อะลูมิเนียมและไทเทเนียม: ตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการผลิตสารเติมแต่งสำหรับอากาศยาน

จากมุมมองของการสำรวจและการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ที่ทันสมัย ​​Science เคยตีพิมพ์บทความที่ชี้ให้เห็นว่าอุตสาหกรรมสมัยใหม่ต้องการวัสดุโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูง มีความเหนียวแตกหัก และมีความฝืด และในขณะเดียวกันก็ลดน้ำหนักให้ได้มากที่สุด ในกรณีนี้ โลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงน้ำหนักเบาแทนด้วยอะลูมิเนียมและไททาเนียม และโลหะผสมทนความร้อนที่รับน้ำหนักซึ่งแสดงโดยซูเปอร์อัลลอยที่มี Ni-based ได้กลายเป็นหนึ่งในวัสดุหลักที่พัฒนาขึ้นในแผนวิจัยและพัฒนาของวัสดุใหม่ในด้านต่างๆ ประเทศต่างๆ และยังอยู่ในขั้นตอนการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ วัสดุที่ใช้สำคัญ

ข้อดีและความแตกต่างระหว่างไททาเนียมและอะลูมิเนียม

อลูมิเนียมอัลลอยด์และโลหะผสมไททาเนียมเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำและความแข็งแรงของโครงสร้างที่ดีเยี่ยม มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ การผลิตเครื่องจักร และสาขาอื่นๆ ไม่ว่าจะใช้การพิมพ์ 3 มิติหรือการประมวลผล CNC โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมการบิน เป็นวัสดุโครงสร้างหลักของอุตสาหกรรมการบิน

ทั้งไททาเนียมและอลูมิเนียมมีน้ำหนักเบา แต่ก็ยังมีความแตกต่างระหว่างทั้งสอง แม้ว่าไททาเนียมจะหนักกว่าอะลูมิเนียมประมาณสองในสาม แต่ความแข็งแรงโดยธรรมชาติหมายความว่าสามารถใช้ความแข็งแรงที่ต้องการได้น้อยลง ไททาเนียมอัลลอยด์ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์เครื่องบินไอพ่นและยานอวกาศประเภทต่างๆ ความแข็งแรงและความหนาแน่นต่ำสามารถลดต้นทุนเชื้อเพลิงได้ ความหนาแน่นของโลหะผสมอลูมิเนียมเป็นเพียงหนึ่งในสามของเหล็ก และเป็นวัสดุน้ำหนักเบาที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและทั่วไปสำหรับรถยนต์ในขั้นตอนนี้ จากการศึกษาพบว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์สามารถใช้ได้กับรถยนต์ที่มีน้ำหนักมากถึง 540 กก. ด้วยการลดน้ำหนักลง 40 เปอร์เซ็นต์ ตัวถังอะลูมิเนียมทั้งหมดของ Audi, Toyota และรถยนต์ยี่ห้ออื่นๆ เป็นตัวอย่างที่ดี

คุณสมบัติของวัสดุอลูมิเนียมและไททาเนียม

เนื่องจากวัสดุทั้งสองมีความแข็งแรงสูงและความหนาแน่นต่ำ จึงต้องพิจารณาถึงความแตกต่างอื่นๆ เมื่อตัดสินใจว่าจะใช้โลหะผสมชนิดใด

ความแข็งแรง/น้ำหนัก: ในสถานการณ์วิกฤติ ทุกกรัมของชิ้นส่วนมีค่า แต่หากต้องการชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูงกว่า ไทเทเนียมเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ด้วยเหตุนี้ ไททาเนียมอัลลอยด์จึงถูกนำมาใช้ในการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์/รากฟันเทียม ชุดประกอบดาวเทียมที่ซับซ้อน อุปกรณ์ติดตั้ง และขดลวด และอื่นๆ

ค่าใช้จ่าย: อลูมิเนียมเป็นโลหะที่คุ้มค่าที่สุดสำหรับการตัดเฉือนหรือการพิมพ์ 3 มิติ ไททาเนียมมีราคาแพงแต่ยังสามารถขับเคลื่อนมูลค่าได้อย่างก้าวกระโดด การประหยัดเชื้อเพลิงของชิ้นส่วนน้ำหนักเบาสำหรับเครื่องบินหรือยานอวกาศจะมีขนาดใหญ่ ในขณะที่ชิ้นส่วนไทเทเนียมจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า

