Desde una perspectiva de exploración y desarrollo científico, la industria moderna requiere materiales estructurales con alta resistencia, tenacidad a la fractura y rigidez, minimizando al mismo tiempo el peso. Por lo tanto, las aleaciones ligeras de alta resistencia, como el titanio y el aluminio, así como las aleaciones resistentes a la carga y al calor, como las aleaciones de alta temperatura a base de Ni, se han convertido en el foco de nuevos programas de investigación y desarrollo de materiales en varios países. Además, estos materiales también son importantes materiales de aplicación en la fabricación aditiva por láser.
Ventajas y diferencias entre aleaciones de titanio y aluminio:
El titanio y las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en los campos de la fabricación aeroespacial, automotriz y de maquinaria debido a su excelente baja densidad y resistencia estructural. Desempeñan un papel particularmente importante en la industria aeroespacial, sirviendo como sus principales materiales estructurales. Aunque las aleaciones de titanio son aproximadamente dos tercios más pesadas que las aleaciones de aluminio, su resistencia inherente significa que se puede utilizar menos material para lograr la resistencia requerida. Las aleaciones de titanio, debido a su resistencia y baja densidad, son materiales importantes para reducir los costos de combustible y se utilizan ampliamente en motores a reacción de aviones y diversas naves espaciales. Las aleaciones de aluminio son actualmente el material liviano más utilizado y común en los automóviles, con una densidad de sólo un tercio de la del acero. Los estudios han demostrado que las aleaciones de aluminio se pueden utilizar en hasta 540 kg de vehículo, lo que resulta en una reducción de peso de 40%. La carrocería totalmente de aluminio utilizada en vehículos de marcas como Audi y Toyota es un buen ejemplo.
Dado que ambos materiales poseen alta resistencia y baja densidad, se deben considerar otros factores al seleccionar una aleación.
En aplicaciones críticas que requieren alta resistencia y bajo peso, cada gramo importa. Sin embargo, para componentes que requieren una resistencia aún mayor, el titanio es la mejor opción. Por lo tanto, las aleaciones de titanio se utilizan para fabricar dispositivos/implantes médicos, componentes satelitales complejos, dispositivos de fijación y stents.
En términos de coste, el aluminio es el metal más rentable para mecanizar o imprimir en 3D; Si bien el titanio es más caro, el ahorro de combustible de las piezas ligeras de aviones o naves espaciales es significativo y las piezas de aleación de titanio tienen una vida útil más larga.
En cuanto a las propiedades térmicas, las aleaciones de aluminio tienen una alta conductividad térmica y se utilizan a menudo para fabricar disipadores de calor; para aplicaciones de alta temperatura, el alto punto de fusión del titanio lo hace más adecuado y los motores aeronáuticos contienen una gran cantidad de componentes de aleación de titanio.
La resistencia a la corrosión y la baja reactividad del titanio lo convierten en uno de los metales más biocompatibles, ampliamente utilizado en aplicaciones médicas (como instrumentos quirúrgicos). El Ti64 también resiste bien los ambientes salinos y se utiliza con frecuencia en aplicaciones marinas.
En el campo aeroespacial, se utilizan ampliamente tanto aleaciones de aluminio como de titanio. Las aleaciones de titanio poseen las ventajas de alta resistencia y baja densidad (sólo alrededor de 57% de acero), con una resistencia específica (resistencia/densidad) que supera con creces la de otros materiales estructurales metálicos, lo que permite la producción de piezas con alta resistencia unitaria, buena rigidez y peso ligero. Los componentes del motor, bastidores, revestimientos, sujetadores y trenes de aterrizaje de los aviones utilizan aleaciones de titanio. Además, la investigación sobre tecnología de impresión 3D revela que las aleaciones de aluminio son adecuadas para funcionar en entornos inferiores a 200?. El fuselaje del Airbus A380 utiliza aluminio para más de un tercio de su estructura, y el C919 también utiliza ampliamente aleaciones de aluminio convencionales de alto rendimiento. Los revestimientos, mamparos y nervaduras de las alas de los aviones utilizan aleaciones de aluminio.
Las aleaciones de titanio, debido a su alto punto de fusión y propiedades difíciles de mecanizar, se han convertido en uno de los materiales metálicos más caros. Sin embargo, la resistencia ligera, de alta resistencia y de alta temperatura de la aleación de titanio Ti6Al4V la ha hecho muy buscada en el campo aeroespacial. Sus aplicaciones incluyen palas, discos y carcasas para ventiladores y compresores de motores que funcionan en el rango de baja temperatura, con un rango de temperatura de funcionamiento de 400-500? Además, se utiliza para fabricar componentes de fuselaje y naves espaciales, carcasas de motores de cohetes y bujes de rotor de helicópteros. Sin embargo, debido a su mala conductividad eléctrica, el titanio no es una opción ideal para aplicaciones eléctricas. Aunque las aleaciones de titanio son relativamente caras, su resistencia a altas temperaturas y a la corrosión son insustituibles para otros metales ligeros.
Las aleaciones a base de aluminio poseen excelentes propiedades físicas y mecánicas, como baja densidad, alta resistencia específica, fuerte resistencia a la corrosión y buena conformabilidad, lo que las hace ampliamente utilizadas en la industria. Sin embargo, desde la perspectiva de los procesos de fabricación aditiva, las aleaciones de aluminio tienen una densidad relativamente baja y una fluidez del polvo relativamente pobre, lo que resulta en una uniformidad deficiente en la colocación del lecho de polvo durante SLM (fabricación con láser monocapa) o una continuidad deficiente del transporte de polvo durante LMD (fabricación con aditivos láser). Por lo tanto, se requiere alta precisión y exactitud para el sistema de colocación/alimentación de polvo en equipos de fabricación aditiva láser.
Actualmente, las aleaciones de aluminio utilizadas en la fabricación aditiva son principalmente aleaciones de Al-Si, entre las que se han estudiado ampliamente AlSi10Mg y AlSi12, con su buena fluidez. Sin embargo, debido a que las aleaciones de Al-Si son aleaciones de aluminio fundido, incluso con procesos optimizados de fabricación aditiva por láser, su resistencia a la tracción sigue siendo difícil de superar los 400 MPa, lo que limita su uso en componentes portantes con mayores requisitos de rendimiento en el sector aeroespacial y otros campos.
Los componentes aeroespaciales modernos enfrentan una serie de requisitos estrictos, que incluyen peso ligero, alto rendimiento, alta confiabilidad y bajo costo. El diseño y la fabricación de estructuras tan complejas son extremadamente desafiantes. Al innovar y desarrollar tecnologías de fabricación aditiva láser para componentes aeroespaciales típicos a base de aluminio, titanio y níquel, no solo podemos lograr una selección de materiales livianos y de alto rendimiento, sino que también reflejamos la tendencia hacia la fabricación de precisión y forma de red en tecnología de fabricación aditiva. Al realizar la fabricación aditiva integrada de materiales, estructuras y rendimiento, podemos aplicar tecnología de fabricación aditiva a importantes proyectos de ingeniería en el campo aeroespacial.
