基于前沿科學(xué)探索與發(fā)展的角度，Science曾刊文指出：現(xiàn)代工業(yè)要求結(jié)構(gòu)材料具有高的強(qiáng)度、斷裂韌性及剛度，同時(shí)盡可能減重。在這種情況下，以鋁、鈦為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金、Ni基高溫合金為代表的承載耐熱合金，成為各國新材料研發(fā)計(jì)劃中重點(diǎn)發(fā)展的材料之一，也是激光增材制造中重要的應(yīng)用材料。

       

       鈦和鋁的優(yōu)勢與區(qū)別

       鋁合金和鈦合金，由于出色的低密度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無論是使用3D打印或CNC加工，在航空航天、汽車、機(jī)械制造等領(lǐng)域都被大量應(yīng)用，尤其在航空工業(yè)中占有十分重要的地位，是航空工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料。

       鈦和鋁都很輕，但兩者還是有區(qū)別。盡管鈦的重量比鋁重約三分之二，但其固有強(qiáng)度意味著可以使用更少的量達(dá)到所需要的強(qiáng)度。鈦合金被廣泛用于飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和各類航天器，它的強(qiáng)度和低密度可降低燃料成本。鋁
合金的密度僅是鋼的三分之一，是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣、最為常見的汽車輕量化材料；曾有研究表明，鋁合金在整車中最多可以使用540kg，這樣的情況下汽車將減重40%，奧迪、豐田等品牌車輛的全鋁車身就是很好的例子。

       鋁和鈦的材料特性（來源：protolabs）

       由于兩種材料都具有高強(qiáng)度和低密度，因此在決定使用哪種合金時(shí)，必須考慮其他差異因素。

       強(qiáng)度/重量：在關(guān)鍵情況下，零件的每一克都很重要，但如果需要更高強(qiáng)度的部件，鈦是最好的選擇。正因如此，鈦合金被用于醫(yī)療器件/植入體、復(fù)雜衛(wèi)星組件、固定裝置和支架等的制造。

       成本：鋁是用于機(jī)加工或3D打印最具成本效益的金屬；鈦的成本雖高，但仍然可以推動(dòng)價(jià)值飛躍。輕質(zhì)零件給飛機(jī)或航天器節(jié)省的燃料將帶來巨大效益，同時(shí)鈦合金零件的使用壽命更長。

       熱性能：鋁合金具有很高的導(dǎo)熱率，常被用來制造散熱器；對于高溫應(yīng)用，鈦的高熔點(diǎn)使其更加適合，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中就包含大量的鈦合金部件。

       耐腐蝕性：鋁和鈦均具有出色的耐腐蝕性。

       鈦的耐腐蝕性和低反應(yīng)活性使其成為生物相容性最高的金屬，被廣泛用于醫(yī)療（如手術(shù)器械）領(lǐng)域。Ti64還可以很好地抵抗鹽分環(huán)境，并經(jīng)常用于海洋應(yīng)用。

       鋁合金和鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用都很很普遍。鈦合金的強(qiáng)度高、密度低（只有鋼的57%左右），比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制作出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等均可采用鈦合金。3D打印技術(shù)參考查閱資料發(fā)現(xiàn)，鋁合金適合在200℃以下的環(huán)境中工作，空客A380機(jī)身用的鋁材占到1/3以上，C919也大量采用了常規(guī)高性能鋁合金材料。飛機(jī)蒙皮、隔框、翼肋等均可采用鋁合金。

       飛機(jī)機(jī)身的主要材料：鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料、高溫合金

       鈦合金增材制造與航空航天業(yè)

       正如德勤發(fā)布的《2019年全球航空航天與國防工業(yè)展望》指出的那樣，隨著航空航天與國防工業(yè)的持續(xù)增長，生產(chǎn)需求也將繼續(xù)增長。而且，在為航空航天和國防應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，材料的選擇至關(guān)重要。對于離開地面的組件，減少組件數(shù)量和減輕重量甚為關(guān)鍵。在這些領(lǐng)域，每減少1g重量，都會(huì)帶來極大的收益。

       鈦的熔點(diǎn)極高，超過1600℃，同時(shí)也是典型的難加工材料，這是為什么它比其他金屬成本更高的主要原因。Ti6Al4V是目前用量最大的鈦合金材料，不僅重量輕，同時(shí)具有高強(qiáng)度和耐高溫性，這些特點(diǎn)使其在航空航天領(lǐng)域備受歡迎。常見的應(yīng)用包括用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)低溫段工作的葉片、盤、機(jī)匣等零件，工作溫度區(qū)間為400-500℃；還用于制造機(jī)身和太空艙組件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)箱以及直升機(jī)旋翼槳轂等。但是，盡管鈦具有很高的耐高溫和耐腐蝕性，但它的導(dǎo)電性較差，因此在電氣應(yīng)用中是不好的選擇。與其他輕質(zhì)金屬（如鋁）相比，鈦合金也更為昂貴。

