Basé sur la perspective de l'exploration et du développement scientifiques de pointe, Science a publié un article soulignant que l'industrie moderne exige que les matériaux de structure aient une résistance, une ténacité à la rupture et une rigidité élevées, tout en réduisant le poids autant que possible. Dans ce cas, les alliages légers à haute résistance représentés par l'aluminium et le titane, et les alliages résistants à la chaleur porteurs représentés par les superalliages à base de Ni sont devenus l'un des matériaux clés développés dans les plans de recherche et développement de nouveaux matériaux dans divers pays, et sont également en cours de fabrication additive laser. Matériel appliqué important.
Avantages et différences entre le titane et l'aluminium
L'alliage d'aluminium et l'alliage de titane, en raison de leur excellente faible densité et de leur résistance structurelle, sont largement utilisés dans l'aérospatiale, l'automobile, la fabrication de machines et d'autres domaines, qu'ils utilisent l'impression 3D ou le traitement CNC, en particulier dans l'industrie aéronautique. C'est le principal matériau de structure de l'industrie aéronautique.
Le titane et l'aluminium sont légers, mais il existe encore des différences entre les deux. Bien que le titane soit environ deux tiers plus lourd que l'aluminium, sa résistance inhérente signifie que la résistance requise peut être obtenue en utilisant moins. Les alliages de titane sont largement utilisés dans les réacteurs d'avions et divers types d'engins spatiaux, et leur résistance et leur faible densité peuvent réduire les coûts de carburant. La densité de l'alliage d'aluminium n'est que d'un tiers de celle de l'acier, et c'est le matériau léger le plus largement utilisé et le plus courant pour les automobiles à ce stade. Des études ont montré que les alliages d'aluminium peuvent être utilisés dans un véhicule jusqu'à 540 kg. Avec une réduction de poids de 40 %, la carrosserie entièrement en aluminium des véhicules Audi, Toyota et d'autres marques en est un bon exemple.
Matériel | Méthodes de traitement | Résistance à la traction | Élongation | Dureté |
Titane (Ti6AI4V) | SLM | 1186 MPa | 10 pourcent | 40 HRB |
Aluminium (AlSi10Mg) | SLM | 241 MPa | 10 pourcent | 45 HRB |
Aluminium(6061-T651) | CNC | 276 MPa | 17 pour cent | 95 HRB |
Aluminium(7075-T651) | CNC | 572 MPa | 11 pour cent | 85 HRB |
Titane (Ti6AI4V) | CNC | 951 MPa | 14 pour cent | 35 HRB |
Propriétés matérielles de l'aluminium et du titane
Étant donné que les deux matériaux ont une résistance élevée et une faible densité, d'autres différences doivent être prises en compte lors du choix de l'alliage à utiliser.
Force/Poids: Dans des situations critiques, chaque gramme d'une pièce compte, mais si une pièce plus résistante est requise, le titane est le meilleur choix. Pour cette raison, les alliages de titane sont utilisés dans la fabrication de dispositifs/implants médicaux, d'assemblages satellites complexes, d'accessoires et de stents, entre autres.
Coût: L'aluminium est le métal le plus rentable pour l'usinage ou l'impression 3D ; le titane est cher mais peut encore faire bondir sa valeur. Les économies de carburant des pièces légères pour un avion ou un vaisseau spatial seront énormes, tandis que les pièces en titane dureront plus longtemps.
Propriétés thermiques: Les alliages d'aluminium ont une conductivité thermique élevée et sont souvent utilisés pour fabriquer des radiateurs ; pour les applications à haute température, le point de fusion élevé du titane le rend plus adapté, et les moteurs aéronautiques contiennent un grand nombre de composants en alliage de titane.
Résistance à la corrosion: L'aluminium et le titane ont tous deux une excellente résistance à la corrosion.
La résistance à la corrosion et la faible réactivité du titane en font le métal le plus biocompatible et il est largement utilisé dans les applications médicales telles que les instruments chirurgicaux. Le Ti64 résiste également bien aux environnements salins et est souvent utilisé dans les applications marines.
