Excelente opción para la fabricación aditiva en el campo aeroespacial de alta gama

El rendimiento y el costo de las aleaciones de titanio y aluminio son las dos fuerzas impulsoras eternas para el desarrollo de la tecnología de materiales, mientras que el peso ligero, la integración y la integración de funciones estructurales son los desafíos comunes del diseño estructural de las aeronaves, la aplicación de materiales y la tecnología de fabricación. En las últimas décadas, las tecnologías de formación casi neta, como el prensado isostático en caliente, el moldeo por inyección y la sinterización por plasma de descarga, han logrado grandes avances en el campo de las aleaciones de titanio, pero los problemas de cuellos de botella como el contenido de oxígeno y la porosidad no se han resuelto de manera efectiva. , restringiendo así su aplicación en la fabricación de estructuras de aleación de titanio para aviación.

Desde la perspectiva de la exploración y el desarrollo científicos, la industria moderna necesita materiales estructurales con alta resistencia, tenacidad a la fractura y rigidez, al tiempo que reducen el peso tanto como sea posible. Por lo tanto, las aleaciones ligeras de alta resistencia, como el titanio y el aluminio, y las aleaciones resistentes al calor que soportan carga, como las superaleaciones a base de Ni, se han convertido en el centro de los planes de investigación y desarrollo de nuevos materiales en varios países. Además, estos materiales también son materiales de aplicación importantes en la fabricación aditiva por láser.

Ventajas y diferencias entre la aleación de titanio y la aleación de aluminio.

La aleación de titanio tiene una alta resistencia específica, rigidez específica y buena resistencia a la corrosión, lo que satisface las necesidades de diseño de las aeronaves con alta maniobrabilidad, alta confiabilidad y larga vida útil, y su nivel de aplicación se ha convertido en un símbolo importante para medir el grado avanzado de selección de materiales de las aeronaves.

Las aleaciones de titanio y de aluminio se utilizan ampliamente en los campos aeroespacial, automotriz, de fabricación de maquinaria y otros campos debido a su excelente baja densidad y resistencia estructural. Especialmente en la industria de la aviación, juegan un papel muy importante y son los principales materiales estructurales de la industria de la aviación. Aunque las aleaciones de titanio son aproximadamente dos tercios más pesadas que las aleaciones de aluminio, su resistencia inherente significa que la resistencia requerida se puede lograr en cantidades más pequeñas. La aleación de titanio se ha convertido en un material importante para reducir los costos de combustible debido a su resistencia y baja densidad, y se usa ampliamente en motores a reacción de aviones y varios tipos de naves espaciales. La aleación de aluminio es el material liviano para automóviles más común y utilizado en esta etapa, y su densidad es solo un tercio de la del acero. Los estudios han demostrado que la aleación de aluminio se puede utilizar hasta 540 kg en todo el vehículo, por lo que el peso del vehículo se reducirá en un 40%. El uso de carrocerías totalmente de aluminio en vehículos de marcas como Audi y Toyota es un buen ejemplo.

Dado que ambos materiales tienen alta resistencia y baja densidad, se deben considerar otros factores al elegir una aleación.

En situaciones críticas donde se requiere alta resistencia y bajo peso, cada gramo cuenta, pero si se necesitan componentes de mayor resistencia, el titanio es la mejor opción. Por lo tanto, las aleaciones de titanio se utilizan para fabricar dispositivos/implantes médicos, componentes satélites complejos, fijaciones y soportes.

En términos de coste, el aluminio es el metal más rentable para el mecanizado o la impresión 3D; Si bien el titanio cuesta más, las piezas livianas aportarán enormes beneficios al combustible ahorrado por aviones o naves espaciales, mientras que las piezas de aleación de titanio tienen una vida útil más larga.

En términos de propiedades térmicas, las aleaciones de aluminio tienen una alta conductividad térmica y se utilizan a menudo para fabricar radiadores; Para aplicaciones de alta temperatura, el alto punto de fusión del titanio lo hace más adecuado, y los motores aeronáuticos contienen una gran cantidad de piezas de aleación de titanio.

