적층 제조에서의 티타늄과 알루미늄: 둘 중 선택

과학 및 개발 관점에서 현대 산업에는 달성 가능한 가장 낮은 중량에서 높은 강도, 파괴 인성 및 강성을 갖춘 구조 재료가 필요합니다. 따라서 티타늄 및 알루미늄과 같은 경량 고강도 합금과 니켈 기반 초합금과 같은 하중 지지 내열 합금은 국가 신소재 프로그램의 초점이며 — 이들 모두는 레이저 적층 제조에서 중요한 재료입니다.

티타늄과 알루미늄의 공유 케이스입니다

티타늄 및 알루미늄 합금은 낮은 밀도와 구조적 강도의 강도로 항공우주, 자동차 및 일반 기계에 널리 사용됩니다. 특히 항공기 산업에서는 주요 구조 재료입니다.

티타늄 합금이 주변에 있습니다 3 분의 2 더 무겁다 알루미늄보다 고유 강도가 높기 때문에 주어진 강도에 도달하는 데 필요한 재료가 적습니다. 저밀도에서의 강도 때문에 티타늄은 연료 비용을 줄이는 데 중요하며 제트 엔진과 우주선에 광범위하게 사용됩니다.

알루미늄은 오늘날 자동차 건설에 가장 널리 적용되고 가장 일반적인 경량화 재료로, 밀도는 강철의 약 3분의 1입니다. 발표된 연구에 따르면 최대 540 kg 알루미늄을 차량에 사용하면 약 1000m의 무게를 줄일 수 있습니다 40 %。 전체 알루미늄 차량 구조는 실제로 중량 절감의 가치가 무엇인지 보여주는 확립된 시연입니다.

둘이 갈라지는 곳

둘 다 강도가 높고 밀도가 낮기 때문에 다른 특성을 선택해야 합니다. 이를 결정하는 차이점은 다음과 같습니다

모든 그램이 중요한 강도

낮은 무게와 높은 강도가 모두 중요하고 가장 높은 강도가 필요한 중요한 응용 분야에서는 티타늄이 더 나은 선택입니다。 따라서 티타늄 합금은 의료 기기 및 임플란트, 복잡한 위성 구성 요소, 고정 장치 및 브래킷에 사용됩니다.

비용

알루미늄은 기계나 3D 프린팅에 가장 비용 효율적인 금속입니다. 티타늄은 더 비쌉니다. — 티타늄은 녹는점이 높고 가공이 어렵기 때문에 가장 비싼 금속 재료 중 하나입니다. 반론은 더 가벼운 항공기나 우주선이 절약한 연료가 서비스에 큰 이점을 제공하며 티타늄 합금 부품이 더 오래 지속된다는 것입니다.

열적 거동

알루미늄 합금은 열전도율이 높으며 일반적으로 방열판을 만드는 데 사용됩니다. 고온 응용 분야의 경우 티타늄의 높은 녹는점으로 인해 더 잘 맞으며 항공기 엔진에는 많은 수의 티타늄 합금 부품이 포함되어 있습니다.

실제로 알루미늄은 아래 서비스에 적합합니다 200 °C。 Ti-6Al-4V의 경우 팬 및 압축기 블레이드, 디스크 및 저온 섹션의 케이싱과 같은 엔진 구성 요소는 최대 작동 범위에서 작동합니다 400–500 °C。 합금은 기체 및 캡슐 부품, 로켓 엔진 케이스, 헬리콥터 로터 허브에도 사용됩니다.

부식 및 생물학적 거동

티타늄은 내식성과 낮은 반응성으로 인해 생체 적합성이 가장 높은 금속이므로 수술 기구와 같은 의료 응용 분야에서 널리 사용됩니다. Ti-6Al-4V 또한 염분 환경에 잘 저항하며 해양 응용 분야에 자주 사용됩니다.

알루미늄이 첨가제 제조 문제가 더 어려운 이유

알루미늄 기반 합금은 밀도가 낮고 비강도가 높으며 내식성이 강하고 성형성이 우수하여 업계에서 널리 사용됩니다. 하지만 첨가제 제조 공정의 관점에서, 알루미늄은 특별한 어려움을 나타냅니다: 밀도가 낮기 때문에 분말의 유동성이 상대적으로 낮습니다.

결과는 그 과정에서 직접적으로 나타납니다:

• 인 SLM, 파우더 베드가 덜 균일하게 퍼집니다
• 인 엘엠디, 분말 전달의 연속성은 신뢰성이 떨어집니다

두 효과 모두 발생합니다 재코팅 및 분말 공급 시스템의 정밀도와 정확성에 대한 요구가 높아졌습니다 레이저 첨가 제조 장비에서. 이는 재료 결함이 아닌 기계 성능 제약입니다—. 그러나 이를 위해 설계되어야 합니다.

적층 제조된 알루미늄의 강도 천장

현재 적층 제조에 사용되는 알루미늄 합금은 주로 다음과 같습니다 알-시 합금 및 자유 흐름 등급 AlSi10Mg 그리고 AlSi12 널리 연구되었습니다.

그러나 Al-Si 합금은 주조 합금입니다. 최적화된 레이저 첨가제 공정을 사용하더라도 인장 강도는 400MPa 이상으로 밀어내기가 여전히 어렵습니다。 이러한 한도는 항공우주 서비스 요구 사항이 더 까다로운 하중 지지 구조 구성 요소— 바로 티타늄이 계속해서 위치를 유지하는 곳에서의 사용을 제한합니다.

적층 제조가 제공해야 하는 것

현대 항공우주 부품은 요구 사항의 까다로운 조합에 직면해 있습니다: 경량, 고성능, 높은 신뢰성 및 저렴한 비용, 기존 수단으로 만들기가 매우 어려운 복잡한 구조 설계. 일반적인 알루미늄, 티타늄 및 니켈 기반 항공우주 부품의 레이저 적층 제조는 이러한 조합을 두 가지 방식으로 동시에 해결합니다:

• 재료 선택 가볍고 고성능 합금으로 전환
• 제조 정밀도와 거의 그물 모양을 향해 나아갑니다

재료, 구조 및 성능의 통합 적층 제조를 통해 이 기술을 주요 항공우주 엔지니어링 프로그램에 적용할 수 있습니다.

구매자를위한 실용적인 위치는 이것이다: 티타늄의 고온 능력과 내식성은 다른 경량 금속으로 대체 될 수 없으며 중량 대비 강도 성능은 벤치마크로 남아 있습니다. 무게, 온도 및 신뢰성이 모두 결합되는 도면에서 재료 선택은 일반적으로 티타늄 —에 결정되며 문제는 금속이 아닌 제조 경로가 됩니다.