من منظور الاستكشاف والتطوير العلمي، تتطلب الصناعة الحديثة مواد هيكلية ذات قوة عالية، وصلابة للكسر، وصلابة، مع تقليل الوزن. لذلك، أصبحت السبائك خفيفة الوزن وعالية القوة مثل التيتانيوم والألومنيوم، بالإضافة إلى السبائك الحاملة والمقاومة للحرارة مثل السبائك ذات درجة الحرارة العالية القائمة على النيكل، محورًا لبرامج البحث والتطوير الجديدة للمواد في مختلف البلدان. علاوة على ذلك، تعد هذه المواد أيضًا مواد تطبيقية مهمة في تصنيع إضافات الليزر.

المزايا والاختلافات بين سبائك التيتانيوم والألومنيوم:

تُستخدم سبائك التيتانيوم والألمنيوم على نطاق واسع في مجالات تصنيع الطيران والسيارات والآلات نظرًا لكثافتها المنخفضة الممتازة وقوتها الهيكلية. إنها تلعب دورًا مهمًا بشكل خاص في صناعة الطيران، حيث تعمل كمواد هيكلية أساسية لها. على الرغم من أن سبائك التيتانيوم أثقل بحوالي الثلثين من سبائك الألومنيوم، إلا أن قوتها المتأصلة تعني أنه يمكن استخدام مواد أقل لتحقيق القوة المطلوبة. تعتبر سبائك التيتانيوم، نظرًا لقوتها وكثافتها المنخفضة، مواد مهمة لتقليل تكاليف الوقود وتستخدم على نطاق واسع في محركات الطائرات النفاثة والمركبات الفضائية المختلفة. تعد سبائك الألومنيوم حاليًا المادة خفيفة الوزن الأكثر استخدامًا والأكثر شيوعًا في السيارات، حيث تبلغ كثافتها ثلث كثافة الفولاذ فقط. أظهرت الدراسات أنه يمكن استخدام سبائك الألومنيوم في ما يصل إلى 540 كجم من السيارة، مما يؤدي إلى تقليل الوزن بمقدار 40%. يعد الجسم المصنوع بالكامل من الألومنيوم المستخدم في المركبات من علامات تجارية مثل أودي وتويوتا مثالًا جيدًا.

وبما أن كلتا المادتين تمتلكان قوة عالية وكثافة منخفضة، فيجب أخذ عوامل أخرى في الاعتبار عند اختيار السبيكة.

في التطبيقات الهامة التي تتطلب قوة عالية ووزن منخفض، كل جرام مهم. ومع ذلك، بالنسبة للمكونات التي تتطلب قوة أعلى، فإن التيتانيوم هو الخيار الأفضل. لذلك، يتم استخدام سبائك التيتانيوم لتصنيع الأجهزة/الزراعات الطبية، ومكونات الأقمار الصناعية المعقدة، وأجهزة التثبيت، والدعامات.

من حيث التكلفة، يعد الألومنيوم المعدن الأكثر فعالية من حيث التكلفة في التصنيع أو الطباعة ثلاثية الأبعاد؛ في حين أن التيتانيوم أكثر تكلفة، فإن توفير الوقود من الأجزاء خفيفة الوزن في الطائرات أو المركبات الفضائية كبير، كما أن أجزاء سبائك التيتانيوم لها عمر أطول.

فيما يتعلق بالخصائص الحرارية، تتمتع سبائك الألومنيوم بموصلية حرارية عالية وغالبًا ما تستخدم لتصنيع المشتتات الحرارية؛ بالنسبة لتطبيقات درجات الحرارة العالية، فإن نقطة الانصهار العالية للتيتانيوم تجعله أكثر ملاءمة، وتحتوي المحركات الهوائية على عدد كبير من مكونات سبائك التيتانيوم.

مقاومة التيتانيوم للتآكل وتفاعله المنخفض تجعله واحدًا من أكثر المعادن توافقًا حيويًا، ويستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الطبية (مثل الأدوات الجراحية). يقاوم Ti64 أيضًا البيئات المالحة جيدًا ويستخدم بشكل متكرر في التطبيقات البحرية.

