एल्यूमिनियम और टाइटेनियम: एयरोस्पेस एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के लिए उत्कृष्ट विकल्प

अत्याधुनिक वैज्ञानिक अन्वेषण और विकास के परिप्रेक्ष्य के आधार पर, विज्ञान ने एक बार एक लेख प्रकाशित किया था जिसमें कहा गया था कि आधुनिक उद्योग को उच्च शक्ति, फ्रैक्चर क्रूरता और कठोरता के लिए संरचनात्मक सामग्री की आवश्यकता होती है, और साथ ही जितना संभव हो उतना वजन कम करना पड़ता है। इस मामले में, एल्यूमीनियम और टाइटेनियम द्वारा दर्शाए गए हल्के वजन वाले उच्च शक्ति वाले मिश्र धातु, और नी-आधारित सुपरऑलॉय द्वारा दर्शाए गए लोड-असर गर्मी प्रतिरोधी मिश्र धातु विभिन्न क्षेत्रों में नई सामग्रियों के अनुसंधान और विकास योजनाओं में विकसित प्रमुख सामग्रियों में से एक बन गए हैं। देश, और लेजर एडिटिव निर्माण की प्रक्रिया में भी हैं। महत्वपूर्ण लागू सामग्री।

टाइटेनियम और एल्यूमीनियम के बीच लाभ और अंतर

एल्यूमीनियम मिश्र धातु और टाइटेनियम मिश्र धातु, उनके उत्कृष्ट कम घनत्व और संरचनात्मक ताकत के कारण, एयरोस्पेस, ऑटोमोबाइल, मशीनरी निर्माण और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, चाहे वह 3 डी प्रिंटिंग या सीएनसी प्रसंस्करण का उपयोग कर रहा हो, विशेष रूप से विमानन उद्योग में। यह विमानन उद्योग की मुख्य संरचनात्मक सामग्री है।

टाइटेनियम और एल्यूमीनियम दोनों हल्के हैं, लेकिन दोनों के बीच अभी भी अंतर हैं। हालांकि टाइटेनियम एल्यूमीनियम की तुलना में लगभग दो-तिहाई भारी है, इसकी अंतर्निहित ताकत का मतलब है कि कम का उपयोग करके आवश्यक ताकत हासिल की जा सकती है। टाइटेनियम मिश्र धातुओं का व्यापक रूप से विमान जेट इंजन और विभिन्न प्रकार के अंतरिक्ष यान में उपयोग किया जाता है, और उनकी ताकत और कम घनत्व ईंधन की लागत को कम कर सकते हैं। एल्यूमीनियम मिश्र धातु का घनत्व स्टील के घनत्व का केवल एक तिहाई है, और यह इस स्तर पर ऑटोमोबाइल के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला और सामान्य हल्का पदार्थ है। अध्ययनों से पता चला है कि 540 किग्रा तक के वाहन में एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं का उपयोग किया जा सकता है। वजन में 40 प्रतिशत की कमी के साथ, ऑडी, टोयोटा और अन्य ब्रांड के वाहनों की पूरी-एल्यूमीनियम बॉडी एक अच्छा उदाहरण है।

एल्यूमीनियम और टाइटेनियम के भौतिक गुण

चूंकि दोनों सामग्रियों में उच्च शक्ति और कम घनत्व होता है, इसलिए किस मिश्र धातु का उपयोग करना तय करते समय अन्य अंतरों पर विचार किया जाना चाहिए।

ताकत / वजन: गंभीर परिस्थितियों में, एक भाग का प्रत्येक ग्राम मायने रखता है, लेकिन यदि एक उच्च शक्ति वाले हिस्से की आवश्यकता होती है, तो टाइटेनियम सबसे अच्छा विकल्प है। इस कारण से, टाइटेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग चिकित्सा उपकरणों/प्रत्यारोपण, जटिल उपग्रह असेंबलियों, जुड़नार और स्टेंट के निर्माण में किया जाता है।

लागत: मशीनिंग या 3डी प्रिंटिंग के लिए एल्युमिनियम सबसे अधिक लागत प्रभावी धातु है; टाइटेनियम महंगा है लेकिन फिर भी मूल्य में छलांग लगा सकता है। एक विमान या अंतरिक्ष यान के लिए हल्के भागों की ईंधन बचत बहुत अधिक होगी, जबकि टाइटेनियम के पुर्जे अधिक समय तक चलेंगे।

