خيار ممتاز للتصنيع المضاف في الفضاء الراقي: سبائك التيتانيوم والألمنيوم

من وجهة نظر الاستكشاف العلمي والتطوير ، تحتاج الصناعة الحديثة إلى مواد هيكلية ذات قوة عالية ومتانة الكسر وصلابة ، مع تقليل الوزن قدر الإمكان.ولذلك، أصبحت السبائك عالية القوة خفيفة الوزن مثل التيتانيوم والألمنيوم والسبائك المقاومة للحرارة الحاملة مثل السبائك الفائقة القائمة على النيكل محور تركيز برامج البحث والتطوير للمواد الجديدة في مختلف البلدان.بالإضافة إلى ذلك ، هذه المواد هي أيضًا مواد تطبيق مهمة في تصنيع تعزيزات الليزر.

مزايا والاختلافات بين سبيكة التيتانيوم وسبيكة الألومنيوم:

تستخدم سبائك التيتانيوم وسبائك الألومنيوم على نطاق واسع في مجال الفضاء والسيارات والتصنيع الميكانيكي وغيرها من المجالات بسبب كثافتها المنخفضة الممتازة وقوتها الهيكلية.خاصة في صناعة الطيران ، فإنها تلعب دورًا مهمًا جدًا وهي المواد الهيكلية الرئيسية في صناعة الطيران.على الرغم من أن سبيكة التيتانيوم أثقل بنحو 2/3 من سبيكة الألومنيوم ، إلا أن قوتها الكامنة تعني أنه يمكن استخدام كمية أقل لتحقيق القوة المطلوبة.أصبحت سبيكة التيتانيوم مادة مهمة لتقليل تكلفة الوقود بسبب قوتها وكثافتها المنخفضة ، وتستخدم على نطاق واسع في محركات الطائرات النفاثة وجميع أنواع المركبات الفضائية.سبيكة الألومنيوم هي المواد الخفيفة الوزن الأكثر استخداما على نطاق واسع والأكثر شيوعا للسيارات في الوقت الحاضر ، وكثافتها هي فقط 1/3 من كثافة الصلب.وقد أظهرت بعض الدراسات أن سبائك الألومنيوم يمكن أن تستخدم 540 كجم على الأكثر في السيارة بأكملها، وفي هذه الحالة ستفقد السيارة 40٪ من وزنها. Audi و Toyota وغيرها من العلامات التجارية للسيارات ذات الجسم الألومنيوم بالكامل هو مثال جيد.

نظرًا لأن كلا المادتين لهما قوة عالية وكثافة منخفضة ، يجب أخذ عوامل أخرى في الاعتبار عند اختيار السبائك.

في الحالات الحرجة حيث هناك حاجة إلى قوة عالية وانخفاض الوزن ، فإن كل غرام مهم ، ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى مكونات قوة أعلى ، فإن التيتانيوم هو الخيار الأفضل.لذلك ، تستخدم سبائك التيتانيوم في تصنيع الأجهزة الطبية / الزرع ، ومكونات الأقمار الصناعية المعقدة ، والتجهيزات والدعامات.

من حيث التكلفة ، فإن الألومنيوم هو المعدن الأكثر فعالية من حيث التكلفة للقطع أو الطباعة ثلاثية الأبعاد ، في حين أن تكلفة التيتانيوم أعلى ، ولكن الوقود الذي توفره أجزاء خفيفة الوزن للطائرات أو المركبات الفضائية سيجلب فوائد هائلة ، وستكون أجزاء سبيكة التيتانيوم لها عمر خدمة أطول.

من حيث الخصائص الحرارية ، تتمتع سبائك الألومنيوم بموصلية حرارية عالية وغالباً ما تستخدم لصنع المبردات ؛ لتطبيقات درجة الحرارة العالية ، فإن نقطة انصهار التيتانيوم العالية تجعلها أكثر ملاءمة ، تحتوي محركات الطيران على عدد كبير من أجزاء سبائك التيتانيوم.

التيتانيوم لديه أعلى توافق حيوي بسبب مقاومة التآكل ونشاط التفاعل المنخفض ، والذي يستخدم على نطاق واسع في مجال العلاج الطبي (مثل الأدوات الجراحية). Ti64 مقاوم أيضًا جيدًا للبيئات المالحة وغالباً ما يستخدم في التطبيقات البحرية.

