الألمنيوم والتيتانيوم: خيارات ممتازة لتصنيع المواد المضافة إلى الفضاء

استنادًا إلى منظور الاستكشاف والتطوير العلمي المتطور ، نشرت مجلة Science ذات مرة مقالًا يشير إلى أن الصناعة الحديثة تتطلب أن تتمتع المواد الهيكلية بقوة عالية وصلابة للكسر ، وفي نفس الوقت تقلل الوزن قدر الإمكان. في هذه الحالة ، أصبحت السبائك خفيفة الوزن عالية القوة التي يمثلها الألمنيوم والتيتانيوم ، والسبائك الحاملة المقاومة للحرارة والتي تمثلها السبائك الفائقة القائمة على النيكل ، واحدة من المواد الرئيسية التي تم تطويرها في خطط البحث والتطوير للمواد الجديدة في مختلف البلدان ، وكذلك في عملية تصنيع إضافات الليزر. مواد تطبيقية مهمة.

المزايا والاختلافات بين التيتانيوم والألمنيوم

سبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم ، بسبب كثافتها المنخفضة الممتازة وقوتها الهيكلية ، تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران والسيارات وتصنيع الآلات وغيرها من المجالات ، سواء باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد أو معالجة CNC ، خاصة في صناعة الطيران. إنها المادة الهيكلية الرئيسية لصناعة الطيران.

التيتانيوم والألومنيوم خفيفان ، لكن لا تزال هناك اختلافات بينهما. على الرغم من أن التيتانيوم أثقل بحوالي الثلثين من الألمنيوم ، إلا أن قوته الكامنة تعني أنه يمكن تحقيق القوة المطلوبة باستخدام أقل. تُستخدم سبائك التيتانيوم على نطاق واسع في المحركات النفاثة للطائرات وأنواع مختلفة من المركبات الفضائية ، ويمكن أن تقلل قوتها وكثافتها المنخفضة من تكاليف الوقود. كثافة سبائك الألومنيوم هي فقط ثلث كثافة الفولاذ ، وهي المادة خفيفة الوزن الأكثر استخدامًا والأكثر شيوعًا للسيارات في هذه المرحلة. أظهرت الدراسات أنه يمكن استخدام سبائك الألومنيوم في سيارة يصل وزنها إلى 540 كجم. مع انخفاض الوزن بنسبة 40 في المائة ، فإن هيكل Audi و Toyota والمركبات الأخرى ذات العلامات التجارية هو مثال جيد على ذلك.

الخواص المادية للألمنيوم والتيتانيوم

نظرًا لأن كلتا المادتين تتمتعان بقوة عالية وكثافة منخفضة ، يجب مراعاة الاختلافات الأخرى عند تحديد السبيكة التي يجب استخدامها.

القوة / الوزن: في المواقف الحرجة ، كل جرام من القطعة مهم ، ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى جزء قوة أعلى ، فإن التيتانيوم هو الخيار الأفضل. لهذا السبب ، تُستخدم سبائك التيتانيوم في تصنيع الأجهزة الطبية / الغرسات ، وتركيبات الأقمار الصناعية المعقدة ، والتركيبات ، والدعامات ، من بين أمور أخرى.

كلفة: الألومنيوم هو المعدن الأكثر فعالية من حيث التكلفة للتشغيل الآلي أو الطباعة ثلاثية الأبعاد ؛ التيتانيوم باهظ الثمن ولكن لا يزال بإمكانه تحقيق قفزة في القيمة. سيكون توفير الوقود للأجزاء خفيفة الوزن للطائرة أو المركبة الفضائية ضخمًا ، بينما ستستمر أجزاء التيتانيوم لفترة أطول.

الخصائص الحرارية: تتميز سبائك الألومنيوم بموصلية حرارية عالية وغالبًا ما تستخدم في صناعة المشعات ؛ بالنسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية ، فإن نقطة الانصهار العالية للتيتانيوم تجعله أكثر ملاءمة ، وتحتوي المحركات الهوائية على عدد كبير من مكونات سبائك التيتانيوم.

المقاومة للتآكل: يتمتع كل من الألومنيوم والتيتانيوم بمقاومة ممتازة للتآكل.

مقاومته للتآكل وقلة تفاعله تجعله أكثر المعادن توافقاً حيوياً ، ويستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الطبية مثل الأدوات الجراحية. يقاوم Ti64 أيضًا البيئات المالحة جيدًا وغالبًا ما يستخدم في التطبيقات البحرية.

سبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم شائعة جدًا في تطبيقات الفضاء. تتميز سبائك التيتانيوم بقوة عالية وكثافة منخفضة (حوالي 57 بالمائة فقط من الفولاذ) ، وقوتها المحددة (القوة / الكثافة) أكبر بكثير من تلك الموجودة في المواد الإنشائية المعدنية الأخرى. يمكنها إنتاج أجزاء بقوة وحدة عالية وصلابة جيدة وخفيفة الوزن. يمكن استخدام سبائك التيتانيوم في مكونات محركات الطائرات ، والهياكل العظمية ، والجلود ، والمثبتات ، ومعدات الهبوط. وجدت البيانات المرجعية لتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أن سبائك الألومنيوم مناسبة للعمل في بيئة أقل من 200 درجة مئوية. مواد سبائك الألومنيوم الأداء. يمكن تصنيع جلود الطائرات ، والحواجز ، والضلوع ، وما إلى ذلك من سبائك الألومنيوم.

صناعة مضافات التيتانيوم وصناعة الطيران

كما يشير تقرير توقعات صناعة الطيران والدفاع العالمي لعام 2019 الذي نشرته شركة Deloitte ، مع استمرار نمو صناعة الطيران والدفاع ، سيزداد الطلب على الإنتاج أيضًا. وعند تصميم تطبيقات الفضاء والدفاع ، يعد اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية. بالنسبة للمكونات غير الأرضية ، يعد تقليل عدد المكونات والوزن أمرًا أساسيًا. في هذه المناطق ، يمكن أن تعود كل 1 جرام من فقدان الوزن بفوائد كبيرة.

يتميز التيتانيوم بنقطة انصهار عالية للغاية ، تزيد عن 1600 درجة ، وهو أيضًا مادة يصعب تصنيعها آليًا ، وهذا هو السبب الرئيسي في كونه أغلى من المعادن الأخرى. يعتبر Ti6Al4V حاليًا أكثر مواد سبائك التيتانيوم استخدامًا. إنها ليست خفيفة الوزن فحسب ، بل تتميز أيضًا بالقوة العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية. هذه الخصائص تجعلها تحظى بشعبية كبيرة في مجال الفضاء. تشمل التطبيقات الشائعة تصنيع الشفرات والأقراص والأغلفة والأجزاء الأخرى لقسم درجات الحرارة المنخفضة لمراوح وضواغط المحرك ، مع نطاق درجة حرارة التشغيل 400-500 درجة ؛ يستخدم أيضًا في تصنيع مكونات هيكل الطائرة والكبسولة ، وأغلفة محركات الصواريخ والمروحيات ، وما إلى ذلك. ومع ذلك ، على الرغم من درجة الحرارة العالية ومقاومة التآكل ، فإن التيتانيوم لديه توصيل كهربائي ضعيف ، مما يجعله خيارًا سيئًا للتطبيقات الكهربائية. التيتانيوم أيضًا أغلى ثمناً مقارنة بالمعادن الأخرى خفيفة الوزن مثل الألمنيوم.

استخدامات التيتانيوم في صناعة الطيران

يساعد استخدام تقنية التصنيع المضافة في تقليل تكاليف المعالجة وإهدار المواد الخام ، والتي لها مزايا اقتصادية كبيرة. سبائك التيتانيوم هي أيضًا أكثر أنظمة السبائك انتظامًا ونضجًا لبحوث تصنيع المواد المضافة. تم استخدام مكونات سبائك التيتانيوم المُصنَّعة بشكل إضافي كهياكل حاملة في مجال الطيران. وفقًا لمسح مراجع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، بدأت شركة Aero Met في الولايات المتحدة في إنتاج قطع اختبار هيكلية تحمل حمولة فرعية من سبائك التيتانيوم لمقاتلة / هجومية من طراز Boeing F / A -18 من طراز E / F. طائرات على دفعات صغيرة في عام 2001 وأخذت زمام المبادرة في تحقيق سبائك التيتانيوم LMD في عام 2002. تطبيق الأجزاء الهيكلية الحاملة الثانوية على آلة التحقق F / A -18. حققت جامعة بكين للملاحة الجوية والملاحة الفضائية اختراقات في التكنولوجيا الرئيسية لتصنيع إضافات الليزر لسبائك التيتانيوم. تتعدى الخواص الميكانيكية الشاملة للسبائك بشكل كبير تلك الخاصة بالمطروقات. تم تركيب إطارات سبائك التيتانيوم المحمل الرئيسية واسعة النطاق والمكونات الأخرى المطورة وتطبيقها على الطائرات. استخدمت جامعة Northwestern Polytechnical تقنية تصنيع إضافات الليزر لتصنيع عينات شريط الحافة العلوية والسفلية من الضلع المركزي للطائرة C919 لـ COMAC ، بحجم 3000 مم × 350 مم × 450 مم وكتلة 196 كجم.

