặc tính cơ học toàn diện hơn đáng kể so với vật rèn, việc phát triển khung hợp kim titan chịu lực chính quy mô lớn và các bộ phận khác, đã được hiện thực hóa trong các ứng dụng lắp đặt máy bay. Trường Đại học Bách khoa Tây Bắc sử dụng công nghệ sản xuất bồi đắp laser cho COMAC để chế tạo sườn cánh trung tâm máy bay C919 ở mép dưới của mẫu dải, kích thước 3,000mm × 350mm × 450mm, chất lượng 196kg.

Sản xuất phụ gia nhôm và ngành công nghiệp hàng không vũ trụ
Hợp kim nhôm có mật độ thấp, cường độ riêng cao, khả năng chống ăn mòn cao, khả năng định dạng tốt, tính chất vật lý và tính chất cơ học tốt là loại vật liệu kết cấu kim loại màu được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Đối với sản xuất bồi đắp bằng laser, vật liệu làm từ nhôm thường khó xử lý vật liệu, điều này được xác định bởi các đặc tính vật lý đặc biệt của nó (mật độ thấp, khả năng hấp thụ tia laser thấp, độ dẫn nhiệt cao và dễ bị oxy hóa, v.v.). Từ góc độ của quá trình tạo hình sản xuất phụ gia, mật độ của hợp kim nhôm nhỏ, tính lưu động của bột tương đối kém, độ đồng đều của việc đặt trên nền bột tạo hình SLM kém hoặc tính liên tục của quá trình vận chuyển bột trong quy trình LMD kém, do đó độ chính xác và độ chính xác của hệ thống đặt/tiếp liệu trong thiết bị sản xuất bồi đắp bằng laser đòi hỏi phải cao.
Hiện nay, hợp kim nhôm được sử dụng trong sản xuất bồi đắp chủ yếu là hợp kim Al-Si, trong đó AlSi10Mg và AlSi12 có tính lưu động tốt đã được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, do tính chất vật liệu của hợp kim nhôm đúc hợp kim Al-Si, mặc dù quy trình sản xuất phụ gia laser được tối ưu hóa được sử dụng để chuẩn bị, độ bền kéo khó vượt qua 400MPa, điều này hạn chế sử dụng nó trong hàng không vũ trụ và các lĩnh vực dịch vụ khác. yêu cầu hiệu suất của các bộ phận chịu tải cao hơn.

Để tiếp tục đạt được các tính chất cơ học cao hơn, nhiều doanh nghiệp và trường đại học trong và ngoài nước đã đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây, và một số lượng lớn hợp kim nhôm cường độ cao dành riêng cho sản xuất bồi đắp đã được đưa vào danh sách. Airbus dành cho nhu cầu sản xuất phụ trợ các bộ phận hợp kim nhôm hàng không, việc phát triển sản xuất phụ trợ đầu tiên trên thế giới về vật liệu bột hợp kim nhôm có độ bền cao Scalmalloy, độ bền kéo ở nhiệt độ phòng 520MPa, đã được áp dụng cho các bộ phận kết cấu cabin máy bay A320 của sản xuất phụ trợ; Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hughes (HRL) của Hoa Kỳ phát triển hợp kim nhôm cường độ cao để in 3D có độ bền 7A77.60L trên 600Mpa, trở thành thiết bị rèn đầu tiên cho sản xuất bồi đắp. Hơn 600Mpa, trở thành hợp kim nhôm có độ bền cao tương đương rèn đầu tiên có thể được sử dụng để sản xuất phụ gia, Trung tâm Bay Không gian Marshall của NASA đã bắt đầu áp dụng vật liệu này để sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ quy mô lớn; Tài liệu tham khảo về công nghệ in 3D cũng đã báo cáo rằng CVRI trong nước thiết kế và phát triển một loại in 3D mới bằng hợp kim nhôm có độ bền cao đặc biệt, vượt qua các giới hạn bằng sáng chế của Airbus, độ bền kéo ổn định Hơn 560MPa, tốt hơn đáng kể so với Airbus Hiệu suất in bột hợp kim nhôm Scalmalloy®, có thể đáp ứng nhu cầu in 3D của thiết bị vận tải đường sắt nội địa và hàng không vũ trụ cũng như các bộ phận sản xuất cao cấp khác, và lĩnh vực hàng không vũ trụ trong nước đã bắt đầu các ứng dụng sản xuất bồi đắp hợp kim nhôm cường độ cao.