تستخدم سبيكة الألومنيوم وسبيكة التيتانيوم على نطاق واسع في مجال الفضاء.سبيكة التيتانيوم لديها مزايا القوة العالية والكثافة المنخفضة (فقط حوالي 57 ٪ من الفولاذ).قوتها المحددة (القوة / الكثافة) أعلى بكثير من تلك المواد الهيكلية المعدنية الأخرى ، ويمكن إنتاج أجزاء ذات قوة وحدة عالية وصلابة جيدة وخفيفة الوزن.يستخدم سبيكة التيتانيوم في مكونات المحرك والهيكل العظمي والجلد والمحاميل وعتاد الهبوط للطائرة.بالإضافة إلى ذلك ، بالإشارة إلى البيانات ذات الصلة بتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد ، وجد أن سبيكة الألومنيوم مناسبة للعمل في بيئة أقل من 200 درجة مئوية.يمثل الألومنيوم المستخدم في جسم الطائرة إيرباص A380 أكثر من 1x3 ، في حين تستخدم C919 أيضًا عددًا كبيرًا من مواد سبائك الألومنيوم التقليدية عالية الأداء.تستخدم سبيكة الألومنيوم في جلد الطائرة ، وإطار التقسيم ، وضلع الجناح وأجزاء أخرى.

أصبحت سبيكة التيتانيوم واحدة من أغلى المواد المعدنية بسبب نقطة انصهارها العالية وصعبة المعالجة.ومع ذلك ، جذبت سبيكة التيتانيوم Ti6Al4V الكثير من الاهتمام في مجال الفضاء بسبب خفيفة الوزن والقوة العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية.تشمل نطاق تطبيقها الشفرات والألواح والأغلفة وأجزاء أخرى من مراوح المحركات والضواغط التي تعمل في قسم درجة الحرارة المنخفضة.يمكن أن يصل نطاق درجة حرارة العمل إلى 400-500 درجة مئوية.بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه أيضًا في تصنيع مكونات جسم الطائرة والكبسولة ، وهيكل محرك الصواريخ ومراكز دوار طائرات الهليكوبتر.ومع ذلك ، التيتانيوم ليس خيارًا مثاليًا في التطبيقات الكهربائية بسبب موصلته الضعيفة.على الرغم من السعر المرتفع نسبيًا لسبائك التيتانيوم ، لا يمكن استبدال مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل بمعادن خفيفة أخرى.

تستخدم سبائك الألومنيوم على نطاق واسع في الصناعة بسبب خصائصها الفيزيائية والميكانيكية الممتازة ، مثل الكثافة المنخفضة ، والقوة المحددة العالية ، ومقاومة التآكل القوية ، وقابلية التشكيل الجيدة ، وهلم جرا. ومع ذلك ، من وجهة نظر عملية تشكيل إضافة المواد ، كثافة سبائك الألومنيوم صغيرة ، وسيولة المسحوق ضعيفة نسبيا ، وتوحيد وضع على سرير مسحوق تشكيل SLM ضعيف ، أو استمرارية نقل المسحوق في عملية LMD ضعيفة ، لذلك هناك حاجة إلى دقة ودقة نظام وضع / تغذية المسحوق في معدات تصنيع تعزيز الليزر.

في الوقت الحاضر ، سبيكة الألومنيوم الرئيسية المستخدمة في إضافة المواد هي سبيكة Al-Si ، حيث تمت دراستها على نطاق واسع AlSi10Mg و AlSi12 مع سيولة جيدة.ومع ذلك ، نظرًا لأن سبيكة سلسلة Al-Si تنتمي إلى سبيكة الألومنيوم المصبوبة ، على الرغم من أنه يتم إعدادها من خلال عملية تصنيع تعزيز الليزر الأمثل ، إلا أن قوتها الشدية لا تزال من الصعب اختراق 400MPa ، مما يحد من استخدامه في المكونات الحاملة ذات أداء خدمة أعلى في مجال الفضاء وغيرها من المجالات.

تواجه مكونات الفضاء الحديثة سلسلة من المتطلبات الصارمة ، بما في ذلك خفيفة الوزن والأداء العالي والموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة.هذا النوع من الهياكل المعقدة من الصعب للغاية تصميم وتصنيع.من خلال ابتكار وتطوير تكنولوجيا تصنيع تعزيز الليزر للمكونات النموذجية المستندة إلى الألومنيوم والتيتانيوم والنيكل في مجال الفضاء ، لا يمكننا تحقيق خفيفة الوزن وعالية الأداء في اختيار المواد فحسب ، بل نعكس أيضًا اتجاه تطوير تكنولوجيا تشكيل الدقة والصافي.من خلال تحقيق التصنيع المتكامل لتعزيز الأداء المادي الهيكلي ، يمكننا تطبيق تكنولوجيا التصنيع التعزيزية على المشاريع الرئيسية في مجال الفضاء.