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国防用钛熔模铸件

FS Precision自1969年以来在制造高质量钛投资铸件中与美国国防部及其北约盟友合作。

钛铸件为延伸到全球剧院的行业提供了卓越的强度和性能性能。对于最高海拔高度的极端环境 - 以及海底的底部 - FS精度为严重职责应用所需的严格标准生产精密钛铸件。

FS Precision将非常精确的特性集成到其产品中,以实现国防工业的严格性能要求。卓越的强度重量比确保了钛能够承受极端的压力——无论是静态的还是周期性的——同时保持轻质。此外,钛天然产生的耐腐蚀性能保护了其机械性能,使其能够在一些最恶劣的化学环境中使用,从而延长使用寿命。

FS Precision已投入多年的研发,以建立其AS9100认证的ITAR兼容近净铸造程序。我们纪律严明的六西格玛制造过程控制确保国防工业充分配备,以继续将技术的界限推向空间。

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下面的文章讨论了国防行业内部材料的一般设计考虑因素,其次讨论了钛的独特性质。它进一步讨论了FS精密的经济高效的钛投资铸造过程。还讨论了国防工业中近净钛铸件的一些目前应用。这些应用程序是为洛克希德马丁,BAE系统和雷神等行业创新者开发的。

  • 防御航空设计考虑因素
  • 海陆防御的设计考虑
  • 重量在海基和陆基防御系统中的重要性
  • 精密几何在国防应用
  • 钛的优点
  • 防御工业精密钛投资铸件
  • FS精密认证质量和经过验证的可靠性
  • 结论
  • 例如用于国防项目的钛铸件

国防航空的设计考虑

美国国防产业可谓是极端和创新技术的发展的最前沿。它也是世界上最远的地方之一,其全球应用在各种极端环境条件下需求最精确的精度。防御系统设计师面临着无限的MIL规范,制造和检验要求,以及质量标准 - 如AMS,NADCAP和AS9100,只需几个。国防行业的工程设计显然是复杂的,因为这是一个重要的,并且必须克服许多经营挑战。满足这些挑战至关重要,以便为我们的盟国,他们的部队及其公民提供最高的威胁的世界。

对于基于航空的国防应用,这些性能要求通常表现为飞机的负载能力和疲劳耐力,迫切需要最小化重量。事实上,静强度和疲劳强度都直接关系到飞机的整体重量和部件设计。在所有其他变量相同的情况下,更大、更重的组件通常比重量更轻的组件提供更大的强度。因此,减少重量的过程会对力量和耐力产生负面影响。

为了说明力量和重量之间的基本设计困境,参考下面的基本气动飞行方程3。关于此方程推导的更详细讨论,请参阅航空航天铸件

【情商。3]
T=W/(l/D)

在哪里l等于解除,D等于阻力。公式1说明了体重的任何增加(W)必须通过增加推力(T)。这种推力的增加通常需要更大的发动机或部件,并导致更高的应力。这反过来可能导致更重和更强的组件来吸收增加的应力,这反过来导致重量增加。这种应力-强度-重量循环导致了国防飞机设计中的经典设计困境:如何在达到可接受的重量限制的同时最大化力量

除了生产成本,更大更重的发动机也会增加运行成本。虽然各个应用平台的具体操作成本可能有很大差异,但对于一个国防卫星应用来说,一磅额外的重量仅在发射成本上就可能需要1万美元到1.5万美元之间。虽然亚轨道飞行的燃料成本可能明显较低,但对于典型的防御飞机来说,超重的惩罚仍然相当严厉。

考虑到疲劳载荷的增加,上述应力-强度-重量循环变得更加复杂。将国防飞机送入天空的强大引擎产生了巨大的循环推力,以及伴随的高频振动。这些低循环和高循环压力从发动机卷绕的那一刻开始,并持续整个飞行。设计师选择的任何材料都必须能够承受这种连续的加载和卸载-应力循环-机械强度损失最小或没有损失。显然,国防航空设计工程师在材料选择阶段并不缺少复杂的选择。在保持整体重量和力量之间的完美平衡的同时,还要满足众多其他项目的要求,这不是一件小事。

而且,国防工业并不仅仅局限于空中项目。陆基和海洋防御同样重要,涉及同样的挑战,尽管不同的设计考虑。

海基和陆基防御的设计考虑

对于陆地和海洋的防御应用,除了强度和重量之外,另一个主要考虑因素是耐腐蚀。

几乎每个程序应用都有一定程度的腐蚀考虑;无论是地面车辆长期部署在恶劣条件下,或自动海洋车辆暴露在腐蚀性海水。潜在腐蚀剂的名单几乎是无限的范围内的潜在防御计划。大多数车辆使用的标准燃料和机油可能会加速化学腐蚀,导致部件受损。高负荷和高应力进一步挑战了系统的长期可靠性,从而加剧了腐蚀风险。