คุณสมบัติทางความร้อน: อลูมิเนียมอัลลอยด์มีค่าการนำความร้อนสูงและมักใช้ทำหม้อน้ำ สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง จุดหลอมเหลวสูงของไททาเนียมทำให้เหมาะสมยิ่งขึ้น และเครื่องยนต์อากาศยานมีส่วนประกอบโลหะผสมไททาเนียมจำนวนมาก

ความต้านทานการกัดกร่อน: ทั้งอะลูมิเนียมและไททาเนียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนดีเยี่ยม

ความต้านทานการกัดกร่อนของไทเทเนียมและการเกิดปฏิกิริยาต่ำทำให้เป็นโลหะที่เข้ากันได้ทางชีวภาพมากที่สุด และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์ เช่น เครื่องมือผ่าตัด Ti64 ยังทนต่อสภาพแวดล้อมที่เค็มได้ดี และมักใช้ในงานทางทะเล

อลูมิเนียมอัลลอยด์และโลหะผสมไททาเนียมเป็นเรื่องธรรมดามากในการใช้งานด้านอวกาศ ไททาเนียมอัลลอยด์มีความแข็งแรงสูงและความหนาแน่นต่ำ (ประมาณ 57 เปอร์เซ็นต์ของเหล็ก) และความแข็งแรงจำเพาะ (ความแข็งแรง/ความหนาแน่น) นั้นมากกว่าวัสดุโครงสร้างโลหะอื่นๆ มาก สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูง แข็งแรง และน้ำหนักเบา ไททาเนียมอัลลอยด์สามารถใช้ได้กับชิ้นส่วนเครื่องยนต์อากาศยาน โครงกระดูก สกิน รัด และเกียร์ลงจอด ข้อมูลอ้างอิงเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ พบว่าโลหะผสมอะลูมิเนียมเหมาะสำหรับการทำงานในสภาพแวดล้อมที่ต่ำกว่า 200 องศาเซลเซียส วัสดุอลูมิเนียมที่ใช้ในตัวเครื่อง Airbus A380 คิดเป็นมากกว่า 1/3 และ C919 ยังใช้วัสดุอลูมิเนียมสูงแบบธรรมดาจำนวนมาก วัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมประสิทธิภาพ ผิวเครื่องบิน ฝากั้น ซี่โครง ฯลฯ ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์

การผลิตสารเติมแต่งไทเทเนียมและอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

ตามที่ Deloitte ได้เผยแพร่ Outlook Global Aerospace and Defense Industry Outlook ประจำปี 2019 ชี้ให้เห็นว่าอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ความต้องการด้านการผลิตก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน และเมื่อออกแบบสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศและการป้องกัน การเลือกวัสดุเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับส่วนประกอบนอกสถานที่ การลดจำนวนส่วนประกอบและน้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญ ในพื้นที่เหล่านี้ การลดน้ำหนักทุกๆ 1 กรัมจะทำให้เกิดประโยชน์มากมาย

ไททาเนียมมีจุดหลอมเหลวสูงมาก มากกว่า 1600 องศา และโดยทั่วไปแล้วจะเป็นวัสดุที่ยากต่อการตัดเฉือน ซึ่งเป็นสาเหตุหลักว่าทำไมมันจึงมีราคาแพงกว่าโลหะอื่นๆ Ti6Al4V เป็นวัสดุโลหะผสมไททาเนียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน ไม่เพียงแต่น้ำหนักเบาแต่ยังมีความแข็งแรงสูงและทนต่ออุณหภูมิสูง ลักษณะเหล่านี้ทำให้เป็นที่นิยมอย่างมากในด้านการบินและอวกาศ การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การผลิตใบมีด แผ่นดิสก์ ปลอกหุ้ม และชิ้นส่วนอื่นๆ สำหรับส่วนอุณหภูมิต่ำของพัดลมเครื่องยนต์และคอมเพรสเซอร์ โดยมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ 400-500 องศา ยังใช้ในการผลิตส่วนประกอบเฟรมเครื่องบินและแคปซูล กล่องเครื่องยนต์จรวดและเฮลิคอปเตอร์ ฮับโรเตอร์ ฯลฯ อย่างไรก็ตาม ไทเทเนียมมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าต่ำ แม้ว่าจะมีอุณหภูมิสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ก็ตาม ทำให้เป็นทางเลือกที่ไม่ดีสำหรับการใช้งานทางไฟฟ้า ไททาเนียมยังมีราคาแพงกว่าเมื่อเทียบกับโลหะน้ำหนักเบาอื่นๆ เช่น อลูมิเนียม

