钛航空航天铸件

近50年来,FS Precision以高强度、低重量、近净和净形状的钛铸件支持航空航天工业。

对于地面,海运,空气和空间应用FS精密技术生产具有可靠性和安全利润率的钛部件,以最大限度必威进不去地提高运营效率。配备FSPT经济高效的钛铸件,使命关键航空航天部件抵抗最极端的力量 - 无论是循环还是静态 - 没有与常规金属相关的重量惩罚。

FSPT已经投资了数十年开发和控制我们的近净铸造工艺,以重复满足Ti6-4 (Gr. 5)和Ti6-2-4-2的严格航空航天要求。我们还开发了专为高应力和高循环应用而研发的专有FS2S钛合金,使部件达到与加工变形钛合金相当的拉伸和疲劳强度。

航空设计挑战

本文侧重于钛的自然应用到航空航天工业,以及我们对航空航天应用实惠的钛的过程。将特别注意先进的航空航天应用,这些应用已经配备了FSPT钛铸件。

航空航天铸件的重量惩罚

航空航天工业的工程设计具有独特的优先事项和必须遵守的严格要求。由于工程师努力满足这些要求,重量惩罚总是在他们思想的最前沿。不必要的重量显着影响性能和部署总成本。虽然断言,较少的体重直接导致提高性能和成本相对即将直接,让我们对此断言背后的科学和数学谈谈。

考虑一架稳步飞行的飞机。推力(T.)在飞机上施加必须等于阻力(D.),以保持稳定的飞行速度。电梯(L.)必须等于飞机的重量(W.),以便保持高度。因此,我们有:

【情商。1]
T.=D.L.=W.

从标准的空气动力学原理,可以修改这两个关系以包括动态压力(问:),飞机的翅膀的表面积(S.)和升力系数(CL.)及拖动(CD.)。

【情商。2]
T.=D.=QSC.D.L.=W.=QSC.L.

通过其他产量除以一个方程的小数学操作:

【情商。3]
T.=W./(L./D.

等式3是适用于不必要的重量的罚款的数学表征。很明显,必须通过增加推力来平衡任何重量增加。额外推力意味着更大,更昂贵的发动机 - 以及更大的燃料成本。更重要的是,增加推力直接导致增加的负载和应力,这又导致更大的结构部件和进一步的额外重量。

因此,循环继续;永久平衡行为,实现性能,强度,可靠性和重量的最佳组合。

面对需要最小化重量,设计师可能倾向于使用轻质铝作为主要材料。对于许多应用,铝是足够的。然而,铝的延展性特性 - 如果在错误的应用中使用 - 可以允许裂缝在某些高应力/装载环境中传播。这个问题导致我们对航空航天设计的另一个主要考虑因素:疲劳强度。

疲劳强度

除了如式3所示的静态荷载外,设计者还必须考虑大量的循环荷载。

从飞机的发动机发出假脱机的那一刻起 - 无论车辆是否适用于空间或亚孔飞机 - 其中许多部件都暴露于所得振动。因此,设计工程师是任务的设计组件,由于循环载荷导致的强度损失 - 又称疲劳降解。这种疲劳降解采用形式,随着航空航天铸件在低于最终拉伸的应力下造成的载荷和卸载的图案,以达到数百次循环或高循环疲劳。

在使组分经受飞行振动的情况下,问题可以在局部应力浓度和缺陷时以裂缝成核开始。一旦开始了显微镜裂缝,它可能继续生长,因为通过循环载荷重复施加应力。

通过应用不同的应力范围,可以在实验室环境中进行这种负载的模拟Δ年代对一个样本进行一定的循环次数N,从而产生所谓的强度衰减。这条曲线可以用来估计裂纹长度的增长一种。这种增长表现为裂缝增长率da / dn.或者在周期变化的长度变化。为了预测疲劳失败,应力集中K.一个特殊的几何函数μ.建立,然后裂缝的生长可以特征在于以下等式4和5:

【情商。4)
da / dN =(∆K)N

【情商。5]
∝∆K =∆年代√π

从这些关系可以看出,应力浓度越低,裂缝形成和扩展的可能性就越低。孔隙和空隙是造成应力集中的罪魁祸首;由于磨削和机械加工而产生的粗糙和不平整的表面。软的或延性的材料,如铝,往往使裂纹扩展得更快,使人相信使用更高强度的材料应该减少应力集中和随之而来的裂纹扩展。

如果较强的材料导致改善疲劳性,为什么不选择所有航空航天铸件的高强度钢?圈回到先前关于静态装载的讨论,其中重量增加了罚款,航空航天设计和材料选择的难题开始变得清晰。