在以海洋为基础的防御领域中,组件腐蚀的风险显著增加,环境中高浓度的盐本身会导致与大多数金属发生腐蚀反应。这个反应,被称为还原-氧化-或氧化还原反应,是由接触水的金属原子和盐中的电离粒子之间的电荷不平衡引发的。在钛的氧化还原反应中,惰性二氧化钛通过一系列的电子交换在钛组件表面形成一层薄薄的不透水层。关于这个反应的更多细节,请参见我们关于如何58biwei

对于大多数金属,包括未经处理的钢和铝,这一氧化层是非常不稳定的,容易得到自由。想想一层普通的铁锈——或氧化铁——这是铁的氧化还原反应的典型产物。当这层柔软的氧化物脱落时,新鲜的金属暴露在外面,氧化还原反应继续进行,慢慢地剥落材料,削弱金属成分。这种材料的降解通过几个机制降低了金属的机械强度,包括应力腐蚀裂纹的发展。通过重复和连续的氧化还原,简单地去除足够的铁材料将损害组件的负荷处理能力。最终,这个过程会导致整个组件或系统出现故障。

不幸的是,这种形式的腐蚀性几乎没有限于海洋基础的项目。几乎任何含氧的环境都可能触发任何未处理的铝或钢组分的氧化还原反应。这意味着任何地面车辆或部件易受材料腐蚀的有害影响的影响。

因此,设计工程师必须保持警惕,确保所有关键部件的设计都能经受腐蚀,并确保腐蚀材料尽可能保持隔离。对于许多应用,铝或其他合金的防腐可以通过阳极氧化或阳极化过程来提高。这些是化学强化过程,增加了生产时间和成本的每个组件。这些表面增强过程的一个缺点是:表面增强只。在机械冲击或其他损坏的情况下,表面腐蚀保护可能会被无意中去除,从而使腐蚀在损坏部位的芯材内部获得立足点。

虽然腐蚀确实是海基和陆基防御系统的关键考虑因素,但基本材料的重量和强度在海基和陆基防御系统设计中也起着关键作用。

重量在海基和陆基防御系统中的重要性

虽然海陆基应用的重量对经济的影响通常不如国防航空应用的高,但陆基车辆也可以从保持轻量化中获得显著的运营效益。军用车辆和装备往往需要快速部署和易于操作才能最有效。低重量为军用车辆和系统的远距离运输提供了显著改善。然而,这种对陆基防御系统的权重考虑也带来了类似的副作用航空航天铸件。设计人员通常必须选择哪些部件可以用铝制造,因为它的重量优势,哪些应该用钢制造,因为它的强度特性。如前所述,许多原本可以从减轻重量中获益的系统被迫使用较重的钢材以保持应力极限。

耐腐蚀性和重量是选择海基和陆基防御材料的两个主要考虑因素。但它们确实代表了国防工业在为特定工作选择正确材料时面临的一些最困难的决定。就像航空防御项目一样,最好的材料必须包括每一种材料的最佳质量——钢和铝——同时还要抗腐蚀。

精密几何在国防中的应用

无论国防工业的战区,一个普遍不变的是对质量和精度几何的不懈需求。实现适当的配合,保持关键的密封表面,并实现高效和完美的组装程序是任何军事或防御系统的绝对必要。

这些严格的要求自然驱动设计师寻求制造的组件,可实现紧凑的公差和可预测的材料质量。

实现这种精度等级别的传统路径是通过广泛的加工操作。然而,将一块固体材料块延长到具有细小特征和紧密公差的单个组件,这可能非常昂贵。两者都需要完成的组件,以及在该过程期间在机床地板上转换成废金属刮板的大量材料。必须存在替代过程,可以实现可相当的精度,同时减少与全尺度精密加工相关的时间和材料废物。

钛的优势

从目前所提供的信息来看,国防工业的设计工程师面临着过多的设计障碍;其中许多是相互排斥的。实现最小重量——同时满足应力负荷和消除腐蚀的几乎所有可能性——是一项艰巨的任务。再加上驱动质量和精度公差的成本因素,一个解决方案变得显而易见:必威进不去FS精密技术高性价比的近净钛精铸件。

钛合金是克服国防工业设计挑战的自然选择。钛的强度是铝的两倍,但它比钢轻得多——实际上,轻了近40%。这种独特的性能——高强度重量比——使钛合金有能力克服强度和重量的竞争挑战,这是许多国防项目设计规范的主导因素。

钛令人印象深刻的强度重量比的根源可以追溯到它的原子结构。单个钛原子的原子量为47.8 amu,而铁原子(一种以高强度和相对重量著称的普通材料)的原子量仅略高一些,为55.8amu。在原子水平上,钛的重量只比铁轻17%。

然而,铁,以其复合/元素形式,比钛重约80%

“那是怎么做的,如果原子重量如此相似?”