تتميز سبائك الألومنيوم بكثافة منخفضة وقوة محددة عالية ومقاومة قوية للتآكل وقابلية جيدة للتشكيل وخصائص فيزيائية وميكانيكية جيدة. إنها أكثر المواد الهيكلية المعدنية غير الحديدية استخدامًا في الصناعة. بالنسبة لتصنيع إضافات الليزر ، عادةً ما تكون المواد القائمة على الألومنيوم مواد يصعب تصنيعها بالماكينة ، والتي يتم تحديدها من خلال خصائصها الفيزيائية الخاصة (الكثافة المنخفضة ، امتصاص الليزر المنخفض ، الموصلية الحرارية العالية ، الأكسدة السهلة ، إلخ). من وجهة نظر عملية تشكيل تصنيع المواد المضافة ، تكون كثافة سبائك الألومنيوم صغيرة نسبيًا ، وسيولة المسحوق ضعيفة نسبيًا ، وتوحيد وضع طبقة مسحوق تشكيل SLM ضعيف ، أو استمرارية نقل المسحوق في LMD العملية سيئة. لذلك ، فإن دقة ودقة نظام توزيع المسحوق / تغذية المسحوق في معدات تصنيع إضافات الليزر عالية نسبيًا.

في الوقت الحاضر ، سبائك الألومنيوم المستخدمة في تصنيع المواد المضافة هي في الأساس سبائك Al-Si ، من بينها AlSi10Mg و AlSi12 مع سيولة جيدة تمت دراستها على نطاق واسع. ومع ذلك ، نظرًا للطبيعة المادية لسبائك الألومنيوم المصبوب من سبيكة Al-Si ، على الرغم من أنه يتم تحضيرها بواسطة عملية تصنيع مضافة ليزر محسّنة ، يصعب تجاوز قوة الشد 400MPa ، مما يحد من أداء خدمتها في مجال الطيران والمجالات الأخرى. استخدم على الأعضاء الحاملة للأحمال العالية.

كمية سبائك الألومنيوم المستخدمة في الطائرات تصل إلى 20 بالمائة

من أجل الحصول على خصائص ميكانيكية أعلى ، قامت العديد من الشركات والجامعات في الداخل والخارج بتسريع وتيرة البحث والتطوير في السنوات الأخيرة ، وتم إدراج عدد كبير من سبائك الألومنيوم عالية القوة المخصصة للتصنيع الإضافي. طورت إيرباص Scalmalloy ، أول مادة مسحوق سبائك الألومنيوم عالية القوة في العالم لتصنيع المواد المضافة ، مع قوة شد تبلغ 520 ميجا باسكال في درجة حرارة الغرفة ، والتي تم تطبيقها في التصنيع الإضافي للأجزاء الهيكلية لمقصورة الطائرة A320. تتجاوز قوة سبائك الألومنيوم 7A77.60L عالية القوة للطباعة ثلاثية الأبعاد التي طورها مختبر أبحاث هيوز (HRL) في الولايات المتحدة 600 ميجا باسكال ، مما يجعلها أول سبيكة ألمنيوم مكافئة عالية القوة يمكن استخدامها في تصنيع المواد المضافة. بدأ مركز ناسا مارشال لرحلات الفضاء في استخدام هذه المواد في إنتاج أجزاء الفضاء الجوي على نطاق واسع ؛ أبلغ مرجع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا عن نوع جديد من سبائك الألومنيوم عالية القوة التي صممها وطورها معهد أبحاث الصناعة CRRC المحلي للطباعة ثلاثية الأبعاد ، والذي يكسر قيود براءات الاختراع الخاصة بشركة إيرباص. يتجاوز الثبات 560 ميجا باسكال ، وهو أفضل بكثير من أداء الطباعة لمسحوق سبائك الألومنيوم Airbus Scalmalloy® ، والذي يمكنه تلبية احتياجات الطباعة ثلاثية الأبعاد لأجزاء التصنيع المتطورة مثل معدات النقل بالسكك الحديدية المحلية والطيران. تطبيقات تصنيع المواد.

تحتاج مكونات الفضاء الحديثة إلى تلبية سلسلة من المتطلبات الصعبة مثل الوزن الخفيف والأداء العالي والموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة ، كما أن هيكل المكونات أكثر تعقيدًا وأكثر صعوبة في التصميم والتصنيع. إن ابتكار وتطوير التقنيات الرئيسية لتصنيع إضافات الليزر للألمنيوم والتيتانيوم والمكونات القائمة على النيكل في الفضاء ، لا يعكس فقط اتجاه تطوير الوزن الخفيف والأداء العالي في اختيار المواد ، بل يسلط الضوء أيضًا على دقة تقنية التصنيع المضافة نفسها. ، يمكن أن يحقق اتجاه تطوير الشكل الصافي التصنيع الإضافي المتكامل لأداء هيكل المواد والتطبيق الهندسي الرئيسي لتكنولوجيا التصنيع المضافة في الفضاء.