アルミニウムとチタン: 航空宇宙積層造形の優れた選択肢

Science はかつて、最先端の科学的調査と開発の観点に基づいて、現代の産業では構造材料に高強度、破壊靭性、および剛性が必要であると同時に、可能な限り軽量化する必要があることを指摘する記事を発表しました。 この場合、アルミニウムやチタンに代表される軽量高強度合金や、Ni基超合金に代表される耐荷重耐熱合金は、様々な新素材の研究開発計画において開発されたキーマテリアルの一つとなっています。国であり、レーザー付加製造の過程にもあります。 重要な応用材料。

チタンとアルミニウムの利点と違い

アルミニウム合金とチタン合金は、その優れた低密度と構造強度により、航空宇宙、自動車、機械製造、およびその他の分野で、3D 印刷または CNC 加工を使用するかどうかにかかわらず、特に航空産業で広く使用されています。 航空産業の主要な構造材料です。

チタンもアルミも軽いですが、やはり両者には違いがあります。 チタンはアルミニウムの約 3 分の 2 の重さですが、その固有の強度は、より少ない量で必要な強度を達成できることを意味します。 チタン合金は、航空機のジェットエンジンやさまざまなタイプの宇宙船で広く使用されており、その強度と低密度により、燃料費を削減できます。 アルミニウム合金の密度は鋼の 3 分の 1 にすぎず、現在の段階で自動車用に最も広く使用されている一般的な軽量素材です。 調査によると、アルミニウム合金は最大 540kg の車両に使用できることが示されています。 40% の軽量化を実現した、アウディ、トヨタ、およびその他のブランド車のオール アルミニウム ボディはその好例です。

アルミニウムとチタンの材料特性

どちらの材料も強度が高く、密度が低いため、どちらの合金を使用するかを決定する際には、他の違いを考慮する必要があります。

強度・重量: 危機的な状況では、1 グラムのパーツが重要になりますが、より強度の高いパーツが必要な場合は、チタンが最適です。 このため、チタン合金は医療機器/インプラント、複雑なサテライト アセンブリ、固定具、ステントなどの製造に使用されています。

料金: アルミニウムは、機械加工または 3D 印刷に最も費用対効果の高い金属です。 チタンは高価ですが、それでも価値を飛躍的に高めることができます。 航空機や宇宙船の軽量部品は燃料を大幅に節約できますが、チタン製部品は長持ちします。

熱特性: アルミニウム合金は熱伝導率が高く、ラジエーターの製造によく使用されます。 高温用途では、チタンの融点が高いため、より適しています。航空エンジンには、多数のチタン合金コンポーネントが含まれています。

耐食性：アルミ、チタンともに耐食性に優れています。

チタンは耐食性と反応性が低いため、生体適合性が最も高い金属であり、手術器具などの医療用途で広く使用されています。 Ti64 は塩分環境にもよく耐え、海洋用途でよく使用されます。

航空宇宙用途では、アルミニウム合金とチタン合金が非常に一般的です。 チタン合金は高強度で低密度 (鋼の約 57% のみ) であり、その比強度 (強度/密度) は他の金属構造材料よりもはるかに優れています。 単体強度が高く、剛性が高く、軽量な部品を生産できます。 チタン合金は、航空機のエンジン部品、スケルトン、スキン、ファスナー、着陸装置に使用できます。 3D プリント技術の参考データによると、アルミニウム合金は 200 度 C 以下の環境での作業に適していることがわかりました。高性能アルミニウム合金材料。 航空機のスキン、バルクヘッド、リブなどは、アルミニウム合金で作成できます。

チタン積層造形と航空宇宙産業

Deloitte が発行した 2019 年の Global Aerospace and Defense Industry Outlook が指摘しているように、航空宇宙および防衛産業が成長し続けるにつれて、生産需要も増加します。 また、航空宇宙および防衛用途向けの設計では、材料の選択が重要です。 地上のコンポーネントの場合、コンポーネントの数と重量を減らすことが重要です。 これらの領域では、1g の減量ごとに大きなメリットがもたらされます。

チタンは融点が 1600 度以上と非常に高く、通常は加工が難しい材料でもあり、これが他の金属よりも高価な主な理由です。 Ti6Al4V は、現在最も広く使用されているチタン合金材料です。 軽量であるだけでなく、強度が高く、耐熱性にも優れています。 これらの特性により、航空宇宙分野で非常に人気があります。 一般的な用途には、400-500度の動作温度範囲で、エンジンファンおよびコンプレッサーの低温セクション用のブレード、ディスク、ケーシング、およびその他の部品の製造が含まれます。 機体やカプセルの部品、ロケット エンジンのケース、ヘリコプターのローター ハブなどの製造にも使用されます。しかし、チタンは高温で耐腐食性があるにもかかわらず、電気伝導性が低く、電気用途には適していません。 また、チタンはアルミニウムなどの他の軽量金属に比べて高価です。