थर्मल विशेषताएं: एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में उच्च तापीय चालकता होती है और अक्सर रेडिएटर बनाने के लिए उपयोग की जाती है; उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए, टाइटेनियम का उच्च गलनांक इसे अधिक उपयुक्त बनाता है, और एयरो-इंजन में बड़ी संख्या में टाइटेनियम मिश्र धातु घटक होते हैं।

जंग प्रतिरोध: एल्यूमीनियम और टाइटेनियम दोनों में उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध है।

टाइटेनियम का संक्षारण प्रतिरोध और कम प्रतिक्रियाशीलता इसे सबसे अधिक जैव-संगत धातु बनाती है, और इसका व्यापक रूप से शल्य चिकित्सा उपकरणों जैसे चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। Ti64 नमकीन वातावरण का भी अच्छी तरह से विरोध करता है और अक्सर समुद्री अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में एल्यूमीनियम मिश्र और टाइटेनियम मिश्र धातु बहुत आम हैं। टाइटेनियम मिश्र धातु में उच्च शक्ति और कम घनत्व (स्टील का केवल 57 प्रतिशत) होता है, और इसकी विशिष्ट ताकत (ताकत/घनत्व) अन्य धातु संरचनात्मक सामग्री की तुलना में काफी अधिक होती है। यह उच्च इकाई शक्ति, अच्छी कठोरता और हल्के वजन वाले भागों का उत्पादन कर सकता है। टाइटेनियम मिश्र धातुओं का उपयोग विमान के इंजन घटकों, कंकाल, खाल, फास्टनरों और लैंडिंग गियर में किया जा सकता है। 3डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी संदर्भ डेटा में पाया गया कि एल्यूमीनियम मिश्र धातु 200 डिग्री सेल्सियस से नीचे के वातावरण में काम करने के लिए उपयुक्त हैं। एयरबस ए 380 बॉडी में इस्तेमाल होने वाली एल्यूमीनियम सामग्री 1/3 से अधिक है, और सी 919 भी बड़ी संख्या में पारंपरिक उच्च- प्रदर्शन एल्यूमीनियम मिश्र धातु सामग्री। विमान की खाल, बल्कहेड, पसलियां आदि एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं से बने हो सकते हैं।

टाइटेनियम एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग और एयरोस्पेस इंडस्ट्री

जैसा कि डेलॉइट द्वारा प्रकाशित 2019 ग्लोबल एयरोस्पेस एंड डिफेंस इंडस्ट्री आउटलुक बताता है, जैसे-जैसे एयरोस्पेस और रक्षा उद्योग बढ़ता जा रहा है, वैसे-वैसे उत्पादन की मांग भी बढ़ेगी। और, एयरोस्पेस और रक्षा अनुप्रयोगों के लिए डिजाइन करते समय, सामग्री चयन महत्वपूर्ण है। ऑफ-द-ग्राउंड घटकों के लिए, घटक संख्या और वजन को कम करना महत्वपूर्ण है। इन क्षेत्रों में, प्रत्येक 1 ग्राम वजन घटाने से बहुत लाभ हो सकता है।

टाइटेनियम में 1600 डिग्री से अधिक का एक अत्यंत उच्च गलनांक होता है, और यह आमतौर पर एक कठिन-से-मशीन सामग्री भी है, जो मुख्य कारण है कि यह अन्य धातुओं की तुलना में अधिक महंगा है। Ti6Al4V वर्तमान में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली टाइटेनियम मिश्र धातु सामग्री है। यह न केवल वजन में हल्का है, बल्कि इसमें उच्च शक्ति और उच्च तापमान प्रतिरोध भी है। ये विशेषताएं इसे एयरोस्पेस क्षेत्र में बहुत लोकप्रिय बनाती हैं। सामान्य अनुप्रयोगों में 400-500 डिग्री के ऑपरेटिंग तापमान रेंज के साथ इंजन के पंखे और कम्प्रेसर के निम्न-तापमान अनुभाग के लिए ब्लेड, डिस्क, केसिंग और अन्य भागों का निर्माण शामिल है; एयरफ्रेम और कैप्सूल घटकों, रॉकेट इंजन मामलों और हेलीकॉप्टर रोटर हब आदि के निर्माण में भी उपयोग किया जाता है। हालांकि, इसके उच्च तापमान और संक्षारण प्रतिरोध के बावजूद, टाइटेनियम में खराब विद्युत चालकता है, जिससे यह विद्युत अनुप्रयोगों के लिए एक खराब विकल्प बन जाता है। एल्यूमीनियम जैसी अन्य हल्की धातुओं की तुलना में टाइटेनियम भी अधिक महंगा है।

