Basado en la perspectiva de la exploración y el desarrollo científicos de vanguardia, Science publicó una vez un artículo que señala que la industria moderna requiere materiales estructurales que tengan alta resistencia, resistencia a la fractura y rigidez, y al mismo tiempo reduzcan el peso tanto como sea posible. En este caso, las aleaciones ligeras de alta resistencia representadas por el aluminio y el titanio, y las aleaciones termorresistentes portantes representadas por las superaleaciones a base de Ni se han convertido en uno de los materiales clave desarrollados en los planes de investigación y desarrollo de nuevos materiales en diversos países, y también están en el proceso de fabricación aditiva láser. Importante material aplicado.
Ventajas y diferencias entre el titanio y el aluminio
La aleación de aluminio y la aleación de titanio, debido a su excelente baja densidad y resistencia estructural, se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, de maquinaria y otros campos, ya sea mediante impresión 3D o procesamiento CNC, especialmente en la industria de la aviación. Es el principal material estructural de la industria aeronáutica.
Tanto el titanio como el aluminio son livianos, pero aún existen diferencias entre los dos. Aunque el titanio es aproximadamente dos tercios más pesado que el aluminio, su fuerza inherente significa que la fuerza requerida se puede lograr usando menos. Las aleaciones de titanio se usan ampliamente en los motores a reacción de los aviones y en varios tipos de naves espaciales, y su resistencia y baja densidad pueden reducir los costos de combustible. La densidad de la aleación de aluminio es solo un tercio de la del acero, y es el material liviano más utilizado y común para automóviles en esta etapa. Los estudios han demostrado que las aleaciones de aluminio se pueden utilizar en un vehículo de hasta 540 kg. Con una reducción del peso del 40 por ciento, la carrocería de aluminio de Audi, Toyota y otros vehículos de marca es un buen ejemplo.
Material | Métodos de procesamiento | Resistencia a la tracción | Alargamiento | Dureza |
Titanio (Ti6AI4V) | SLM | 1186MPa | 10 por ciento | 40 horas |
Aluminio (AlSi10Mg) | SLM | 241 MPa | 10 por ciento | 45 horas |
Aluminio (6061-T651) | CNC | 276 MPa | 17 por ciento | 95 HRB |
Aluminio (7075-T651) | CNC | 572MPa | 11 por ciento | 85 HRB |
Titanio (Ti6AI4V) | CNC | 951MPa | 14 por ciento | 35 horas |
Propiedades materiales de aluminio y titanio.
Dado que ambos materiales tienen alta resistencia y baja densidad, se deben considerar otras diferencias al decidir qué aleación usar.
Fuerza/Peso: En situaciones críticas, cada gramo de una pieza cuenta, pero si se requiere una pieza de mayor resistencia, el titanio es la mejor opción. Por esta razón, las aleaciones de titanio se utilizan en la fabricación de dispositivos/implantes médicos, ensamblajes satelitales complejos, accesorios y stents, entre otros.
Costo: El aluminio es el metal más rentable para el mecanizado o la impresión 3D; el titanio es caro, pero aún puede impulsar un salto en el valor. El ahorro de combustible de las piezas ligeras para un avión o una nave espacial será enorme, mientras que las piezas de titanio durarán más.
Propiedades termales: 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 componentes de aleación de titanio.
Resistencia a la corrosión: Tanto el aluminio como el titanio tienen una excelente resistencia a la corrosión.
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. Ti64 también resiste bien los ambientes salados y se usa a menudo en aplicaciones marinas.