适用于航空航天金属的权衡

可以考虑铝的易于制造和低重量,以及钢的优异强度和疲劳品质。然而,另一个的许多好处都没有。钢合金远远超过铝的机械性能,但它们的相对高的重量携带等式3所示的性能惩罚。

这就导致了经典的重量和强度问题,即必须使用额外的铝来满足要求的应力裕度,或者完全被钢取代。在任何一种情况下,设计工程师都必须为这种额外的强度付出代价,同时还要承受重量的损失。

与这种额外重量相关的确切成本因航空航天行业内的工艺而异,但考虑到这一点:根据商业内幕,美国宇航局航天飞机节目和太空龙的货物成本或额外重量令人印象深刻,每磅10,000美元。一些通信卫星制造商已经以每克超过35美元的惩罚 - 或超过每磅15,000美元。显然,重量可以等同于成本,而FSPT近净钛铸件可减少该负担,同时确保为使命关键系统组件的机械可靠性目标实现实现。

钛的优点

钛的相对高强度为重量比与钢和铝合金的距离为航空航天突出而铺平了道路。借助于低重量和高强度的近乎理想组合,钛具有满足许多要求苛刻的航空航天要求的独特潜力。

钛在航空航天铸件上的理想应用源于其独特的原子结构。钛的相对原子质量为47.8个单位(amu)。而以高强度而闻名的铁,其原子质量为55.8 amu。从纯质量的角度来看,一个立方的钛块的重量只比同样大小的铁块轻17%。然而,事实并非如此。事实上,典型的钢合金比钛合金重近80%。如果两者的原子质量如此接近相等,这怎么可能呢?

答案位于钛电子壳的结构。键合金属原子的标准分子测量是金属直径,或原子核之间的平均距离。对于钛,该测量是294微米(PM),而在铁晶结构中,距离为252μm。

该原子结构引入钛被分类为“过渡金属”。钛原子形成强的共价键,因为可用于粘合 - 或价电子以多于一个壳体存在。这允许钛原子与铝和钢分子相反,形成多个原子受电子云影响的分层键。钛的粘合剂在纯钛和合金形式中稳定,特别是坚固,使其能够保持令人难以置信的强度,同时保持相对轻质的同时。

Ti6-4航空航天5级

目前在航空航天应用中使用的工业标准是Ti6Al4V,或5级钛(TI64)。Ti64和钛一般,不是没有缺点。主要缺点是其精制形式的钛的典型成本。尽管世界上钛的相对丰富 - 它是第9个最丰富的元素,占地壳的占0.5%的地壳 - 提取和精炼成纯粹可用形式是昂贵的。

在其锻造和加工的形式中,非凡的资源致力于初始加热和成型所需的多个工艺,然后是相关的加工成本和完成以产生最终产品。虽然这些耗时和昂贵的过程产生了一种极具机械弹性的钛,其具有优异的强度和疲劳性能,而且由于成本,它们通常不实际。

为了抵消这些成本,设计师可以选择生产钛铸件。然而,标准铸造Ti64牺牲了一些拉伸和屈服强度,以换取减少加工和材料数量成本。例如,锻制5级钛的拉伸强度和屈服强度通常分别达到140ksi和130ksi。其对应的铸型通常分别达到约135ksi和122ksi水平。铸态Ti64通常也比锻态Ti64具有更低的疲劳强度。

考虑到这一点,FSPT开发了一种钛合金,包括成本效益高的近净铸造方法,同时保留锻制和加工部件的机械性能。这就产生了我们先进的FS2S钛合金。

更好的强度和疲劳钛

必威进不去FS精密技术先进FS2S钛合金

检查航空航天应用程序需要的所有机械性能。通过与铝、钒、铬等元素合金化,FS2S改善了铸造钛的力学性能,其水平显著高于铸造Ti64 (Gr.5),几乎等同于加工变形钛合金。

铸造FS2S分别具有极限拉伸强度和148ksi和135ksi的屈服强度。伸长率高于铸造Ti64的近40%,FS2S是一种理想的材料,适用于灾难性机械故障可能具有极端后果的关键应用。

除了与完全加工的常规锻铁合金相提并论外,FS2S还具有典型的铝合金强度的加倍,比传统钢合金更轻,40-50%。通过FS2S合金的独特微结构,可以实现用于航空航天铸件的这些优异性能。标准Ti64铸件产生坚硬且脆性外层,称为αuist,其倾向于将微裂纹引入铸件的表面结构中,因此可以导致疲劳降解。然而,FS2S化合物和微观结构产生β富最终产物,其将AS铸造α壳减少了两倍。这可以减少所需的昂贵化学铣削的量,并减少化学铣削过程中氢吸收的可能性。