في مجال الطيران، يتم استخدام كل من سبائك الألومنيوم والتيتانيوم على نطاق واسع. تمتلك سبائك التيتانيوم مزايا القوة العالية والكثافة المنخفضة (حوالي 57% فقط من الفولاذ)، مع قوة محددة (قوة/كثافة) تتجاوز بكثير تلك الموجودة في المواد الهيكلية المعدنية الأخرى، مما يسمح بإنتاج أجزاء ذات قوة وحدة عالية، وصلابة جيدة، وخفيفة الوزن. علاوة على ذلك، تكشف الأبحاث حول تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد أن سبائك الألومنيوم مناسبة للتشغيل في البيئات الأقل من 200؟. يستخدم جسم الطائرة Airbus A380 الألومنيوم لأكثر من ثلث هيكله، ويستخدم C919 أيضًا سبائك الألومنيوم التقليدية عالية الأداء على نطاق واسع. تستخدم جلود الطائرات والحواجز وأضلاع الأجنحة سبائك الألومنيوم.

أصبحت سبائك التيتانيوم، بسبب نقطة انصهارها العالية وخصائصها التي يصعب تصنيعها، واحدة من أغلى المواد المعدنية. ومع ذلك، فإن الوزن الخفيف والقوة العالية ومقاومة درجات الحرارة العالية لسبائك التيتانيوم Ti6Al4V جعلتها مطلوبة بشدة في مجال الطيران. وتشمل تطبيقاتها الشفرات والأقراص والأغلفة لمراوح المحرك والضواغط التي تعمل في نطاق درجات الحرارة المنخفضة، مع نطاق درجة حرارة التشغيل من 400-500؟. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامه لتصنيع مكونات جسم الطائرة والمركبات الفضائية، وأغطية محركات الصواريخ، ومحاور دوار طائرات الهليكوبتر. ومع ذلك، نظرًا لضعف التوصيل الكهربائي، فإن التيتانيوم ليس خيارًا مثاليًا للتطبيقات الكهربائية. على الرغم من أن سبائك التيتانيوم باهظة الثمن نسبيًا، إلا أن مقاومتها لدرجات الحرارة العالية ومقاومتها للتآكل لا يمكن تعويضها بواسطة معادن أخرى خفيفة الوزن.

تمتلك السبائك القائمة على الألومنيوم خواص فيزيائية وميكانيكية ممتازة مثل الكثافة المنخفضة، والقوة النوعية العالية، والمقاومة القوية للتآكل، وقابلية التشكيل الجيدة، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في الصناعة. ومع ذلك، من منظور عمليات التصنيع المضافة، تتمتع سبائك الألومنيوم بكثافة منخفضة نسبيًا وقابلية تدفق مسحوق ضعيفة نسبيًا، مما يؤدي إلى ضعف التوحيد في وضع طبقة المسحوق أثناء SLM (تصنيع الليزر أحادي الطبقة) أو ضعف استمرارية نقل المسحوق أثناء LMD (تصنيع إضافات الليزر). لذلك، هناك حاجة إلى دقة ودقة عالية لنظام وضع/تغذية المسحوق في معدات تصنيع إضافات الليزر.

حاليًا، سبائك الألومنيوم المستخدمة في التصنيع الإضافي هي بشكل أساسي سبائك Al-Si، ومن بينها AlSi10Mg وAlSi12، مع قابليتها للتدفق الجيد، تمت دراستها على نطاق واسع. ومع ذلك، نظرًا لأن سبائك السي هي سبائك الألومنيوم المصبوب، حتى مع عمليات التصنيع المضافة بالليزر المحسنة، فإن قوة الشد الخاصة بها تظل صعبة تجاوز 400 ميجا باسكال، مما يحد من استخدامها في المكونات الحاملة ذات متطلبات الأداء الأعلى في الفضاء الجوي والمجالات الأخرى.

تواجه مكونات الطيران الحديثة سلسلة من المتطلبات الصارمة، بما في ذلك الوزن الخفيف والأداء العالي والموثوقية العالية والتكلفة المنخفضة. يعد تصميم وتصنيع مثل هذه الهياكل المعقدة أمرًا صعبًا للغاية. من خلال ابتكار وتطوير تقنيات التصنيع المضافة بالليزر لمكونات الطيران النموذجية القائمة على الألومنيوم والتيتانيوم والنيكل، لا يمكننا فقط تحقيق اختيار مواد خفيفة الوزن وعالية الأداء ولكن أيضًا عكس الاتجاه نحو التصنيع الدقيق والشكل الصافي في تكنولوجيا التصنيع الإضافي. ومن خلال تحقيق التصنيع الإضافي المتكامل للمواد والهيكل والأداء، يمكننا تطبيق تكنولوجيا التصنيع الإضافي على المشاريع الهندسية الكبرى في مجال الطيران.