एयरोस्पेस उद्योग में टाइटेनियम का उपयोग

एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग टेक्नोलॉजी का उपयोग प्रसंस्करण लागत और कच्चे माल की बर्बादी को कम करने के लिए अनुकूल है, जिसके महत्वपूर्ण आर्थिक लाभ हैं। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग रिसर्च के लिए टाइटेनियम-आधारित मिश्र धातु भी सबसे व्यवस्थित और परिपक्व मिश्र धातु प्रणाली हैं। संयुक्त रूप से निर्मित टाइटेनियम मिश्र धातु घटकों का उपयोग एयरोस्पेस क्षेत्र में लोड-असर संरचनाओं के रूप में किया गया है। 3डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी संदर्भों के सर्वेक्षण के अनुसार, संयुक्त राज्य अमेरिका की एयरो मेट कंपनी ने बोइंग एफ/ए-18ई/एफ वाहक-आधारित संयुक्त लड़ाकू/हमले के लिए टाइटेनियम मिश्र धातु उप-लोड-असर संरचनात्मक परीक्षण टुकड़े का उत्पादन शुरू किया। 2001 में छोटे बैचों में विमान और 2002 में एलएमडी टाइटेनियम मिश्र धातु को साकार करने का बीड़ा उठाया। एफ / ए -18 सत्यापन मशीन पर माध्यमिक लोड-असर संरचनात्मक भागों का अनुप्रयोग। बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स ने टाइटेनियम मिश्र धातुओं के लेजर एडिटिव निर्माण की प्रमुख तकनीक में सफलता हासिल की है। मिश्र धातुओं के व्यापक यांत्रिक गुण फोर्जिंग से काफी अधिक हैं। बड़े पैमाने पर मुख्य असर वाले टाइटेनियम मिश्र धातु फ्रेम और विकसित अन्य घटकों को विमान पर स्थापित और लागू किया गया है। नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी ने COMAC के लिए C919 एयरक्राफ्ट के सेंट्रल विंग रिब के ऊपरी और निचले किनारे के स्ट्रिप सैंपल के निर्माण के लिए लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग टेक्नोलॉजी का इस्तेमाल किया, जिसका आकार 3000mm × 350mm × 450mm और 196kg का द्रव्यमान था।

एल्यूमीनियम-आधारित मिश्र धातुओं में कम घनत्व, उच्च विशिष्ट शक्ति, मजबूत संक्षारण प्रतिरोध, अच्छी फॉर्मैबिलिटी और अच्छे भौतिक और यांत्रिक गुण होते हैं। वे उद्योग में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली अलौह धातु संरचनात्मक सामग्री हैं। लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के लिए, एल्यूमीनियम-आधारित सामग्री आम तौर पर मुश्किल-से-मशीन सामग्री होती है, जो उनके विशेष भौतिक गुणों (कम घनत्व, कम लेजर अवशोषण, उच्च तापीय चालकता, आसान ऑक्सीकरण, आदि) द्वारा निर्धारित की जाती है। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग बनाने की प्रक्रिया के दृष्टिकोण से, एल्यूमीनियम मिश्र धातु का घनत्व अपेक्षाकृत छोटा है, पाउडर की तरलता अपेक्षाकृत खराब है, एसएलएम बनाने वाले पाउडर बेड पर बिछाने की एकरूपता खराब है, या एलएमडी में पाउडर परिवहन की निरंतरता है। प्रक्रिया खराब है। इसलिए, लेजर एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग इक्विपमेंट में पाउडर स्प्रेडिंग / पाउडर फीडिंग सिस्टम की सटीकता और सटीकता अपेक्षाकृत अधिक है।