答案在于钛的强大共价键,它将元素晶体结构连接在一起。这些键,加上原子之间的距离,使得钛原子之间有更多的空间。每个原子之间的距离是294皮米(pm),任何一块钛的大部分实际上都是未被占用的空间。这就解释了为什么在宏观尺度上,钛比钢合金轻得多。

尽管原子之间有很大的空间,但钛的强共价键保持了令人印象深刻的强度,并授予钛“a”的标签。过渡金属“钛的强度几乎是铝的两倍,重量是钢的一半,它是一种理想的材料,既能满足应力,又能减轻重量。”

力量-重量并不是设计师必须考虑的唯一要点。即使是最有弹性和重量轻的组件也容易受到有害材料腐蚀的影响。再说一次,钛是自然准备解决这一点。与铝和钢等传统金属一样,钛暴露在氧化环境中也会发生氧化还原反应。钛的氧化还原过程通常会形成一层二氧化钛(TiO2)在反应面上。然而,钛的这种“腐蚀”明显不同于其他金属。二氧化钛本身对大多数形式的降解具有极强的抵抗力。化学惰性TiO的薄层2在“腐蚀”部位非常坚硬,很难去除。因为这一惰性层保持完整,它提供了一个连续的表面屏障,防止腐蚀的整个寿命组件。

钛的一个附加特征是其化学惰性TiO2在发生任何机械损伤以暴露组分的基础材料后,层完全自再生,并且在任何机械损伤之后将不断重新出现。刮擦或碎二氧化钛表面只是将纯钛暴露于周围环境,允许同样的氧化还原反应再次发生 - 几乎瞬间。与铝和钢相比,钛的这种自然特征是枢轴分化剂。钛合金通常不需要任何额外的人造表面增强操作。其天然存在的保护氧化物层不能 - 在正常操作条件下 - 损坏到慢性化学腐蚀发生的点。

很明显,在国防工业的许多应用中,钛是一个近乎理想的选择。特别的强度与重量比确保了有效的负载和操作性能,同时减轻了重量。此外,钛的自然腐蚀保护——以惰性二氧化钛外层的形式——比阳极氧化和其他表面处理更重要。但是,如何才能把这些质量最好的钛交付给国防工业呢?

国防工业用精密钛精铸件

在过去,钛的理想性能通常伴随着高昂的价格。生产锻制和机加工钛合金所需的时间和材料往往使这种材料不适合大规模使用。为了使钛能得到更广泛的应用,FSPT已经投入了数年的开发,以完善其可重复和具有成本效益的系统,为国防工业提供钛合金组件。这些年来的工作在FSPT的六西格玛控制近净铸造钛达到顶峰。我们经过验证的系统确保我们的客户获得最佳的购买飞比,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。

FSPT的成本效益的过程始于熔模铸造。我们开始与您的所有复杂的设计和创建一个精确的蜡像通过注塑成型。然后,我们将蜡涂在一个陶瓷外壳上,然后除去蜡,在你复杂的组件设计的形状上留下一个洞。然后用熔化的钛填充外壳。冷却后,陶瓷外壳被破坏并从组件铸件中移除。

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网格

然后,我们会按照AMS或ASTM规范的要求对铸造过程进行一系列额外的后铸造过程和检查,直到您的铸造钛组件准备好接受发货前的最终质量检查和认证。

当为严格的防御设计组件时,工程师首先考虑的两个主要问题是:1)组件强度/疲劳和2)紧密公差。在FSPT,我们处理并解决这两个问题。既然钛熔模铸造是我们唯一的工作,我们做得很好。FSPT是AS9100和NADCAP认证,并遵守AMS 4991/4992的严格航空航天铸造规格,AMS T-81915A。

当你的钛与陶瓷外壳分离后,将其置于极端温度和压力下——高达15,000 psi——这一过程称为热等静压(HIP),以瓦解铸造过程中可能形成的内部空隙。在HIP之后,我们有能力对您的组件进行化学磨铣,通过化学方法去除高温铸造条件下产生的硬阿尔法壳层。我们的化学铣削由我们内部的洛克希德·马丁认证的化学铣削系统执行。