Les alliages d'aluminium et les alliages de titane sont très courants dans les applications aérospatiales. L'alliage de titane a une résistance élevée et une faible densité (seulement environ 57 % de l'acier), et sa résistance spécifique (résistance/densité) est bien supérieure à celle des autres matériaux structurels métalliques. Il peut produire des pièces avec une résistance unitaire élevée, une bonne rigidité et un poids léger. Les alliages de titane peuvent être utilisés dans les composants de moteurs d'avion, les squelettes, les revêtements, les fixations et les trains d'atterrissage. Les données de référence de la technologie d'impression 3D ont révélé que les alliages d'aluminium conviennent au travail dans un environnement inférieur à 200 degrés C. Le matériau en aluminium utilisé dans le corps de l'Airbus A380 représente plus d'un tiers, et le C919 utilise également un grand nombre de haute- matériaux performants en alliage d'aluminium. Les peaux d'avions, les cloisons, les nervures, etc. peuvent être en alliages d'aluminium.
Fabrication additive de titane et industrie aérospatiale
Comme le souligne le rapport 2019 Global Aerospace and Defence Industry Outlook publié par Deloitte, à mesure que l'industrie aérospatiale et de défense continue de croître, la demande de production augmentera également. Et, lors de la conception pour des applications aérospatiales et de défense, la sélection des matériaux est essentielle. Pour les composants hors sol, la réduction du nombre et du poids des composants est essentielle. Dans ces domaines, chaque 1 g de perte de poids peut apporter de grands avantages.
Le titane a un point de fusion extrêmement élevé, supérieur à 1600 degrés, et est également généralement un matériau difficile à usiner, ce qui est la principale raison pour laquelle il est plus cher que les autres métaux. Ti6Al4V est actuellement le matériau en alliage de titane le plus utilisé. Non seulement il est léger, mais il a également une résistance élevée et une résistance aux hautes températures. Ces caractéristiques le rendent très populaire dans le domaine aérospatial. Les applications courantes incluent la fabrication d'aubes, de disques, de carters et d'autres pièces pour la section basse température des ventilateurs de moteur et des compresseurs, avec une plage de température de fonctionnement de 400-500 degré ; également utilisé dans la fabrication de composants de cellule et de capsule, de carters de moteurs de fusée et de moyeux de rotor d'hélicoptères, etc. Cependant, malgré sa résistance à haute température et à la corrosion, le titane a une faible conductivité électrique, ce qui en fait un mauvais choix pour les applications électriques. Le titane est également plus cher que d'autres métaux légers comme l'aluminium.
Utilisations du titane dans l'industrie aérospatiale
L'utilisation de la technologie de fabrication additive est propice à la réduction des coûts de traitement et du gaspillage de matières premières, ce qui présente des avantages économiques importants. Les alliages à base de titane sont également les systèmes d'alliage les plus systématiques et les plus matures pour la recherche sur la fabrication additive. Les composants en alliage de titane fabriqués de manière additive ont été utilisés comme structures porteuses dans le domaine aérospatial. Selon l'enquête sur les références de la technologie d'impression 3D, Aero Met Company des États-Unis a commencé à produire des pièces d'essai structurelles sous-porteuses en alliage de titane pour Boeing F/A -18 chasseur/attaque combiné basé sur un transporteur E/F avions en petits lots en 2001 et a pris la tête de la réalisation de l'alliage de titane LMD en 2002. L'application de pièces structurelles porteuses secondaires sur la machine de vérification F/A-18. L'Université d'aéronautique et d'astronautique de Pékin a fait des percées dans la technologie clé de la fabrication additive laser d'alliages de titane. Les propriétés mécaniques globales des alliages dépassent largement celles des pièces forgées. Les cadres en alliage de titane du palier principal à grande échelle et d'autres composants développés ont été installés et appliqués sur des avions. La Northwestern Polytechnical University a utilisé la technologie de fabrication additive laser pour fabriquer les échantillons de bande de bord supérieur et inférieur de la nervure centrale de l'aile de l'avion C919 pour COMAC, avec une taille de 3000 mm × 350 mm × 450 mm et une masse de 196 kg.