航空宇宙産業におけるチタンの使用

付加製造技術の使用は、処理コストと原材料の無駄を削減するのに役立ち、大きな経済的利点があります。 チタンベースの合金は、付加製造研究において最も体系的で成熟した合金システムでもあります。 付加的に製造されたチタン合金部品は、航空宇宙分野で耐荷重構造として使用されてきました。 3D プリント技術の参考資料の調査によると、米国の Aero Met Company は、ボーイング F/A-18E/F 艦載戦闘機/攻撃機の複合機用のチタン合金サブロード ベアリング構造試験片の製造を開始しました。 F/A-18 検証機への二次耐力構造部品の適用。 北京航空宇宙大学は、チタン合金のレーザー積層造形の主要技術でブレークスルーを達成しました。 合金の総合的な機械的特性は、鍛造品の特性を大幅に上回ります。 開発した大型主軸受チタン合金フレームなどは、航空機に搭載・適用されています。 Northwestern Polytechnical University は、レーザー付加製造技術を使用して、COMAC 向けの C919 航空機の中央翼リブの上部および下部エッジ ストリップ サンプルを製造しました。サイズは 3000mm×350mm×450mm、質量は 196kg です。

アルミニウムベースの合金は、密度が低く、比強度が高く、耐食性が高く、成形性が高く、物理的および機械的特性が良好です。 それらは、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料です。 レーザー付加製造の場合、アルミニウムベースの材料は通常、特殊な物理的特性 (低密度、低レーザー吸収率、高熱伝導率、容易な酸化など) によって決定される、機械加工が困難な材料です。 付加製造成形プロセスの観点から、アルミニウム合金の密度は比較的小さく、粉末の流動性は比較的低く、SLM 形成粉末床への敷設の均一性は低く、LMD での粉末輸送の連続性は低いです。プロセスが悪い。 したがって、レーザー付加製造装置の粉末散布/粉末供給システムの精度と精度は比較的高いです。

現在、アディティブ マニュファクチャリングに使用されるアルミニウム合金は主に Al-Si 合金であり、その中で流動性の良い AlSi10Mg と AlSi12 が広く研究されています。 ただし、Al-Si 合金鋳造アルミニウム合金の材料特性により、最適化されたレーザー積層造形プロセスによって製造されますが、引張強度が 400 MPa を超えることは難しく、航空宇宙およびその他の分野での使用性能が制限されます。 高耐荷重部材に使用します。

航空機に使用されるアルミニウム合金の量は 20% にもなります

より高い機械的特性をさらに得るために、国内外の多くの企業や大学が近年研究開発のペースを加速させており、付加製造専用の高強度アルミニウム合金が多数リストされています。 エアバスは、A320 航空機キャビン構造部品の積層造形に適用された、室温で 520MPa の引張強度を持つ世界初の積層造形用の高強度アルミニウム合金粉末材料である Scalmalloy を開発しました。 米国のヒューズ研究所 (HRL) が開発した 3D プリント用高強度アルミニウム合金 7A77.60L の強度は 600Mpa を超え、付加製造に使用できる最初の鍛造同等の高強度アルミニウム合金になります。 NASA マーシャル宇宙飛行センターは、大規模な航空宇宙部品の製造にこの材料が使用されています。 3Dプリンティング技術リファレンスは、エアバスの特許制限を突破する、国内のCRRC産業研究所が3Dプリンティングのために設計および開発した新しいタイプの高強度アルミニウム合金も報告しています。 安定性は 560MPa を超え、Airbus Scalmalloy® アルミニウム合金粉末の印刷性能よりも大幅に優れており、国内の鉄道輸送機器や航空宇宙などのハイエンド製造部品の 3D 印刷のニーズを満たすことができます。 材料製造アプリケーション。

現代の航空宇宙コンポーネントは、軽量、高性能、高信頼性、低コストなどの一連の厳しい要件を満たす必要があり、コンポーネントの構造はより複雑で、設計と製造がより困難になっています。 航空宇宙におけるアルミニウム、チタン、ニッケルベースのコンポーネントのレーザー付加製造の主要技術の革新と開発は、材料選択における軽量化と高性能の開発方向を反映するだけでなく、付加製造技術自体の精度も強調しています。 、ネットシェイプの開発動向は、材料-構造-性能の統合された付加製造と、航空宇宙における付加製造技術の主要な工学的応用を実現できます。