航空钛铸件

对于近50年来,FS精密支持航空航天工业,具有高强度和低重量,近净和净形钛铸件。

对于地面、海洋、航空和空间应用,FS Precision Tech生产的钛组件具有可靠性必威进不去和安全裕度,以最大限度地提高操作效率。配备了FSPT成本效益高的钛铸件,关键任务航空航天组件甚至可以抵抗最极端的力——无论是循环还是静态——而没有与传统金属相关的重量损失。

FSPT已经投入了几十年的发展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。我们还专门为高应力和高循环应用开发了专有的FS2S钛合金,以使部件能够实现与加工的锻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有一套独特的优先事项和严格的要求,必须遵守。当工程师努力满足这些要求时,重量惩罚总是在他们的脑海中出现。不必要的权重会显著影响性能和总部署成本。虽然断言较轻的重量会直接导致性能和成本的提高是相对简单的,但让我们稍微讨论一下这种断言背后的科学和数学。

假设一架飞机处于稳定水平飞行状态。推力(T)在飞机上施加必须等于阻力(D)作用于它以保持稳定的飞行速度。电梯 (l)必须等于飞机的体重(W)为了保持高度。因此,我们有:

[eq。1]
T=Dl=W

根据标准空气动力原理,这两个关系可以修改为包括动压力(问:)、飞机的翼展面积(年代)和升力系数(Cl)拖动(CD)。

[eq。2]
T=D=QSC.Dl=W=QSC.l

通过其他产量除以一个方程的小数学操作:

[eq。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。

为了减少重量,设计师可能倾向于使用轻质铝作为主要材料。对于很多应用来说,铝是足够的。然而,铝的延展性——如果在错误的应用中使用——可能会使裂纹在某些高应力/加载环境中传播。这个问题引出了航空航天设计的另一个主要考虑因素:疲劳强度。

疲劳强度

除了等式3中引用的静载荷之外,设计人员还必须考虑巨大的循环负载。

从飞机引擎启动的那一刻起——无论是用于太空还是亚轨道飞行——它的许多部件都暴露在由此产生的振动中。因此,设计工程师的任务是设计出不会因循环加载(也称为疲劳退化)而造成强度损失的部件。这种疲劳退化表现为航空航天铸件在应力低于数十万次极限拉伸下的加载和卸载模式,即高周疲劳。

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。

通过施加一个明显的应力范围,可以在实验室环境中模拟这种载荷(Δs.)对于设置循环次数的样本(N.),从而产生所谓的S-N曲线。然后可以使用该曲线来估计裂缝长度的生长(一个)。这种增长表现为裂缝增长率(da / dn.)或长度变化量除以周期变化量。为了预测疲劳失效,应力集中(K)对于特定的几何函数(μ.),则裂纹的扩展可由下式4和5表征:

[eq。4]
da / dn = a(Δk)N.

[eq。5]
ΔK=ΔS√ΠAα

从这些关系中,您可能会认识到应力浓度降低,机会越低,用于裂纹形成和生长。孔隙度和空隙是应激浓度的彩色贡献者;根据磨削和加工产生的粗糙和不均匀的表面。柔软或韧性材料,如铝,往往允许裂缝更快地传播,导致较高的强度材料的使用应降低应力浓度和随之而来的裂缝繁殖。

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。

航空航天金属的设计权衡

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。

这导致经典的重量与强度问题,其中必须使用额外的铝来满足所需的应力边距,或者通过钢完全替换。在任何一种情况下,设计工程师必须以重量罚款支付这种额外强度的价格。

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。

钛是航空航天铸件的理想应用源于其独特的原子结构。钛的原子质量为47.8原子质量单位(AMU)。虽然以其高强度特性而闻名的铁具有55.8 AMU的原子质量。从纯质量的角度来看,人们可能期望立方体钛的重量仅比相同尺寸的铁块小17%。然而,这不是这种情况。事实上,典型的钢合金的重量比钛合金大约80%。如果两者的原子质量如此近似,那么这怎么样?

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 5级用于航空航天

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,设计人员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加工和材料量成本。例如,锻炼5级钛分别用于拉伸和屈服强度的140ksi和130ksi。其施放对应物通常分别实现约135ksi和122ksi的水平。铸造Ti64通常也具有比锻造Ti64更低的疲劳强度。

考虑到这一点,FSPT开发了钛合金,包括近净铸件的经济高效方法,同时保留锻造组件的机械性能。这导致我们先进的FS2S钛合金。

更好的强度和疲劳钛

必威进不去FS Precision Tech的高级FS2S钛合金

检查航空航天应用所需的每一个机械特性。通过用铝,钒,铬等元素合金化,FS2S改善了铸钛的机械性能,明显高于铸造Ti64(GR.5)的水平,并且几乎相当于加工的锻炼钛合金。

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钛合金航空航天铸件结合了低重量、高强度和疲劳性能与成本效益铸造工艺,同时实现了完全加工的锻Ti64的力学性能。有了我们的FS2S钛合金,设计师可以在近净铸件的设计中充分利用这些优点。