Las aleaciones de aluminio y las aleaciones de titanio son muy comunes en aplicaciones aeroespaciales. La aleación de titanio tiene alta resistencia y baja densidad (solo alrededor del 57 por ciento del acero), y su resistencia específica (resistencia/densidad) es mucho mayor que la de otros materiales estructurales metálicos. Puede producir piezas con alta resistencia unitaria, buena rigidez y peso ligero. Las aleaciones de titanio se pueden usar en componentes de motores de aviones, esqueletos, revestimientos, sujetadores y trenes de aterrizaje. Los datos de referencia de la tecnología de impresión 3D encontraron que las aleaciones de aluminio son adecuadas para trabajar en un entorno por debajo de los 200 grados C. El material de aluminio utilizado en el cuerpo del Airbus A380 representa más de 1/3, y el C919 también utiliza una gran cantidad de materiales convencionales de alta Materiales de aleación de aluminio de alto rendimiento. Los revestimientos, mamparos, costillas, etc. de las aeronaves pueden fabricarse con aleaciones de aluminio.
Fabricación aditiva de titanio y la industria aeroespacial
Como señala la Perspectiva de la industria aeroespacial y de defensa global de 2019 publicada por Deloitte, a medida que la industria aeroespacial y de defensa continúa creciendo, también lo hará la demanda de producción. Y, al diseñar para aplicaciones aeroespaciales y de defensa, la selección de materiales es fundamental. Para los componentes fuera del suelo, la reducción de la cantidad y el peso de los componentes es clave. En estas áreas, cada 1g de pérdida de peso puede traer grandes beneficios.
El titanio tiene un punto de fusión extremadamente alto, más de 1600 grados, y también suele ser un material difícil de mecanizar, razón principal por la que es más caro que otros metales. Ti6Al4V es actualmente el material de aleación de titanio más utilizado. No solo es liviano, sino que también tiene una alta resistencia y resistencia a altas temperaturas. Estas características lo hacen muy popular en el campo aeroespacial. Las aplicaciones comunes incluyen la fabricación de álabes, discos, carcasas y otras piezas para la sección de baja temperatura de ventiladores y compresores de motores, con un rango de temperatura de funcionamiento de 400-500 grados; también se utiliza en la fabricación de componentes de fuselajes y cápsulas, carcasas de motores de cohetes y cubos de rotores de helicópteros, etc. Sin embargo, a pesar de su alta temperatura y resistencia a la corrosión, el titanio tiene poca conductividad eléctrica, lo que lo convierte en una mala elección para aplicaciones eléctricas. El titanio también es más caro en comparación con otros metales ligeros como el aluminio.
Usos del titanio en la industria aeroespacial
El uso de la tecnología de fabricación aditiva favorece la reducción de los costos de procesamiento y el desperdicio de materias primas, lo que tiene importantes ventajas económicas. Las aleaciones a base de titanio también son los sistemas de aleación más sistemáticos y maduros para la investigación de fabricación aditiva. Los componentes de aleación de titanio fabricados aditivamente se han utilizado como estructuras de carga en el campo aeroespacial. De acuerdo con la encuesta de referencias de tecnología de impresión 3D, Aero Met Company de los Estados Unidos comenzó a producir piezas de prueba estructurales de carga secundaria de aleación de titanio para aviones de combate/ataque combinados basados en portaaviones Boeing F/A-18E/F. aviones en lotes pequeños en 2001 y tomó la iniciativa en la fabricación de aleación de titanio LMD en 2002. La aplicación de piezas estructurales de carga secundaria en la máquina de verificación F/A-18. La Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing ha logrado avances en la tecnología clave de la fabricación aditiva por láser de aleaciones de titanio. Las propiedades mecánicas integrales de las aleaciones superan significativamente las de las piezas forjadas. Los marcos de aleación de titanio del cojinete principal a gran escala y otros componentes desarrollados se han instalado y aplicado en aeronaves. La Universidad Politécnica de Northwestern utilizó tecnología de fabricación aditiva láser para fabricar las muestras de tiras de borde superior e inferior de la nervadura central del ala del avión C919 para COMAC, con un tamaño de 3000 mm × 350 mm × 450 mm y una masa de 196 kg.
