Hervorragende Wahl für die additive Fertigung im High-End-Luft- und Raumfahrtbereich

Leistung und Kosten von Titan- und Aluminiumlegierungen sind die beiden ewigen treibenden Kräfte für die Entwicklung der Materialtechnologie, während Leichtbau, Integration und strukturelle Funktionsintegration die gemeinsamen Herausforderungen bei Flugzeugstrukturdesign, Materialanwendung und Fertigungstechnologie sind. In den letzten Jahrzehnten haben Technologien zur endkonturnahen Umformung wie heißisostatisches Pressen, Spritzgießen und Entladungsplasmasintern große Fortschritte auf dem Gebiet der Titanlegierungen gemacht, die Engpassprobleme wie Sauerstoffgehalt und Porosität wurden jedoch nicht wirksam gelöst , was ihre Anwendung bei der Herstellung von Strukturen aus Titanlegierungen für die Luftfahrt einschränkt.

Aus Sicht der wissenschaftlichen Forschung und Entwicklung benötigt die moderne Industrie Strukturmaterialien mit hoher Festigkeit, Bruchzähigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitiger größtmöglicher Gewichtsreduzierung. Daher sind leichte, hochfeste Legierungen wie Titan und Aluminium sowie tragende hitzebeständige Legierungen wie Ni-basierte Superlegierungen in verschiedenen Ländern zum Schwerpunkt neuer Materialforschungs- und Entwicklungspläne geworden. Darüber hinaus sind diese Materialien auch wichtige Anwendungsmaterialien in der laseradditiven Fertigung.

Vorteile und Unterschiede zwischen Titanlegierung und Aluminiumlegierung

Titanlegierungen weisen eine hohe spezifische Festigkeit, spezifische Steifigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit auf und erfüllen die Designanforderungen von Flugzeugen mit hoher Manövrierfähigkeit, hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer. Ihr Anwendungsbereich ist zu einem wichtigen Symbol für die Messung des fortgeschrittenen Grades der Materialauswahl für Flugzeuge geworden.

Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden geringen Dichte und strukturellen Festigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Maschinenbau und in anderen Bereichen eingesetzt. Insbesondere in der Luftfahrtindustrie spielen sie eine sehr wichtige Rolle und sind die wichtigsten Strukturmaterialien der Luftfahrtindustrie. Obwohl Titanlegierungen etwa zwei Drittel schwerer sind als Aluminiumlegierungen, lässt sich die erforderliche Festigkeit aufgrund ihrer Eigenfestigkeit bereits in kleineren Mengen erreichen. Titanlegierungen sind aufgrund ihrer Festigkeit und geringen Dichte zu einem wichtigen Material zur Reduzierung der Treibstoffkosten geworden und werden häufig in Flugzeugtriebwerken und verschiedenen Arten von Raumfahrzeugen verwendet. Aluminiumlegierungen sind derzeit das am weitesten verbreitete und gebräuchlichste Leichtbaumaterial im Automobilbereich und ihre Dichte beträgt nur ein Drittel der von Stahl. Studien haben gezeigt, dass Aluminiumlegierungen bis zu 540 kg im gesamten Fahrzeug verwendet werden können, wodurch das Gewicht des Autos um 40 % reduziert wird. Ein gutes Beispiel ist der Einsatz von Vollaluminiumkarosserien in Fahrzeugen von Marken wie Audi und Toyota.

Da beide Materialien eine hohe Festigkeit und eine geringe Dichte aufweisen, müssen bei der Auswahl einer Legierung weitere Faktoren berücksichtigt werden.

In kritischen Situationen, in denen hohe Festigkeit und geringes Gewicht erforderlich sind, zählt jedes Gramm. Wenn jedoch Komponenten mit höherer Festigkeit benötigt werden, ist Titan die beste Wahl. Daher werden Titanlegierungen zur Herstellung medizinischer Geräte/Implantate, komplexer Satellitenkomponenten, Vorrichtungen und Halterungen verwendet.

In Bezug auf die Kosten ist Aluminium das kostengünstigste Metall für die Bearbeitung oder den 3D-Druck. Während Titan teurer ist, werden leichte Teile enorme Vorteile bei der Treibstoffersparnis von Flugzeugen oder Raumfahrzeugen mit sich bringen, während Teile aus Titanlegierungen eine längere Lebensdauer haben.

Im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften weisen Aluminiumlegierungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und werden häufig zur Herstellung von Heizkörpern verwendet; Für Hochtemperaturanwendungen ist Titan aufgrund seines hohen Schmelzpunkts besser geeignet, und Flugzeugmotoren enthalten eine große Anzahl von Teilen aus Titanlegierungen.

Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und geringen Reaktivität ist Titan das biokompatibelste Metall und wird häufig in medizinischen Anwendungen wie chirurgischen Instrumenten eingesetzt. Ti64 widersteht auch salzhaltigen Umgebungen gut und wird häufig in Meeresanwendungen eingesetzt.

Im Luft- und Raumfahrtbereich werden häufig Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen verwendet. Titanlegierungen haben die Vorteile einer hohen Festigkeit und einer geringen Dichte (nur etwa 57 % von Stahl), und ihre spezifische Festigkeit (Festigkeit/Dichte) übertrifft die anderer metallischer Strukturmaterialien bei weitem und kann Teile mit hoher Einheitsfestigkeit, guter Steifigkeit usw. herstellen Leicht. Die Startteile, das Skelett, die Haut, die Befestigungselemente und das Fahrwerk des Flugzeugs bestehen alle aus einer Titanlegierung. Darüber hinaus wurde bei der 3D-Drucktechnologie-Referenz zur Überprüfung der relevanten Materialien festgestellt, dass Aluminiumlegierungen für den Einsatz in einer Umgebung unter 200 Grad geeignet sind, der Rumpf des Airbus A380 mehr als ein Drittel des Aluminiums verwendet und der C919 auch eine große Anzahl herkömmlicher Hochtemperaturmaterialien verwendet -Leistungsfähige Aluminiumlegierungsmaterialien. Aluminiumlegierungen werden für Flugzeughäute, Trennwände, Flügelrippen und andere Teile verwendet.

Aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts und ihrer schwierigen Verarbeitungseigenschaften gehören Titanlegierungen zu den teuersten Metallwerkstoffen. Das geringe Gewicht, die hohe Festigkeit und die hohe Temperaturbeständigkeit der Titanlegierung Ti6Al4V machen sie jedoch zu einem hochkarätigen Vertreter im Luft- und Raumfahrtbereich. Sein Anwendungsbereich umfasst Schaufeln, Scheiben, Empfänger und andere Teile, die im Niedertemperaturbereich von Motorlüftern und Kompressoren arbeiten, und der Arbeitstemperaturbereich kann 400-500 Grad erreichen. Darüber hinaus wird es bei der Herstellung von Rumpf- und Kapselkomponenten, Raketentriebwerksgehäusen und Propellernaben für Hubschrauberrotoren verwendet. Aufgrund seiner schlechten Leitfähigkeit ist Titan jedoch nicht ideal für elektrische Anwendungen. Obwohl der Preis einer Titanlegierung relativ hoch ist, kann ihre hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit nicht durch andere Leichtmetalle ersetzt werden.

Legierungen auf Aluminiumbasis verfügen über hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, starke Korrosionsbeständigkeit und gute Formbarkeit und werden daher häufig in der Industrie eingesetzt. Aus Sicht des additiven Fertigungsformverfahrens ist jedoch die Dichte der Aluminiumlegierung gering, die Pulverfließfähigkeit relativ schlecht, die Gleichmäßigkeit der Aufbringung auf dem SLM-bildenden Pulverbett schlecht oder die Kontinuität des Pulvertransports im LMD-Verfahren schlecht Daher sind die Präzision und Genauigkeit des Pulververteilungs-/-zuführungssystems in laseradditiven Fertigungsanlagen hoch.

Derzeit sind die in der additiven Fertigung verwendeten Aluminiumlegierungen hauptsächlich Al-Si-Legierungen, von denen AlSi10Mg und AlSi12 mit guter Fließfähigkeit umfassend untersucht wurden. Da die Al-Si-Legierung jedoch zu den Aluminiumgusslegierungen gehört, ist es trotz ihrer Herstellung durch einen optimierten laseradditiven Herstellungsprozess immer noch schwierig, ihre Zugfestigkeit über 400 MPa zu überschreiten, was ihre Verwendung in tragenden Komponenten mit höheren Anforderungen an die Betriebsleistung in der Luft- und Raumfahrt einschränkt und anderen Bereichen.

Moderne Luft- und Raumfahrtkomponenten sind mit einer Reihe anspruchsvoller Anforderungen konfrontiert, darunter geringes Gewicht, hohe Leistung, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten. Diese komplexe Struktur ist äußerst schwierig zu entwerfen und herzustellen. Durch die Innovation und Entwicklung der Laser-Additiv-Fertigungstechnologie für typische Aluminium-, Titan- und Nickel-basierte Komponenten der Luft- und Raumfahrt können wir nicht nur geringes Gewicht und hohe Leistung bei der Materialauswahl erreichen, sondern auch den Entwicklungstrend der Präzision und Endform der additiven Fertigung widerspiegeln Technologie. Durch die Integration der additiven Fertigung von Materialien, Struktur und Eigenschaften können wir die additive Fertigungstechnologie auf wichtige technische Bereiche im Luft- und Raumfahrtbereich anwenden.