Alliages de titane et d'aluminium : d'excellentes options pour la fabrication additive dans le secteur aérospatial haut de gamme

Avantages et différences du titane et de l'aluminium
Les alliages d'aluminium et de titane, en raison de leur excellente faible densité et de leur résistance structurelle, sont utilisés dans un grand nombre d'applications dans l'aérospatiale, l'automobile et la construction de machines, qu'il s'agisse de l'impression 3D ou de l'usinage CNC, et sont particulièrement importants dans l'industrie aérospatiale, où ce sont les principaux matériaux de structure.
Le titane et l’aluminium sont tous deux légers, mais il existe quand même une différence entre les deux. Bien que le titane soit environ deux tiers plus lourd que l’aluminium, sa résistance inhérente signifie qu’une quantité beaucoup plus faible peut être utilisée pour obtenir la résistance requise. Les alliages de titane sont largement utilisés dans les moteurs d’avions et tous les types d’engins spatiaux, où leur résistance et leur faible densité réduisent les coûts de carburant. L'alliage d'aluminium, avec une densité d'un tiers seulement de celle de l'acier, est à ce stade le matériau le plus largement utilisé et le plus courant pour l'allégement automobile ; des études ont montré que l'alliage d'aluminium peut être utilisé jusqu'à 540 kg dans un véhicule complet, auquel cas la voiture perdra 40 % de son poids, et les carrosseries entièrement en aluminium d'Audi, de Toyota et d'autres véhicules de marque sont un bon exemple de cela.

Étant donné que les deux matériaux ont une résistance élevée et une faible densité, d’autres facteurs de différence doivent être pris en compte lors du choix de l’alliage à utiliser.
Résistance/Poids : Dans les situations critiques, chaque gramme d'une pièce compte, mais si un composant à résistance plus élevée est nécessaire, le titane est le meilleur choix. Pour cette raison, les alliages de titane sont utilisés dans la fabrication de dispositifs/implants médicaux, de composants satellites complexes, d'appareils et d'appareils orthodontiques, et bien plus encore.
Coût : L’aluminium est le métal le plus rentable à utiliser pour l’usinage ou l’impression 3D ; le titane coûte plus cher mais peut toujours générer un bond en valeur. Les économies de carburant réalisées sur un avion ou un vaisseau spatial grâce à des pièces plus légères rapporteront d'énormes dividendes, tandis que les pièces en titane dureront plus longtemps.
Propriétés thermiques : les alliages d'aluminium ont une conductivité thermique élevée et sont souvent utilisés pour fabriquer des radiateurs ; pour les applications à haute température, le point de fusion élevé du titane le rend encore plus adapté, et les moteurs d'avion contiennent un grand nombre de composants en alliage de titane.
Résistance à la corrosion : L’aluminium et le titane ont une excellente résistance à la corrosion.
La résistance à la corrosion et la faible réactivité du titane en font le métal le plus biocompatible et il est largement utilisé dans le domaine médical (par exemple, les instruments chirurgicaux). Le Ti64 résiste également bien aux environnements salins et est souvent utilisé dans les applications marines.

Les alliages d'aluminium et de titane sont tous deux très courants dans les applications aérospatiales. L'alliage de titane a une résistance élevée, une faible densité (seulement environ 57 % de l'acier) et la résistance spécifique (résistance/densité) est bien supérieure à celle des autres matériaux de structure métalliques, ce qui peut produire des pièces avec une résistance unitaire élevée, une bonne rigidité et un poids léger. Les composants de moteur d'avion, le squelette, la peau, les fixations et le train d'atterrissage peuvent être utilisés en alliages de titane. Référence de la technologie d'impression 3D pour vérifier les informations selon lesquelles l'alliage d'aluminium est adapté au travail dans un environnement inférieur à 200 degrés, le fuselage de l'Airbus A380 avec de l'aluminium représentait plus d'un tiers, le C919 utilisait également un grand nombre de matériaux conventionnels en alliage d'aluminium haute performance. . Les alliages d'aluminium peuvent être utilisés pour les revêtements d'avions, les cadres d'espacement, les nervures d'aile, etc.

Fabrication additive de titane et industrie aérospatiale
Comme indiqué dans le rapport Global Aerospace & Defence Industry Outlook 2019 publié par Deloitte, à mesure que l’industrie de l’aérospatiale et de la défense continue de croître, la demande de production augmentera également. Et lors de la conception pour des applications aérospatiales et de défense, la sélection des matériaux est essentielle. Pour les composants qui quittent le sol, il est essentiel de réduire le nombre de composants et le poids. Dans ces domaines, chaque gramme de perte de poids apporte des bénéfices significatifs.

Le titane a un point de fusion extrêmement élevé de plus de 1 600 degrés et est généralement difficile à usiner, ce qui est la principale raison pour laquelle il est plus cher que les autres métaux. Le Ti6Al4V est l'alliage de titane le plus largement utilisé. Il est non seulement léger, mais possède également haute résistance et résistance à la température, ce qui en a fait un matériau populaire dans les applications aérospatiales. Les applications courantes incluent des pièces telles que des pales, des disques et des magasins utilisés dans la fabrication de ventilateurs de moteur et de sections à basse température d'avions pressurisés fonctionnant dans la plage de température de 400-500 degrés, ainsi que dans la fabrication d'assemblages de fuselage et de capsules. , les carters de moteurs de fusée et les moyeux de pales de rotor d'hélicoptère. Cependant, malgré sa haute résistance aux températures élevées et à la corrosion, le titane a une mauvaise conductivité électrique, ce qui en fait un mauvais choix pour les applications électriques. Les alliages de titane sont également plus chers que d’autres métaux légers comme l’aluminium.