Les alliages à base d'aluminium ont une faible densité, une résistance spécifique élevée, une forte résistance à la corrosion, une bonne formabilité et de bonnes propriétés physiques et mécaniques. Ce sont les matériaux de structure en métal non ferreux les plus largement utilisés dans l'industrie. Pour la fabrication additive laser, les matériaux à base d'aluminium sont généralement des matériaux difficiles à usiner, qui sont déterminés par leurs propriétés physiques particulières (faible densité, faible absorptivité laser, conductivité thermique élevée, oxydation facile, etc.). Du point de vue du processus de formation de fabrication additive, la densité de l'alliage d'aluminium est relativement faible, la fluidité de la poudre est relativement médiocre, l'uniformité de la pose sur le lit de poudre de formation SLM est médiocre ou la continuité du transport de la poudre dans le LMD le processus est médiocre. Par conséquent, la précision et l'exactitude du système d'étalement de poudre/d'alimentation en poudre dans l'équipement de fabrication additive laser sont relativement élevées.
A l'heure actuelle, les alliages d'aluminium utilisés en fabrication additive sont principalement des alliages Al-Si, parmi lesquels AlSi10Mg et AlSi12 de bonne fluidité ont été largement étudiés. Cependant, en raison de la nature matérielle de l'alliage d'aluminium coulé en alliage Al-Si, bien qu'il soit préparé par un procédé de fabrication additive laser optimisé, la résistance à la traction est difficile à dépasser 400MPa, ce qui limite ses performances de service dans l'aérospatiale et d'autres domaines. Utilisation sur des éléments porteurs élevés.
La quantité d'alliage d'aluminium utilisée dans les avions peut atteindre 20 %.
Afin d'obtenir des propriétés mécaniques plus élevées, de nombreuses entreprises et universités nationales et étrangères ont accéléré le rythme de la recherche et du développement ces dernières années, et un grand nombre d'alliages d'aluminium à haute résistance dédiés à la fabrication additive ont été répertoriés. Airbus a développé Scalmalloy, le premier matériau en poudre d'alliage d'aluminium à haute résistance au monde pour la fabrication additive, avec une résistance à la traction de 520 MPa à température ambiante, qui a été appliqué à la fabrication additive de pièces structurelles de cabine d'avion A320. La résistance de l'alliage d'aluminium haute résistance 7A77.60L pour l'impression 3D développé par le Hughes Research Laboratory (HRL) aux États-Unis dépasse 600 MPa, ce qui en fait le premier alliage d'aluminium forgé équivalent haute résistance pouvant être utilisé pour la fabrication additive. Le centre de vol spatial Marshall de la NASA a commencé à Ce matériau est utilisé dans la production de pièces aérospatiales à grande échelle ; La référence de la technologie d'impression 3D a également signalé un nouveau type d'alliage d'aluminium à haute résistance conçu et développé par l'Institut national de recherche industrielle CRRC pour l'impression 3D, qui brise les restrictions de brevet d'Airbus. La stabilité dépasse 560 MPa, ce qui est nettement supérieur aux performances d'impression de la poudre d'alliage d'aluminium Airbus Scalmalloy®, qui peut répondre aux besoins de l'impression 3D de pièces de fabrication haut de gamme telles que les équipements de transport ferroviaire domestique et l'aérospatiale. applications de fabrication de matériaux.
Les composants aérospatiaux modernes doivent répondre à une série d'exigences exigeantes telles que légèreté, hautes performances, haute fiabilité et faible coût, et la structure des composants est plus complexe et plus difficile à concevoir et à fabriquer. L'innovation et le développement de technologies clés pour la fabrication additive laser de composants à base d'aluminium, de titane et de nickel dans l'aérospatiale reflètent non seulement l'orientation du développement vers la légèreté et la haute performance dans la sélection des matériaux, mais mettent également en évidence la précision de la technologie de fabrication additive elle-même. , La tendance au développement de la forme nette peut réaliser la fabrication additive intégrée de matériau-structure-performance et la principale application d'ingénierie de la technologie de fabrication additive dans l'aérospatiale.