高端航空航天領(lǐng)域增材制造的絕佳選擇：鈦、鋁合金

來源：鈦業(yè)界

性能和成本是材料技術(shù)發(fā)展永恒的兩大驅(qū)動力，而輕量化、整體化、結(jié)構(gòu)功能一體化是飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的挑戰(zhàn)。在過去的幾十年里，諸如熱等靜壓、注塑成形、放電等離子燒結(jié)等近凈成形技術(shù)在鈦合金領(lǐng)域獲得了長足的進步，但氧含量、孔隙率等瓶頸問題依然沒有得到有效解決，因此制約了其在航空鈦合金結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用。

從科學(xué)探索與發(fā)展角度看，現(xiàn)代工業(yè)需要具有高強度、斷裂韌性和剛度，同時盡可能減輕重量的結(jié)構(gòu)材料。因此，鈦和鋁等輕質(zhì)高強合金以及Ni基高溫合金等承載耐熱合金成為了各國新材料研發(fā)計劃的焦點。此外，這些材料也是激光增材制造中的重要應(yīng)用材料。

鈦合金和鋁合金的優(yōu)勢與區(qū)別
鈦合金具有高比強度、比剛度和良好的耐腐蝕性能，滿足了飛機高機動性、高可靠性和長壽命的設(shè)計需要，其應(yīng)用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標志。

鈦合金和鋁合金因其出色的低密度和結(jié)構(gòu)強度而在航空航天、汽車、機械制造等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。尤其在航空工業(yè)中，它們扮演著十分重要的角色，是航空工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料。盡管鈦合金比鋁合金重約三分之二，但其固有強度意味著可以使用更少的量達到所需要的強度。鈦合金因其強度和低密度而成為降低燃料成本的重要材料，被廣泛用于飛機噴氣發(fā)動機和各類航天器。鋁合金是現(xiàn)階段應(yīng)用最廣、最常見的汽車輕量化材料，其密度僅是鋼的三分之一。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、豐田等品牌的車輛采用全鋁車身就是很好的例子。

由于兩種材料都具有高強度和低密度，因此在選擇合金時，必須考慮其他因素。

在需要高強度和低重量的關(guān)鍵情況下，每一克都很重要，但如果需要更高強度的部件，鈦是最好的選擇。因此，鈦合金被用于制造醫(yī)療器件/植入體、復(fù)雜衛(wèi)星組件、固定裝置和支架等。

成本方面，鋁是機加工或3D打印最具成本效益的金屬；而鈦的成本較高，但輕質(zhì)零件給飛機或航天器節(jié)省的燃料將帶來巨大效益，同時鈦合金零件的使用壽命更長。

在熱性能方面，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，鈦的高熔點使其更加適合，航空發(fā)動機中就包含大量的鈦合金部件。

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。

在航空航天領(lǐng)域，鋁合金和鈦合金都被廣泛應(yīng)用。鈦合金具有高強度和低密度（僅為鋼的57%左右）的優(yōu)點，其比強度（強度/密度）遠超過其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制作出單位強度高、剛性好、質(zhì)量輕的零部件。飛機中的發(fā)動機構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都采用了鈦合金。另外，3D打印技術(shù)參考查閱相關(guān)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機身使用的鋁材占到了1/3以上，而C919也大量采用了常規(guī)高性能鋁合金材料。飛機蒙皮、隔框、翼肋等部分都使用了鋁合金。

鈦合金由于其高熔點和難加工性質(zhì)，成為了成本最高的金屬材料之一。然而，Ti6Al4V鈦合金的輕量化、高強度和耐高溫特性使其在航空航天領(lǐng)域備受矚目。它的應(yīng)用范圍包括發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機低溫段工作的葉片、盤、機匣等零件，工作溫度區(qū)間可達400-500℃。此外，它還用于制造機身和太空艙組件、火箭發(fā)動機箱以及直升機旋翼槳轂等。然而，由于鈦的導(dǎo)電性較差，它在電氣應(yīng)用中并不是理想的選擇。盡管鈦合金價格相對較高，但它的耐高溫和耐腐蝕性是無法被其他輕質(zhì)金屬所取代的。

鋁基合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性強、成形性好等優(yōu)良物理特性和力學(xué)性能，因此在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。然而，從增材制造成形工藝角度看，鋁合金的密度較小，粉體流動性相對較差，在SLM成形粉床上鋪放的均勻性較差或在LMD過程中粉末輸運的連續(xù)性較差，因此對激光增材制造裝備中鋪粉／送粉系統(tǒng)的精度及準確性要求較高。

目前應(yīng)用于增材制造的鋁合金主要是Al-Si合金，其中具有良好流動性的AlSi10Mg和AlSi12得到了廣泛研究。然而，由于Al-Si系合金屬于鑄造鋁合金，盡管采用經(jīng)過優(yōu)化的激光增材制造工藝進行制備，但其抗拉強度仍難以突破400MPa，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。

現(xiàn)代航空航天構(gòu)件面臨著一系列嚴苛的要求，包括輕量化、高性能、高可靠性和低成本。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造難度極大。通過創(chuàng)新和發(fā)展航空航天典型鋁、鈦、鎳基構(gòu)件的激光增材制造技術(shù)，我們不僅可以實現(xiàn)選材上的輕量化和高性能化，而且可以體現(xiàn)增材制造技術(shù)的精密化和凈成形化發(fā)展趨勢。通過實現(xiàn)材料-結(jié)構(gòu)-性能的一體化增材制造，我們可以將增材制造技術(shù)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的重大工程。