Las aleaciones a base de aluminio tienen baja densidad, alta resistencia específica, fuerte resistencia a la corrosión, buena formabilidad y buenas propiedades físicas y mecánicas. Son los materiales estructurales de metales no ferrosos más utilizados en la industria. Para la fabricación aditiva con láser, los materiales a base de aluminio suelen ser materiales difíciles de mecanizar, que están determinados por sus propiedades físicas especiales (baja densidad, baja capacidad de absorción del láser, alta conductividad térmica, fácil oxidación, etc.). Desde el punto de vista del proceso de formación de fabricación aditiva, la densidad de la aleación de aluminio es relativamente pequeña, la fluidez del polvo es relativamente pobre, la uniformidad de la colocación en el lecho de polvo de formación SLM es pobre o la continuidad del transporte del polvo en el LMD el proceso es deficiente. Por lo tanto, la precisión y la exactitud del sistema de distribución/alimentación de polvo en el equipo de fabricación aditiva por láser son relativamente altas.
En la actualidad, las aleaciones de aluminio utilizadas en fabricación aditiva son principalmente aleaciones Al-Si, entre las que se han estudiado ampliamente el AlSi10Mg y el AlSi12 con buena fluidez. Sin embargo, debido a la naturaleza del material de la aleación de aluminio fundido Al-Si, aunque se prepara mediante un proceso de fabricación aditivo láser optimizado, la resistencia a la tracción es difícil de superar los 400 MPa, lo que limita su rendimiento de servicio en la industria aeroespacial y otros campos. Uso en miembros de alta carga.
La cantidad de aleación de aluminio utilizada en los aviones llega al 20 por ciento
Para obtener aún más propiedades mecánicas más altas, muchas empresas y universidades nacionales y extranjeras han acelerado el ritmo de investigación y desarrollo en los últimos años, y se han incluido en la lista una gran cantidad de aleaciones de aluminio de alta resistencia dedicadas a la fabricación aditiva. Airbus ha desarrollado Scalmalloy, el primer material en polvo de aleación de aluminio de alta resistencia del mundo para fabricación aditiva, con una resistencia a la tracción de 520 MPa a temperatura ambiente, que se ha aplicado a la fabricación aditiva de piezas estructurales de cabina de aviones A320. La resistencia de la aleación de aluminio de alta resistencia 7A77.60L para impresión 3D desarrollada por Hughes Research Laboratory (HRL) en los Estados Unidos supera los 600 Mpa, lo que la convierte en la primera aleación de aluminio de alta resistencia equivalente forjada que se puede utilizar para la fabricación aditiva. El Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA ha comenzado a Este material se utiliza en la producción de piezas aeroespaciales a gran escala; La referencia de tecnología de impresión 3D también ha informado sobre un nuevo tipo de aleación de aluminio de alta resistencia diseñado y desarrollado por el Instituto de Investigación de la Industria CRRC nacional para impresión 3D, que rompe las restricciones de patente de Airbus. La estabilidad supera los 560 MPa, lo que es significativamente mejor que el rendimiento de impresión del polvo de aleación de aluminio Airbus Scalmalloy®, que puede satisfacer las necesidades de impresión 3D de piezas de fabricación de gama alta, como equipos de tránsito ferroviario doméstico y aeroespacial. Aplicaciones de fabricación de materiales.
Los componentes aeroespaciales modernos deben cumplir una serie de requisitos exigentes, como peso ligero, alto rendimiento, alta confiabilidad y bajo costo, y la estructura de los componentes es más compleja y más difícil de diseñar y fabricar. La innovación y el desarrollo de tecnologías clave para la fabricación aditiva por láser de componentes de aluminio, titanio y níquel en la industria aeroespacial no solo refleja la dirección de desarrollo de la selección de materiales ligeros y de alto rendimiento, sino que también destaca la precisión de la propia tecnología de fabricación aditiva. , La tendencia de desarrollo de la forma neta puede realizar la fabricación aditiva integrada de material-estructura-rendimiento y la principal aplicación de ingeniería de la tecnología de fabricación aditiva en la industria aeroespacial.