FS2S钛航空航天铸件将低重量,高强度和疲劳性能与经济高效的铸造工艺相结合,同时实现了完全机械锻造Ti64的机械性能。通过我们的FS2S钛合金,设计人员可以利用这些效益中的每一个,在近净铸造的设计中。

如果您想调查这些福利在您的申请中应用的可能性,请下载我们的FS2S钛数据表,或联系我们现在。

FS精密近净铸造

FSPT通过称为近净钛投资铸造的方法提供钛的优异优异的力量和疲劳性能。我们的经过验证的方法确保您收到尺寸兼容的组件,同时减少了材料浪费和过度加工,否则可以推动与完全加工的锻造钛应用相关的成本。

这个具有成本效益的过程开始,我们使用您的设计创建一个确切的蜡复制-“模式”-通过注射成型过程或3D打印。接下来,我们在蜡图案上涂上几层陶瓷浆混合物,然后让它晾干。然后,我们删除图案,留下一个模具的形状,在您的复杂组件设计。最后,用熔化的钛填充模具。然后破坏陶瓷模具,以便取出钛铸件。

通常情况下,我们会在铸造过程中进行一系列额外的后铸造过程、检查和认证,直到您的铸造钛组件准备好进行最终的质量检查和发货。

在为严格的航空设计部件时,工程师往往首先考虑两个主要问题:1)部件强度/疲劳和2)紧公差。在FSPT,我们系统地处理和解决这些和许多其他潜在的问题。

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FS精度近净铸造

我们是AS9100和Nadcap认证,并坚持严格的航空航天铸造规格的AMS 4991, AMS 4992, AMS T-81915A,以及我们的大量航空航天铸件客户强加的许多定制规格。

在从其陶瓷模具中除去铸造后,通常在极端温度和等静压 - 高达15,000psi的过程中,在称为热等静压(臀部)的过程中,以塌陷任何在铸造期间可以形成的内部空隙。在臀部之后,我们进行内部化学铣削以除去由铸造的高温条件产生的硬α例层。该化学铣削由我们内部洛克希德马丁批准的化学铣削系统进行。

在他们的铸造条件下,我们的铸造过程可以实现许多应用的铸造公差。如果需要,我们提供执行完成机加工的选择,以便提供最终组件精密表面。

FS Precision实施行业内最高水平的持续改进和6西格玛过程控制方法,通过航空航天检验规范和认证,我们要求自己保持极高的质量标准。

我们的近净铸造和加工过程可确保浪费时间或不必要的费用,浪费或将昂贵的钛加工或将昂贵的钛换成肮脏的废料碎片。对于许多我们的铸造项目来说,完全加工的版本否则可能已经开始为100磅磅,然后加工到5磅或更小的成品几何形状。这是花在浪费的钛和过度加工操作上的钱!在FS必威进不去 Precision Tech,我们喜欢说“我们将空气放入您的部件中,以便您不必。”

FS钛航空铸件的精确体验

航空航天阀门和歧管

正如我们强调这一点,我们的经济高效铸造钛非常适合航空航天设计的苛刻领域。例如,关键的液压系统在尤其是严格的要求下操作,其中阀门或歧管内的任何小故障可能导致显着的损坏或完整的系统故障。

为防止这些故障,液压系统必须承受数千小时的飞行时间和所有疲劳以及那些小时伴随的潜在损失。正是这一挑战,导致领先的航空航天动作和控制公司之一与FSPT合作,以开发可靠的总理防冰系统所需的精确钛阀组件。

防止飞机前缘结冰的一个解决方案是向前缘提供稳定的防结冰液。然而,一个有效的系统必须保持精确的流体流量,因为太少的流量会导致一个完全无效的系统,导致破坏性的冰堆积。相反,流速过高可能会导致飞机其他部位的腐蚀性防结冰液损坏。

自然而然地,以不屈的力量和可靠性配对的精度对于该项目的成功至关重要。一个没有另一个的人很容易导致两种结果之一;首先,一个不精确和泄漏的阀门,自由流体可能导致数千美元的损坏。或者,一个无法承受在系统上的连续疲劳和强度要求的阀门,导致防冰系统的失效。