       航空航天業(yè)中的鈦的用途正在擴(kuò)大，被用于制造艙門、機(jī)翼、起落架及發(fā)動(dòng)機(jī)組件

       采用增材制造技術(shù)有利于降低加工成本，減少原材料的浪費(fèi)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。鈦基合金也是目前增材制造研究最為系統(tǒng)和成熟的合金體系。增材制造鈦合金構(gòu)件已作為承力結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域獲得應(yīng)用。根據(jù)3D打印技術(shù)參考的調(diào)查，美國Aero Met公司2001年開始為波音F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)小批量試制鈦合金次承力結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，2002年率先實(shí)現(xiàn)LMD鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18驗(yàn)證機(jī)上的應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)突破鈦合金激光增材制造關(guān)鍵技術(shù)，合金綜合力學(xué)性能均顯著超過鍛件，研制的大型主承力鈦合金框等構(gòu)件，已實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。西北工業(yè)大學(xué)采用激光增材制造技術(shù)為中國商飛公司制造了C919飛機(jī)的中央翼肋上、下緣條樣件，尺寸達(dá)到了3000mm×350mm×450mm，質(zhì)量為196kg。

       

       北航3D打印的大型鈦合金主承力框已應(yīng)用于國產(chǎn)?？哲娦乱淮鷳?zhàn)斗機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)

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       鋁合金增材制造與航空航天業(yè)

       鋁基合金密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、成形性好，具有良好的物理特性和力學(xué)性能，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料。對于激光增材制造而言，鋁基材料是典型的難加工材料，這是由其特殊的物理性質(zhì)（低密度、低激光吸收率、高熱導(dǎo)率及易氧化等）決定的。從增材制造成形工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動(dòng)性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運(yùn)的連續(xù)性較差，故對激光增材制造裝備中鋪粉／送粉系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確性要求較高。

       目前應(yīng)用于增材制造的鋁合金主要為Al-Si合金，其中具有良好流動(dòng)性的AlSi10Mg和AlSi12得到了較廣泛的研究。但由于Al-Si系合金系鑄造鋁合金的材料本質(zhì)，雖然采用經(jīng)過優(yōu)化的激光增材制造工藝進(jìn)行制備，但抗拉強(qiáng)度很難突破400MPa，從而限制了其在航空航天等領(lǐng)域服役性能要求更高的承力構(gòu)件上的使用。

       鋁合金在飛機(jī)中的用量高達(dá)20%

       為進(jìn)一步獲得更高的力學(xué)性能，近年來國內(nèi)外眾多企業(yè)、高校均加快了研發(fā)步伐，一大批專用于增材制造的高強(qiáng)鋁合金獲得上市?？湛凸踞槍娇沼娩X合金零件增材制造需求，開發(fā)的世界上第一種增材制造專用高強(qiáng)鋁合金粉末材料Scalmalloy，室溫拉伸強(qiáng)度520MPa，已經(jīng)應(yīng)用于A320飛機(jī)機(jī)艙結(jié)構(gòu)零件的增材制造；美國休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL）開發(fā)的3D打印用高強(qiáng)7A77.60L鋁合金強(qiáng)度超過600Mpa，成為首個(gè)可用于增材制造的鍛造等效高強(qiáng)度鋁合金， NASA馬歇爾太空飛行中心已經(jīng)開始將這種材料應(yīng)用于大規(guī)模航空航天零部件的生產(chǎn)；3D打印技術(shù)參考還曾報(bào)道過國內(nèi)中車工業(yè)研究院設(shè)計(jì)研發(fā)的新型3D打印專用高強(qiáng)鋁合金，突破了空客的專利限制，拉伸強(qiáng)度穩(wěn)定超過560MPa，顯著優(yōu)于空客公司Scalmalloy®鋁合金粉末的打印性能，可滿足國內(nèi)軌道交通裝備和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，而且國內(nèi)航天部門也已經(jīng)開始了高強(qiáng)鋁合金增材制造應(yīng)用。

       空客使用Scalmalloy®3D打印機(jī)艙仿生隔斷

       結(jié)束語

       現(xiàn)代航空航天構(gòu)件需同時(shí)滿足輕量化、高性能、高可靠性、低成本等一系列苛刻要求，且構(gòu)件的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、設(shè)計(jì)制造難度更大。通過創(chuàng)新和發(fā)展航空航天典型鋁、鈦、鎳基構(gòu)件激光增材制造控形與控性關(guān)鍵技術(shù)，既體現(xiàn)了選材上輕量化、高性能的發(fā)展方向，又凸顯了增材制造技術(shù)本身精密化、凈成形的發(fā)展趨勢，可實(shí)現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)-性能的一體化增材制造以及增材制造技術(shù)在航空航天上的重大工程應(yīng)用。

        來源：半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備公眾號(hào)