如果您想调查对您的应用程序应用这些福利的可能性,请下载我们的FS2S钛数据表,或联系我们现在。

FS精确靠近净铸造

FSPT通过一种称为近净钛熔模铸造的工艺,提供了钛优越的强度重量比和抗疲劳性能。我们经过验证的方法确保您获得尺寸符合要求的组件,同时减少材料浪费和过度加工,否则可能会提高与全锻钛应用相关的成本。

这种经济高效的过程始于我们的设计,以通过注塑过程或3D打印创建精确的蜡拷贝 - “模式”。接下来,我们用几层陶瓷浆料混合物涂覆蜡片,并使其干燥。然后我们删除图案,留下模具的复杂组件设计的形状。最后,用熔融钛填充模具。然后破坏陶瓷模具以允许去除钛铸造。

通常,我们随后使用一系列额外的铸造工艺,检验和认证,沿着铸造过程遵循铸造过程,直到铸造钛成分已准备好进行最终质量检查和发货。

在为航空严谨设计组件时,两个主要问题往往是工程师思想的最前沿:1)组分强度/疲劳和2)耐受耐受性。在FSPT,我们系统地解决并解决这些和许多其他潜在问题。

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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AMS 4991,AMS 4992,AMS T-81915A,以及我们大量航空航天铸件客户所施加的许多定制规范。

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精度实现了行业中可用的最高持续改进和6个Sigma过程控制方法的最高水平,我们通过航空航天检验规范和认证维护了极高的质量标准。

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精密钛航空铸造经验

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。

为了防止这些故障,液压系统必须承受数千小时的飞行,以及随之而来的所有疲劳和潜在损坏。正是这一挑战,促使一家领先的航空运动和控制公司与FSPT合作,开发可靠的顶级航空防结冰系统所需的钛阀组件。

一种防止飞机领先边缘冰积聚的一个解决方案是为那些边缘提供稳定的防冰流体。然而,有效的系统必须保持精确的流体流量,因为流量太少可能导致完全无效的系统,导致冰堆积损坏。相反,过高的流量可能导致飞机其他地方的腐蚀性抗结冰的液体损坏。

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的严格过程控制和质量系统可确保每个阀门都是我们承诺为客户提供经济实惠的途径,以便为航空航天行业所需的实力和精确度提供实惠的途径。没有与此类利益相关的通常的重量惩罚。

FSPT近净航空航天铸件的应用远远超出飞机领域。钛合金的有益影响可以在更重大的关键空间应用中感受到十倍,即使在较低的卷中,投资铸造的投资铸造可能是极具竞争力的。

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。

当然,航天器的燃料系统需求和标准从材料质量的完善,以其机械性能,一直到最终组分的尺寸精度。

该系统必须准确控制燃料流量,以便在工艺发射期间对速度进行精确调整并从地球返回。单独的是,可以维持异常紧张的公差的航空航天铸件。

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

流体控制只是我们的钛航空航天铸件的众多应用之一。钛熔模铸件优异的疲劳强度也可以用来为能够承受飞行载荷的关键铸造部件创造内在的可靠性

例如,无论在某些任务配置文件中可能遇到的颠簸或颤抖运动,飞行数据记录器必须继续运行。几乎每个模块内的每个组件都易于对连续疲劳暴露的性能损失影响。更重要的是,驾驶舱数据存储单元必须设计成在大多数其他飞机系统和组件的完全飞机故障中锻炼完全损失。目前正在利用FSPT的钛航空铸件来提供这些敏感电子器件的精确和坚固的保护。

另外,通过使用FSPT FS2S合金,该强度可以大于诸如Ti64级的标准航空航天合金的近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钛的独特特性的理想应用。改善的延展性和疲劳强度将确保在机身的使用寿命中没有强度损失。

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一起工作,开发满足您所有需要的航空航天铸件,以保持您的关键任务系统可靠地表演!

一些FS Pre必威进不去cision Tech的铸造项目:

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空客A400

情况

我们的客户需要为空客A400M军用运输机的发动机悬置系统开发一种重量轻、几何形状复杂的组件。

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

FS精密精密的工程技术和高精度加工能力使得使用钛合金形成和生产非常复杂的几何形状成为可能。

结果
  • 成功的铸造设计和过程控制
  • 实现重量储蓄超过40%
  • 改进的部件强度和生命周期可靠性
  • FS Precision帮助本客户单独将估计的700,000美元节省700,000美元。

雷神海麻雀

必威进不去FS精密技术已被选中以生产雷神导弹系统北约演化海麻雀导弹的内部主结构框架。这种铸件代表了表面的极端到体积比,并且即使在钢或铝中也是铸造的挑战。

凭借其极端的反应性,这些类型的钛铸件比所有其他合金更具统一性。随着我们的日常承诺六西格玛和持续改进方法,FSPT正在管理多种复杂的过程变量,以实现出色的填充结果和尺寸一致性。

Lockheed-Martin-Pac-3

Lockheed Martin Pac-3

作为Lockheed Martin Pac-3防御导弹计划的原理钛铸件供应商,世界上最大的国防承包商取决于FS精确​​,以确保我们联盟的安全部队的安全。

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