铝和钛：航空航天增材制造的绝佳选择
在前期文章中，3D打印技术参考曾介绍了以Inconel 718为代表的镍基合金，本期我们来了解钛合金和铝合金。
铝合金和钛合金，由于出色的低密度和结构强度，无论是使用3D打印或CNC加工，在航空航天、汽车、机械制造等领域都被大量应用，尤其在航空工业中占有十分重要的地位，是航空工业的主要结构材料。
钛和铝都很轻，但两者还是有区别。尽管钛的重量比铝重约三分之二，但其固有强度意味着可以使用更少的量达到所需要的强度。钛合金被广泛用于飞机喷气发动机和各类航天器，它的强度和低密度可降低燃料成本。铝合金的密度仅是钢的三分之一，是现阶段应用最广、最为常见的汽车轻量化材料；曾有研究表明，铝合金在整车中最多可以使用540kg，这样的情况下汽车将减重40%，奥迪、丰田等品牌车辆的全铝车身就是很好的例子。
铝和钛的材料特性（来源：protolabs）
由于两种材料都具有高强度和低密度，因此在决定使用哪种合金时，必须考虑其他差异因素。
强度/重量：在关键情况下，零件的每一克都很重要，但如果需要更高强度的部件，钛是最好的选择。正因如此，钛合金被用于医疗器件/植入体、复杂卫星组件、固定装置和支架等的制造。
成本：铝是用于机加工或3D打印最具成本效益的金属；钛的成本虽高，但仍然可以推动价值飞跃。轻质零件给飞机或航天器节省的燃料将带来巨大效益，同时钛合金零件的使用寿命更长。
热性能：铝合金具有很高的导热率，常被用来制造散热器；对于高温应用，钛的高熔点使其更加适合，航空发动机中就包含大量的钛合金部件。
耐腐蚀性：铝和钛均具有出色的耐腐蚀性。
钛的耐腐蚀性和低反应活性使其成为生物相容性最高的金属，被广泛用于医疗（如手术器械）领域。Ti64还可以很好地抵抗盐分环境，并经常用于海洋应用。
铝合金和钛合金在航空航天领域应用都很很普遍。钛合金的强度高、密度低（只有钢的57%左右），比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，可制作出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等均可采用钛合金。3D打印技术参考查阅资料发现，铝合金适合在200℃以下的环境中工作，空客A380机身用的铝材占到1/3以上，C919也大量采用了常规高性能铝合金材料。飞机蒙皮、隔框、翼肋等均可采用铝合金。
飞机机身的主要材料：铝合金、钛合金、复合材料、高温合金
正如德勤发布的《2019年全球航空航天与国防工业展望》指出的那样，随着航空航天与国防工业的持续增长，生产需求也将继续增长。而且，在为航空航天和国防应用设计时，材料的选择至关重要。对于离开地面的组件，减少组件数量和减轻重量甚为关键。在这些领域，每减少1g重量，都会带来极大的收益。
钛的熔点极高，超过1600℃，同时也是典型的难加工材料，这是为什么它比其他金属成本更高的主要原因。Ti6Al4V是目前用量最大的钛合金材料，不仅重量轻，同时具有高强度和耐高温性，这些特点使其在航空航天领域备受欢迎。常见的应用包括用于制造发动机风扇和压气机低温段工作的叶片、盘、机匣等零件，工作温度区间为400-500℃；还用于制造机身和太空舱组件、火箭发动机箱以及直升机旋翼桨毂等。但是，尽管钛具有很高的耐高温和耐腐蚀性，但它的导电性较差，因此在电气应用中是不好的选择。与其他轻质金属（如铝）相比，钛合金也更为昂贵。
采用增材制造技术有利于降低加工成本，减少原材料的浪费，具有显著的经济优势。钛基合金也是目前增材制造研究最为系统和成熟的合金体系。增材制造钛合金构件已作为承力结构在航空领域获得应用。根据3D打印技术参考的调查，美国Aero Met公司2001年开始为波音F/A-18E/F 舰载联合歼击/攻击机小批量试制钛合金次承力结构试验件，2002年率先实现LMD钛合金次承力结构件在F/A-18验证机上的应用。北京航空航天大学突破钛合金激光增材制造关键技术，合金综合力学性能均显著超过锻件，研制的大型主承力钛合金框等构件，已实现在飞机上的装机应用。西北工业大学采用激光增材制造技术为中国商飞公司制造了C919飞机的中央翼肋上、下缘条样件，尺寸达到了3000mm×350mm×450mm，质量为196kg。
铝基合金密度低、比强度高、耐腐蚀性强、成形性好，具有良好的物理特性和力学性能，是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。对于激光增材制造而言，铝基材料是典型的难加工材料，这是由其特殊的物理性质（低密度、低激光吸收率、高热导率及易氧化等）决定的。从增材制造成形工艺角度看，铝合金的密度较小，粉体流动性相对较差，在SLM成形粉床上铺放的均匀性较差或在LMD过程中粉末输运的连续性较差，故对激光增材制造装备中铺粉／送粉系统的精度及准确性要求较高。
目前应用于增材制造的铝合金主要为Al-Si合金，其中具有良好流动性的AlSi10Mg和AlSi12得到了较广泛的研究。但由于Al-Si系合金系铸造铝合金的材料本质，虽然采用经过优化的激光增材制造工艺进行制备，但抗拉强度很难突破400MPa，从而限制了其在航空航天等领域服役性能要求更高的承力构件上的使用。
铝合金在飞机中的用量高达20%
为进一步获得更高的力学性能，近年来国内外众多企业、高校均加快了研发步伐，一大批专用于增材制造的高强铝合金获得上市。空客公司针对航空用铝合金零件增材制造需求，开发的世界上第一种增材制造专用高强铝合金粉末材料Scalmalloy，室温拉伸强度520MPa，已经应用于A320飞机机舱结构零件的增材制造；美国休斯研究实验室（HRL）开发的3D打印用高强7A77.60L铝合金强度超过600Mpa，成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金， NASA马歇尔太空飞行中心已经开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产；3D打印技术参考还曾报道过国内中车工业研究院设计研发的新型3D打印专用高强铝合金，突破了空客的专利限制，拉伸强度稳定超过560MPa，显著优于空客公司Scalmalloy®铝合金粉末的打印性能，可满足国内轨道交通装备和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，而且国内航天部门也已经开始了高强铝合金增材制造应用。
现代航空航天构件需同时满足轻量化、高性能、高可靠性、低成本等一系列苛刻要求，且构件的结构更为复杂、设计制造难度更大。通过创新和发展航空航天典型铝、钛、镍基构件激光增材制造控形与控性关键技术，既体现了选材上轻量化、高性能的发展方向，又凸显了增材制造技术本身精密化、净成形的发展趋势，可实现材料-结构-性能的一体化增材制造以及增材制造技术在航空航天上的重大工程应用。
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