알루미늄 및 티타늄: 항공우주 적층 제조를 위한 탁월한 선택

사이언스는 첨단 과학 탐사 및 개발의 관점에서 현대 산업은 구조 재료가 높은 강도, 파괴 인성 및 강성을 가져야 함과 동시에 가능한 한 무게를 줄이는 것을 요구한다는 기사를 발표한 적이 있습니다. 이 경우 알루미늄과 티타늄으로 대표되는 경량 고강도 합금과 Ni기 초합금으로 대표되는 내하중 내열합금이 다양한 분야의 신소재 연구개발 계획에서 개발된 핵심 소재 중 하나가 되었습니다. 국가 및 레이저 적층 제조 과정에 있습니다. 중요한 응용 재료.

티타늄과 알루미늄의 장점과 차이점

알루미늄 합금 및 티타늄 합금은 우수한 저밀도 및 구조적 강도로 인해 항공 우주, 자동차, 기계 제조 및 기타 분야, 특히 항공 산업에서 3D 인쇄 또는 CNC 가공을 사용하는지 여부에 관계없이 널리 사용됩니다. 항공 산업의 주요 구조 재료입니다.

티타늄과 알루미늄은 모두 가볍지만 둘 사이에는 여전히 차이가 있습니다. 티타늄은 알루미늄보다 약 2/3 정도 무겁지만 고유한 강도로 인해 필요한 강도를 더 적게 사용하여 얻을 수 있습니다. 티타늄 합금은 항공기 제트 엔진 및 다양한 유형의 우주선에 널리 사용되며 강도와 밀도가 낮아 연료 비용을 절감할 수 있습니다. 알루미늄 합금의 밀도는 강철의 3분의 1에 불과하며 현 단계에서 가장 널리 사용되는 자동차 경량 소재입니다. 연구에 따르면 알루미늄 합금은 최대 540kg의 차량에 사용할 수 있습니다. 무게가 40% 감소한 Audi, Toyota 및 기타 브랜드 차량의 전체 알루미늄 차체가 좋은 예입니다.

알루미늄과 티타늄의 물성

두 재료 모두 강도가 높고 밀도가 낮기 때문에 사용할 합금을 결정할 때 다른 차이점을 고려해야 합니다.

강도/무게: 중요한 상황에서는 부품의 모든 그램이 중요하지만 더 높은 강도의 부품이 필요한 경우 티타늄이 최선의 선택입니다. 이러한 이유로 티타늄 합금은 의료 기기/임플란트, 복잡한 위성 어셈블리, 고정 장치 및 스텐트 등의 제조에 사용됩니다.

비용: 알루미늄은 가공이나 3D 프린팅에 가장 비용 효율적인 금속입니다. 티타늄은 비싸지 만 여전히 가치를 높일 수 있습니다. 항공기나 우주선을 위한 경량 부품의 연료 절약은 엄청나지만 티타늄 부품은 더 오래 지속됩니다.

열적 특성: 알루미늄 합금은 열전도율이 높아 라디에이터를 만드는 데 자주 사용됩니다. 고온 응용 분야의 경우 티타늄의 높은 융점으로 인해 더 적합하며 항공 엔진에는 많은 수의 티타늄 합금 구성 요소가 포함됩니다.

내식성: 알루미늄과 티타늄 모두 내식성이 우수합니다.

티타늄은 내식성과 반응성이 낮아 생체에 가장 적합한 금속으로 외과용 기구와 같은 의료용으로 널리 사용됩니다. Ti64는 염분 환경에도 잘 견디며 해양 분야에서 자주 사용됩니다.