การใช้ไททาเนียมในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

การใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อจะช่วยลดต้นทุนการแปรรูปและการสูญเสียวัตถุดิบ ซึ่งมีข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจอย่างมาก โลหะผสมจากไทเทเนียมยังเป็นระบบโลหะผสมที่เป็นระบบและสมบูรณ์ที่สุดสำหรับการวิจัยการผลิตสารเติมแต่ง ส่วนประกอบโลหะผสมไททาเนียมที่ผลิตแบบเติมแต่งได้ถูกนำมาใช้เป็นโครงสร้างรับน้ำหนักในด้านการบินและอวกาศ จากการสำรวจการอ้างอิงเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ บริษัท Aero Met แห่งสหรัฐอเมริกาได้เริ่มผลิตชิ้นส่วนทดสอบโครงสร้างรับน้ำหนักย่อยของโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับเครื่องบินขับไล่/โจมตีแบบรวมที่ใช้เรือบรรทุกเครื่องบิน F/A-18E/F เครื่องบินเป็นชุดเล็กในปี 2544 และเป็นผู้นำในการผลิตโลหะผสมไทเทเนียม LMD ในปี 2545 การใช้ชิ้นส่วนโครงสร้างรองรับน้ำหนักบนเครื่องตรวจสอบ F/A-18 มหาวิทยาลัยการบินและอวกาศแห่งปักกิ่งได้สร้างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญของการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ของโลหะผสมไททาเนียม คุณสมบัติทางกลที่ครอบคลุมของโลหะผสมมีมากกว่าการตีขึ้นรูป เฟรมโลหะผสมไททาเนียมลูกปืนหลักขนาดใหญ่และส่วนประกอบอื่นๆ ที่พัฒนาขึ้นได้รับการติดตั้งและใช้งานบนเครื่องบินแล้ว Northwestern Polytechnical University ใช้เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ในการผลิตตัวอย่างแถบขอบด้านบนและด้านล่างของซี่โครงกลางของเครื่องบิน C919 สำหรับ COMAC ด้วยขนาด 3000 มม. × 350 มม. × 450 มม. และน้ำหนัก 196 กก.

โลหะผสมจากอะลูมิเนียมมีความหนาแน่นต่ำ มีความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี ขึ้นรูปได้ดี และมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ดี เป็นวัสดุโครงสร้างโลหะที่ไม่ใช่เหล็กที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม สำหรับการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ วัสดุที่ทำจากอะลูมิเนียมมักเป็นวัสดุที่ตัดเฉือนได้ยาก ซึ่งพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพพิเศษของวัสดุดังกล่าว (ความหนาแน่นต่ำ การดูดซับด้วยเลเซอร์ต่ำ การนำความร้อนสูง ออกซิเดชันได้ง่าย ฯลฯ) จากมุมมองของกระบวนการผลิตสารเติมแต่ง ความหนาแน่นของโลหะผสมอลูมิเนียมค่อนข้างเล็ก การไหลของผงค่อนข้างต่ำ ความสม่ำเสมอของการวางบนเตียงผงขึ้นรูป SLM ไม่ดี หรือความต่อเนื่องของการขนส่งผงใน LMD กระบวนการไม่ดี ดังนั้นความแม่นยำและความถูกต้องของระบบการป้อนผง/การป้อนผงในอุปกรณ์การผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์จึงค่อนข้างสูง