FSPT在两种要求中提供 - 以及我们的近净航空航天铸件通过我们经济高效的质量认证流程为我们的客户系统提供了坚定不移的可靠性。

FSPT严格的过程控制和质量系统确保每一个阀门都是我们承诺为客户提供航空航天工业所需的强度和精度的负担得起的途径的一个例子。没有与这些好处相关的体重惩罚。

FSPT近净航空航天铸件的应用甚至超越了飞机领域。钛合金的有益影响可以在更重的关键空间应用中感觉十倍,熔模铸造可以极具竞争力,即使在较低的体积。

如前所述,添加到航天器的单磅重量的成本可以将成千上万的浪费美元销为单一发射。除了复合的重量惩罚之外,这些工艺中的组分经受稳定的载荷,静态和周期性。这导致设计过程,其中可靠性是至关重要的,强度至关重要,轻量级是主要的预算和操作考虑。这些是在设计工艺的燃料系统时由竞赛中的主要领导者提供给航天和太空旅游的主要领导者。

自然,对航天器燃料系统的要求和标准要求从材料质量到机械性能,一直到最后部件的尺寸精度。

该系统必须精确控制燃料流量,以适应在飞船发射和返回地球期间的速度精确调整。仅这一点就要求航空航天铸件能够保持非常严格的公差。

以成本效益的方式实现这些里程碑并非小任务。然而,FSPT的近净航空航天铸造组件设定了这一点。通过经过验证的成本效益的过程无缝混合我们的铸钛石的力学性能;我们继续生产燃料系统阀门和歧管所需的复杂通道和几何体。我们的航空航天铸件提供了创造性的设计灵活性,可以实现可能是两个或更多机加工的子系统,以焊接在一起,以铸成一个固体,坚固,整体部件或系统。

钛铸造支架和外壳

流体控制只是我们钛航空铸件的许多应用中的一个。钛投资铸件的优异疲劳强度也可以利用,为能够承受飞行载荷的关键铸造部件创造内置可靠性

例如,飞行数据记录器必须继续工作,不管在某些任务中可能遇到的震动或抖动运动。这些模块中的几乎每个组件都容易受到持续疲劳的影响。更重要的是,驾驶舱数据存储单元的设计必须能够承受飞机出现的所有故障,而其他大部分飞机系统和部件都将完全失效。FSPT的钛航空铸件目前正被用于提供这些敏感电子设备所需的精确和坚固的保护。

此外,使用FSPT FS2S合金,其强度可以比Ti64 Grade 5等标准航空合金高出近10%。

设计用于位于或安装到发动机的任何部件由于发动机的自然运行而导致的循环应力受循环应力。这种疲劳负荷通过与起飞和着陆等极端飞机机动相关的较高负载加剧。

发动机结构部件代表了钛独特特性的理想应用。改善延性和疲劳强度将确保没有强度损失超过机身的寿命。

底线

在航空航天工业的设计过程中,我们收到了很少的奢侈品。主要成分必须具有精湛的机械性能,保持异常紧张的公差,并使所有的均保持重量和成本最小。通常,这些要求将相互排斥,其中效率低下的加工操作和昂贵的重量惩罚可能会占上风。我们的AS9100认证的航空航天钛铸件,也没有普通铸件!

FSPT使该技术能够合并高抗拉和疲劳强度,重量减轻到单一的高品质高度可靠的组件,可最大限度地减少材料浪费并最大限度地提高您的回报。联系我们,我们将直接与您的团队合作,开发航空航天铸件,满足您的所有需求,保持您的任务关键系统的可靠运行!

一些FS精密技术必威进不去公司的铸造计划

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空中客车A400.

情况

我们的客户需要为其空中客车A400M军用运输机安装系统开发轻量级和几何复杂组件。

机会

我们的团队建议通过将发动机安装部件从不锈钢转换为钛,可以实现大量成本节约。

应用程序

FS精密的复杂工程和高精度工艺能力使得使用钛合金的形成和生产非常复杂的几何形状。

结果
  • 成功的铸造设计和过程控制
  • 重量节省超过40%
  • 改进组件强度和生命周期可靠性
  • FS Precision帮助该客户在这一子系统项目的生命周期内节省了约70万美元。

雷神公司海麻雀

必威进不去FS精密技术公司被选为雷声导弹系统的北约发展的海雀导弹的内部主要结构框架的生产。这种铸件在表面与体积比上表现出极端的特性,即使是在钢或铝的铸造中也是一个挑战。

由于其极端的活性性质,这些类型的钛铸件比所有其他合金更具挑战性。我们每天都致力于6西格玛和持续改进的方法,FSPT正在管理大量复杂的过程变量,以实现出色的填充结果和尺寸一致性。

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Lockheed Martin Pac-3

作为洛克希德·马丁PAC-3防御导弹项目的主要钛铸件供应商,世界上最大的国防承包商依赖FS Precision来确保我们的盟国部队的安全。

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