알루미늄 합금 및 티타늄 합금은 항공 우주 분야에서 매우 일반적입니다. 티타늄 합금은 강도가 높고 밀도가 낮으며(강의 약 57%에 불과) 비강도(강도/밀도)가 다른 금속 구조 재료보다 훨씬 큽니다. 높은 단위강도, 우수한 강성, 경량의 부품을 생산할 수 있습니다. 티타늄 합금은 항공기 엔진 부품, 골격, 스킨, 패스너 및 착륙 장치에 사용할 수 있습니다. 3D 프린팅 기술 참조 데이터에 따르면 알루미늄 합금은 섭씨 200도 미만의 환경에서 작업하기에 적합합니다. 에어버스 A380 바디에 사용된 알루미늄 소재는 1/3 이상을 차지하며 C919도 기존의 높은 성능 알루미늄 합금 재료. 항공기 스킨, 격벽, 리브 등은 알루미늄 합금으로 만들 수 있습니다.

티타늄 적층 제조 및 항공우주 산업

딜로이트가 발간한 2019년 글로벌 항공우주 및 방위산업 전망(Global Aerospace and Defense Industry Outlook)에서 지적한 바와 같이 항공우주 및 방위산업이 지속적으로 성장함에 따라 생산 수요도 증가할 것입니다. 그리고 항공우주 및 방위 산업을 위해 설계할 때 재료 선택이 매우 중요합니다. 기성 부품의 경우 부품 수와 무게를 줄이는 것이 중요합니다. 이러한 영역에서는 체중이 1g 감소할 때마다 큰 이점을 얻을 수 있습니다.

티타늄은 녹는점이 1600도 이상으로 매우 높으며 일반적으로 가공이 어려운 소재이기도 하여 다른 금속에 비해 고가입니다. Ti6Al4V는 현재 가장 널리 사용되는 티타늄 합금 소재입니다. 무게가 가벼울 뿐만 아니라 높은 강도와 ​​고온 저항성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 항공 우주 분야에서 매우 인기가 있습니다. 일반적인 응용 분야에는 작동 온도 범위가 400-500도인 엔진 팬 및 압축기의 저온 섹션용 블레이드, 디스크, 케이싱 및 기타 부품 제조가 포함됩니다. 기체 및 캡슐 부품, 로켓 엔진 케이스 및 헬리콥터 로터 허브 등의 제조에도 사용됩니다. 그러나 고온 및 내식성에도 불구하고 티타늄은 전기 전도성이 좋지 않아 전기 응용 분야에 적합하지 않습니다. 티타늄은 또한 알루미늄과 같은 다른 경량 금속에 비해 비쌉니다.

항공 우주 산업에서 티타늄의 사용

적층 제조 기술의 사용은 가공 비용과 원자재 낭비를 줄이는 데 도움이 되며 이는 상당한 경제적 이점이 있습니다. 티타늄 기반 합금은 적층 제조 연구를 위한 가장 체계적이고 성숙한 합금 시스템이기도 합니다. 적층 제조된 티타늄 합금 부품은 항공 우주 분야에서 하중 지지 구조로 사용되었습니다. 3D 프린팅 기술 참조 조사에 따르면 미국 Aero Met Company는 Boeing F/A-18E/F 항공모함 기반 복합 전투기/공격용 티타늄 합금 부하중 구조 시험편 생산을 시작했습니다. 2001년 항공기 소량 생산, 2002년 LMD 티타늄 합금 구현에 앞장서고 있습니다. F/A 검증 기계에 2차 하중 지지 구조 부품 적용. Beijing University of Aeronautics and Astronautics는 티타늄 합금의 레이저 적층 제조의 핵심 기술에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 합금의 포괄적인 기계적 특성은 단조품의 기계적 특성을 훨씬 능가합니다. 대규모 메인 베어링 티타늄 합금 프레임 및 기타 개발된 부품이 항공기에 설치 및 적용되었습니다. Northwestern Polytechnical University는 레이저 적층 제조 기술을 사용하여 COMAC용 C919 항공기 중앙 날개 리브의 상단 및 하단 가장자리 스트립 샘플을 제작했으며, 크기는 3000mm×350mm×450mm, 질량은 196kg입니다.