ในปัจจุบัน อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่ใช้ในการผลิตสารเติมแต่งส่วนใหญ่เป็นโลหะผสม Al-Si ซึ่ง AlSi10Mg และ AlSi12 ที่มีความลื่นไหลดีได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะวัสดุของโลหะผสมอะลูมิเนียมหล่อโลหะผสม Al-Si แม้ว่าจะเตรียมโดยกระบวนการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์ที่ปรับให้เหมาะสมที่สุด ความต้านทานแรงดึงนั้นยากเกินกว่า 400MPa ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพการบริการในการบินและอวกาศและด้านอื่นๆ ใช้กับชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักได้สูง

ปริมาณโลหะผสมอลูมิเนียมที่ใช้ในเครื่องบินสูงถึง 20 เปอร์เซ็นต์

เพื่อให้ได้คุณสมบัติเชิงกลที่สูงขึ้น บริษัทและมหาวิทยาลัยหลายแห่งทั้งในและต่างประเทศได้เร่งดำเนินการวิจัยและพัฒนาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และได้ระบุรายชื่อโลหะผสมอะลูมิเนียมความแข็งแรงสูงจำนวนมากสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ แอร์บัสได้พัฒนา Scalmalloy ซึ่งเป็นวัสดุผงอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีความแข็งแรงสูงเป็นรายแรกของโลกสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ โดยมีความต้านทานแรงดึงที่ 520MPa ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งนำไปใช้กับการผลิตส่วนเสริมของชิ้นส่วนโครงสร้างห้องโดยสารเครื่องบิน A320 ความแข็งแรงของอลูมิเนียมอัลลอยด์ความแข็งแรงสูง 7A77.60L สำหรับการพิมพ์ 3 มิติที่พัฒนาโดย Hughes Research Laboratory (HRL) ในสหรัฐอเมริกานั้นเกิน 600Mpa ทำให้เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงเทียบเท่าการปลอมแปลงชนิดแรกที่สามารถใช้สำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ NASA Marshall Space Flight Center ได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว วัสดุนี้ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนอวกาศขนาดใหญ่ ข้อมูลอ้างอิงเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติยังได้รายงานโลหะผสมอะลูมิเนียมความแข็งแรงสูงชนิดใหม่ที่ออกแบบและพัฒนาโดยสถาบันวิจัยอุตสาหกรรม CRRC ในประเทศสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งก้าวข้ามข้อจำกัดด้านสิทธิบัตรของแอร์บัส ความเสถียรสูงกว่า 560MPa ซึ่งดีกว่าประสิทธิภาพการพิมพ์ของผงโลหะผสมอลูมิเนียม Airbus Scalmalloy® อย่างมาก ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของการพิมพ์ 3 มิติของชิ้นส่วนการผลิตระดับไฮเอนด์ เช่น อุปกรณ์ขนส่งทางรถไฟภายในประเทศและการบินและอวกาศ แอพพลิเคชั่นการผลิตวัสดุ

ส่วนประกอบการบินและอวกาศสมัยใหม่ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดต่างๆ เช่น น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง ความน่าเชื่อถือสูง และต้นทุนต่ำ และโครงสร้างของส่วนประกอบมีความซับซ้อนมากขึ้นและยากต่อการออกแบบและผลิต นวัตกรรมและการพัฒนาเทคโนโลยีหลักสำหรับการผลิตสารเติมแต่งด้วยเลเซอร์สำหรับส่วนประกอบอะลูมิเนียม ไททาเนียม และนิกเกิลในอวกาศ ไม่เพียงแต่สะท้อนถึงทิศทางการพัฒนาของน้ำหนักเบาและประสิทธิภาพสูงในการเลือกใช้วัสดุ แต่ยังเน้นถึงความแม่นยำของเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งด้วย , แนวโน้มการพัฒนาของรูปร่างสุทธิสามารถตระหนักถึงการผลิตสารเติมแต่งแบบบูรณาการของประสิทธิภาพโครงสร้างวัสดุและการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมที่สำคัญของเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งในอวกาศ