La resistencia a la corrosión y la baja reactividad del titanio lo convierten en el metal más biocompatible y se usa ampliamente en aplicaciones médicas como instrumentos quirúrgicos. El Ti64 también resiste bien los ambientes salinos y se utiliza a menudo en aplicaciones marinas.

En el campo aeroespacial, las aleaciones de aluminio y las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente. La aleación de titanio tiene las ventajas de alta resistencia y baja densidad (sólo alrededor del 57% del acero), y su resistencia específica (resistencia/densidad) supera con creces la de otros materiales estructurales metálicos, y puede producir piezas con alta resistencia unitaria, buena rigidez y peso ligero. Las piezas de arranque, el esqueleto, el revestimiento, los sujetadores y el tren de aterrizaje del avión están hechos de aleación de titanio. Además, la referencia de la tecnología de impresión 3D para verificar los materiales relevantes encontró que la aleación de aluminio es adecuada para trabajar en un ambiente por debajo de 200 grados, el fuselaje del Airbus A380 usa más de 1/3 del aluminio y el C919 también usa una gran cantidad de alta convencional. -materiales de aleación de aluminio de alto rendimiento. La aleación de aluminio se utiliza para revestimientos de aviones, tabiques, nervaduras de alas y otras piezas.

Debido a su alto punto de fusión y sus difíciles propiedades de procesamiento, las aleaciones de titanio son uno de los materiales metálicos más caros. Sin embargo, el peso ligero, la alta resistencia y la resistencia a altas temperaturas de la aleación de titanio Ti6Al4V la convierten en una aleación de alto perfil en el campo aeroespacial. Su rango de aplicación incluye palas, discos, receptores y otras piezas que funcionan en la sección de baja temperatura de ventiladores y compresores de motores, y el rango de temperatura de trabajo puede alcanzar 400-500 grados. Además, se utiliza en la fabricación de componentes de fuselajes y cápsulas, carcasas de motores de cohetes y bujes de hélices de rotores de helicópteros. Sin embargo, debido a su mala conductividad, el titanio no es ideal para aplicaciones eléctricas. Aunque el precio de la aleación de titanio es relativamente alto, su resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión no puede ser reemplazada por otros metales ligeros.

Las aleaciones a base de aluminio tienen excelentes propiedades físicas y mecánicas, como baja densidad, alta resistencia específica, fuerte resistencia a la corrosión y buena formabilidad, por lo que se utilizan ampliamente en la industria. Sin embargo, desde la perspectiva del proceso de moldeo por fabricación aditiva, la densidad de la aleación de aluminio es pequeña, la fluidez del polvo es relativamente pobre, la uniformidad de la colocación sobre el lecho de polvo formador SLM es pobre o la continuidad del transporte del polvo en el proceso LMD es pobre. , por lo que la precisión y exactitud del sistema de alimentación/esparcidor de polvo en los equipos de fabricación aditiva por láser son altas.

En la actualidad, las aleaciones de aluminio utilizadas en la fabricación aditiva son principalmente aleaciones Al-Si, de las cuales se han estudiado ampliamente AlSi10Mg y AlSi12 con buena fluidez. Sin embargo, debido a que la aleación Al-Si pertenece a una aleación de aluminio fundido, aunque se prepara mediante un proceso optimizado de fabricación aditiva por láser, su resistencia a la tracción aún es difícil de superar los 400 MPa, lo que limita su uso en componentes de carga con requisitos de rendimiento de servicio más altos en el sector aeroespacial. y otros campos.

Los componentes aeroespaciales modernos enfrentan una variedad de requisitos exigentes, que incluyen peso ligero, alto rendimiento, alta confiabilidad y bajo costo. Esta compleja estructura es extremadamente difícil de diseñar y fabricar. A través de la innovación y el desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva por láser para componentes típicos a base de aluminio, titanio y níquel del sector aeroespacial, no solo podemos lograr un peso ligero y un alto rendimiento en la selección de materiales, sino que también reflejamos la tendencia de desarrollo de la precisión y la forma neta de la fabricación aditiva. tecnología. Con la integración de la fabricación aditiva de materiales, estructura y propiedades, podemos aplicar la tecnología de fabricación aditiva a la ingeniería principal en el campo aeroespacial.