알루미늄 기반 합금은 밀도가 낮고 비강도가 높으며 내식성이 강하고 성형성이 좋으며 물리적 및 기계적 특성이 좋습니다. 업계에서 가장 널리 사용되는 비철금속 구조재입니다. 레이저 적층 제조의 경우 알루미늄 기반 재료는 일반적으로 기계 가공이 어려운 재료로 특수 물리적 특성(저밀도, 낮은 레이저 흡수율, 높은 열전도율, 쉬운 산화 등)에 의해 결정됩니다. 적층 제조 성형 공정의 관점에서 볼 때 알루미늄 합금의 밀도가 상대적으로 작고 분말 유동성이 상대적으로 불량하거나 SLM 형성 분말 베드에 누워 균일성이 불량하거나 LMD에서 분말 운송의 연속성이 프로세스가 열악합니다. 따라서 레이저 적층 제조 장비에서 분말 살포/분말 공급 시스템의 정밀도와 정확도는 상대적으로 높습니다.

현재 적층 가공에 사용되는 알루미늄 합금은 주로 Al-Si 합금이며, 그 중 유동성이 좋은 AlSi10Mg와 AlSi12가 널리 연구되고 있다. 그러나 Al-Si 합금 주조 알루미늄 합금의 재질 특성으로 인해 최적화된 레이저 적층 제조 공정으로 제조되지만 인장 강도가 400MPa를 초과하기 어려워 항공 우주 및 기타 분야에서의 사용 성능이 제한됩니다. 고하중 부재에 사용하십시오.

항공기에 사용되는 알루미늄 합금의 양은 20%에 달합니다.

더 높은 기계적 특성을 더 얻기 위해 국내외 많은 기업과 대학이 최근 몇 년 동안 연구 개발 속도를 가속화했으며 적층 제조 전용 고강도 알루미늄 합금이 많이 나열되었습니다. 에어버스는 A320 항공기 객실 구조 부품의 적층가공에 적용된 상온 인장강도 520MPa의 세계 최초 적층가공용 고강도 알루미늄 합금 분말 소재인 스칼말로이(Scalmalloy)를 개발했다. 미국 휴즈연구소(HRL)가 개발한 3D 프린팅용 고강도 7A77.60L 알루미늄 합금의 강도가 600Mpa를 넘어 적층 가공에 사용할 수 있는 최초의 단조 등가 고강도 알루미늄 합금이 됐다. NASA Marshall Space Flight Center가 시작되었습니다. 이 재료는 대규모 항공 우주 부품 생산에 사용됩니다. 3D 프린팅 기술 레퍼런스는 에어버스의 특허 제한을 돌파한 3D 프린팅을 위해 국내 CRRC 산업연구원에서 설계·개발한 신형 고강도 알루미늄 합금도 보고했다. 안정성은 560MPa를 초과하여 국내 철도 운송 장비 및 항공 우주와 같은 고급 제조 부품의 3D 인쇄 요구를 충족할 수 있는 Airbus Scalmalloy® 알루미늄 합금 분말의 인쇄 성능보다 훨씬 우수합니다. 재료 제조 응용 프로그램.

현대 항공우주 부품은 경량, 고성능, 높은 신뢰성, 저비용과 같은 일련의 까다로운 요구 사항을 충족해야 하며 부품 구조는 더 복잡하고 설계 및 제조가 더 어렵습니다. 항공 우주에서 알루미늄, 티타늄 및 니켈 기반 부품의 레이저 적층 제조를 위한 핵심 기술을 혁신하고 개발하는 것은 재료 선택에서 경량 및 고성능의 개발 방향을 반영할 뿐만 아니라 적층 제조 기술 자체의 정밀도를 강조합니다. , 그물 형상의 발전 추세는 재료-구조-성능의 통합 적층 제조 및 항공 우주 적층 제조 기술의 주요 엔지니어링 응용을 실현할 수 있습니다.