वर्तमान में, योजक निर्माण में उपयोग किए जाने वाले एल्यूमीनियम मिश्र मुख्य रूप से अल-सी मिश्र हैं, जिनमें से अच्छी तरलता वाले AlSi10Mg और AlSi12 का व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है। हालांकि, अल-सी मिश्र धातु कास्ट एल्यूमीनियम मिश्र धातु की भौतिक प्रकृति के कारण, हालांकि यह एक अनुकूलित लेजर योजक निर्माण प्रक्रिया द्वारा तैयार किया गया है, तन्य शक्ति 400MPa से अधिक होना मुश्किल है, जो एयरोस्पेस और अन्य क्षेत्रों में इसकी सेवा के प्रदर्शन को सीमित करता है। उच्च भार वहन करने वाले सदस्यों पर उपयोग करें।

विमान में इस्तेमाल होने वाले एल्युमिनियम एलॉय की मात्रा 20 प्रतिशत तक होती है

उच्च यांत्रिक गुणों को और अधिक प्राप्त करने के लिए, देश और विदेश में कई कंपनियों और विश्वविद्यालयों ने हाल के वर्षों में अनुसंधान और विकास की गति को तेज किया है, और बड़ी संख्या में उच्च शक्ति वाले एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं को योजक निर्माण के लिए समर्पित किया गया है। एयरबस ने कमरे के तापमान पर 520MPa की तन्य शक्ति के साथ, एडिटिव निर्माण के लिए दुनिया की पहली उच्च-शक्ति एल्यूमीनियम मिश्र धातु पाउडर सामग्री, स्कैल्मालॉय विकसित की है, जिसे A320 विमान केबिन संरचनात्मक भागों के योगात्मक निर्माण के लिए लागू किया गया है। संयुक्त राज्य अमेरिका में ह्यूजेस रिसर्च लेबोरेटरी (HRL) द्वारा विकसित 3D प्रिंटिंग के लिए उच्च शक्ति वाले 7A77.60L एल्यूमीनियम मिश्र धातु की ताकत 600Mpa से अधिक है, जिससे यह पहला जाली समकक्ष उच्च शक्ति वाला एल्यूमीनियम मिश्र धातु है जिसका उपयोग एडिटिव निर्माण के लिए किया जा सकता है। नासा मार्शल स्पेस फ्लाइट सेंटर के लिए शुरू हो गया है इस सामग्री का उपयोग बड़े पैमाने पर एयरोस्पेस भागों के उत्पादन में किया जाता है; 3डी प्रिंटिंग प्रौद्योगिकी संदर्भ ने 3डी प्रिंटिंग के लिए घरेलू सीआरआरसी उद्योग अनुसंधान संस्थान द्वारा डिजाइन और विकसित एक नए प्रकार के उच्च शक्ति वाले एल्यूमीनियम मिश्र धातु की भी सूचना दी है, जो एयरबस के पेटेंट प्रतिबंधों को तोड़ता है। स्थिरता 560MPa से अधिक है, जो Airbus Scalmalloy® एल्यूमीनियम मिश्र धातु पाउडर के मुद्रण प्रदर्शन से काफी बेहतर है, जो घरेलू रेल ट्रांजिट उपकरण और एयरोस्पेस जैसे उच्च अंत विनिर्माण भागों की 3D प्रिंटिंग की जरूरतों को पूरा कर सकता है। सामग्री निर्माण अनुप्रयोग।

आधुनिक एयरोस्पेस घटकों को हल्के, उच्च प्रदर्शन, उच्च विश्वसनीयता और कम लागत जैसी मांग की आवश्यकताओं की एक श्रृंखला को पूरा करने की आवश्यकता होती है, और घटकों की संरचना अधिक जटिल और डिजाइन और निर्माण के लिए अधिक कठिन होती है। एयरोस्पेस में एल्युमिनियम, टाइटेनियम और निकल-आधारित घटकों के लेजर एडिटिव निर्माण के लिए प्रमुख तकनीकों का नवाचार और विकास, न केवल सामग्री चयन में हल्के और उच्च प्रदर्शन की विकास दिशा को दर्शाता है, बल्कि स्वयं एडिटिव निर्माण तकनीक की सटीकता को भी उजागर करता है। , शुद्ध आकार की विकास प्रवृत्ति सामग्री-संरचना-प्रदर्शन के एकीकृत योजक निर्माण और एयरोस्पेस में योजक विनिर्माण प्रौद्योगिकी के प्रमुख इंजीनियरिंग अनुप्रयोग का एहसास कर सकती है।