L'utilisation de la technologie de fabrication additive permet de réduire les coûts de traitement, de réduire le gaspillage de matières premières et présente des avantages économiques significatifs. Les alliages à base de titane constituent également le système d’alliage le plus systématique et le plus abouti pour la recherche sur la fabrication additive. Des composants en alliage de titane fabriqués de manière additive ont été utilisés comme structures porteuses dans le domaine de l'aviation. Selon l'enquête de référence sur la technologie d'impression 3D, l'American Aero Met Company a commencé à tester la fabrication de pièces d'essai de structure sous-porteuse en alliage de titane pour les avions de combat/attaque interarmées Boeing F/A-18E/F en petits lots en 2001, et a pris les devants dans la réalisation de l'application de pièces de structure de sous-palier en alliage de titane LMD sur les avions de vérification F/A-18 en 2002. Percée de l'Université d'aéronautique et d'astronautique de Pékin dans les technologies clés de fabrication additive laser en alliage de titane, alliage les propriétés mécaniques complètes sont bien plus que les pièces forgées, le développement d'un cadre en alliage de titane pour roulement principal à grande échelle et d'autres composants a été réalisé dans les applications d'installation aéronautique. L'Université polytechnique du Nord-Ouest a utilisé la technologie de fabrication additive laser pour COMAC afin de fabriquer la nervure centrale de l'aile de l'avion C919 sur le bord inférieur des échantillons de bande, d'une taille de 3,000 mm × 350 mm × 450 mm, d'une qualité de 196 kg.

Fabrication additive d’aluminium et industrie aérospatiale
Les alliages à base d'aluminium à faible densité, à résistance spécifique élevée, à haute résistance à la corrosion, à bonne formabilité, à bonnes propriétés physiques et mécaniques sont la classe de matériaux de structure non ferreux la plus largement utilisée dans l'industrie. Pour la fabrication additive au laser, les matériaux à base d'aluminium sont généralement des matériaux difficiles à traiter, ce qui est déterminé par ses propriétés physiques particulières (faible densité, faible absorption laser, conductivité thermique élevée et oxydation facile, etc.). Du point de vue du processus de formage par fabrication additive, la densité de l'alliage d'aluminium est faible, la fluidité de la poudre est relativement mauvaise, l'uniformité de la pose sur le lit de poudre de formage SLM est mauvaise ou la continuité du transport de poudre dans le processus LMD est mauvaise, de sorte que la précision et l'exactitude du système de pose/alimentation dans l'équipement de fabrication additive au laser doivent être élevées.
À l'heure actuelle, les alliages d'aluminium utilisés dans la fabrication additive sont principalement des alliages Al-Si, parmi lesquels AlSi10Mg et AlSi12 de bonne fluidité ont été largement étudiés. Cependant, en raison de la nature matérielle de l'alliage d'aluminium moulé en alliage Al-Si, bien que le processus de fabrication additive laser optimisé soit utilisé pour la préparation, la résistance à la traction est difficile à dépasser 400 MPa, ce qui limite son utilisation dans l'aérospatiale et d'autres domaines de service. exigences de performance des composants porteurs plus élevés.

Afin d'obtenir davantage de propriétés mécaniques plus élevées, de nombreuses entreprises et universités nationales et étrangères ont accéléré le rythme de la recherche et du développement ces dernières années, et un grand nombre d'alliages d'aluminium à haute résistance dédiés à la fabrication additive ont été répertoriés. Airbus pour les besoins de fabrication additive de pièces en alliage d'aluminium pour l'aviation, le développement de la première fabrication additive au monde de matériaux en poudre d'alliage d'aluminium à haute résistance Scalmalloy, résistance à la traction à température ambiante de 520 MPa, a été appliqué aux pièces de structure de cabine de l'avion A320 de la fabrication additive ; le développement des États-Unis Hughes Research Laboratories (HRL) d'un alliage d'aluminium à haute résistance pour l'impression 3D d'une résistance de plus de 600Mpa 7A77.60L, devenant ainsi le premier forgeage pour la fabrication additive. Plus de 600 Mpa, devenant ainsi le premier alliage d'aluminium à haute résistance équivalent au forgeage, pouvant être utilisé pour la fabrication additive, le Marshall Space Flight Center de la NASA a commencé à appliquer ce matériau à la production de pièces aérospatiales à grande échelle ; La référence en matière de technologie d'impression 3D a également signalé que la conception et le développement nationaux du CVRI d'un nouveau type d'impression 3D en alliage d'aluminium spécial à haute résistance, dépassant les limites du brevet Airbus, la résistance à la traction de la stabilité supérieure à 560 MPa, nettement meilleure que celle d'Airbus. Les performances d'impression de poudre d'alliage d'aluminium Scalmalloy® peuvent répondre aux besoins d'impression 3D des équipements de transport ferroviaire nationaux, de l'aérospatiale et d'autres pièces de fabrication haut de gamme, et le secteur aérospatial national a commencé les applications de fabrication additive d'alliage d'aluminium à haute résistance.