高端航空航天領域增材制造的選擇：鈦、鋁合金
發布時間:
2023-10-09
性能和成本是材料技術發展永恒的兩大驅動力，而輕量化、整體化、結構功能一體化是飛行器結構設計、材料應用和制造技術共同面臨的挑戰。在過去的幾十年里，諸如熱等靜壓、注塑成形、放電等離子燒結等近凈成形技術在鈦合金領域獲得了長足的進步，但氧含量、孔隙率等瓶頸問題依然沒有得到有效解決，因此制約了其在航空鈦合金結構制造中的應用。
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
鈦合金具有高比強度、比剛度和良好的耐腐蝕性能，滿足了飛機高機動性、高可靠性和長壽命的設計需要，其應用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標志。
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zui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zui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jiao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zui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非常大。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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