在这种“铸型”条件下,我们将组件保持在典型的0.010”- 0.015”公差范围内。而FSPT产生几个净形状铸件随着最终的操作几何形状,我们的许多铸件都是近净铸造。铸钛非常接近最终的几何形状,如果需要,我们提供通过最终加工过程来加工您的组件的选择,以实现更大的精度。在整个生产过程中,FSPT要求自己达到极高的质量标准。

我们的近净铸造和机加工过程确保了没有时间或不必要的费用浪费在占用一个坚实的钛块到最终产品。对于我们的许多铸造项目,一个完全加工的版本可能已经开始作为一个100磅的钢坯,然后被加工成一个完成的几何形状,5磅或更少。这些钱都花在浪费的钛和过度的机械加工上了!在FS必威进不去精密技术,我们喜欢说我们把空气放进你的身体里,这样你就不用。

FSPT认证的质量和可靠性

FSPT钛并不是国防工业的新产品。事实上,业内许多大公司都认识到,通过FSPT的高性价比熔模铸造技术,钛所带来的技术效益具有独特的潜力。

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我们之前已经确定,空中防御应用的设计充满了复杂的设计要求和标准。对于这些设计标准的一个具体例子,考虑国防工业中导弹计划背后的复杂性。导弹系统显然保证在初始发射时承受极端应力,以及在多次极端导航机动时承受高疲劳载荷。这些极端条件与前面讨论的材料选择考虑完全一致,即钢材可以处理高负荷,而铝足够轻,可以进行极端操作。然而,它们都不单独具有高强度重量比的独特特性。

铝缺乏强度,无法承受高重力发射和机动过程中的极端载荷和疲劳;而钢合金太过沉重,无法满足应用所需的灵活性和性能要求。幸运的是,钛合金确实提供了一个独特的合格的解决方案!

高疲劳强度能力?。特殊的静态加载能力?。轻量级的吗?。认证的质量呢?必威进不去FS精密技术。通过最严格要求的汽车TS16949和航空航天AS9100C标准认证。

这些公司包括洛克希德·马丁公司、雷神公司和BAE系统公司等全球国防承包商的领导者,他们都认识到了钛的潜力,并采取了必要的步骤,将FSPT钛熔模铸件纳入到他们的几个先进导弹项目中。许多先进的导弹系统已经成功部署多年,展示了钛合金在国防工业中的适用性。有了FSPT钛板,我们的客户放心地知道Nadcap和ITAR符合流程,生产的高质量组件将经得起极端任务的严格要求。

然而,导弹系统并不是FSPT钛在国防工业中的唯一应用。空客A400的数万个成功飞行小时是钛在空中作战中有效的一个明显标志。每一次飞行都是钛的有效性和寿命的证明。

不妥协的可靠性和最佳的有用负载是绝对必要的飞机作为军事空运的主要工作马之一。飞机必须尽可能高效地运送更多的货物,并始终抵抗工作时的极度疲劳和加载力。A400成功背后的行业领袖,如空中客车和哈金森航空航天公司,再一次与FSPT建立了合作关系,以满足他们对钛合金的需求。

这些合作关系突出了FSPT钛合金目前在国防工业中的应用。然而,潜在的应用,几乎是无限的与我们的成本效益的方法!几乎任何飞行器都可以受益于钛的高强度-低重量的优点。消除发动机舱内多余的重量,微调飞机重心,或者仅仅是增加有用的负载能力。FSPT经过验证的工艺使钛成为国防工业负担得起的材料,并为其最终应用打开了无数的大门。

结论

FSPT很欣赏国防工业中设计师们所面临的巨大负担。一个能飞到最高海拔、潜入海洋最深处的行业,对材料和工艺质量要求同样高。FSPT满足了这些要求。我们的净形状和近净精密钛精铸件结合了卓越的疲劳和负载强度,同时抵抗几乎所有形式的化学腐蚀。这些质量是通过FSPT认证的和具有成本效益的熔模铸造工艺提供的,以确保我们的客户的可靠性。联系我们我们将自始至终与您的团队合作,通过我们高质量的六西格玛流程提供卓越的国防级钛铸件。

钛铸件为例国防项目

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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

我们的团队提出,通过将发动机支架组件从不锈钢转化为钛,可以实现大量的成本节约。

应用程序

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
  • 成功的铸造设计和工艺控制
  • 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。

Lockheed Martin Pac-3

作为洛克希德·马丁导弹和火控PAC-3项目的主要钛铸件供应商,FSPT得到了世界上最大的国防承包商的信任和信任。

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