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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将非常精确的特性纳入其产品中,以实现国防行业的严格性能要求。卓越的强度重量比确保钛将承受极端力 - 静态和周期性 - 仍然很轻的重量。此外,钛的天然存在的耐腐蚀性可保护其机械性能对一些最恶劣的化学环境,以确保整个延长寿命的功能。

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
  • 海和土地防御的设计考虑因素
  • 海洋和陆地防御系统重量的重要性
  • 防御应用中的精度几何
  • 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
  • 示例防御计划的钛铸件

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。

为了说明强度和重量之间的基本设计困境,请参阅下面的基本空气动力学方程3。有关此等式推导的更详细讨论,请参阅航空航天铸件

[eq。3]
T.=W./(L./D.

在哪里L.等于电梯,和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:如何最大限度地提高力量,同时实现可接受的重量限制

尽管生产成本较大,更大的较重发动机还具有增加的运营成本。虽然在应用平台上确切的运营成本可能很大,但防御卫星应用的单磅额外的重量可能在1万美元到1万美元的推出成本。虽然燃料成本可能会显着降低零轨飞行,但对于典型的防御飞机来说,过度重量的惩罚仍然非常严重。

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,包括未处理的钢和铝,这种氧化物层非常不稳定并且可以易于提供。思考一种常见的生锈或氧化铁 - 这是铁的氧化还原反应的典型所得化合物。随着这种氧化物的柔软层,暴露鲜金属,氧化还原反应继续,慢慢缩放材料并削弱金属部件。这种物质劣化通过若干机制降低了金属的机械强度,包括应力腐蚀裂缝的发育。通过重复和连续的氧化还原,可以简单地移除足够的铁材料将损害组件的负载处理能力。最终,此过程为完整的组件或系统故障打开门。

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,可能无意地去除表面腐蚀保护,从而允许腐蚀在损伤部位的芯材内部获得立足点。

虽然确实腐蚀可以是海洋和陆地防御系统的批判性考虑,但基本的材料体重和力量也在为海洋和土地应用设计的系统中发挥着关键作用。

海洋和陆地防御系统重量的重要性

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可以从铝制铝的重量效益制造的部件,并且应由钢制成,以实现其强度特性。如前所述,许多系统将从减轻重量受益的许多系统被迫使用较重的钢来保持压力限制。

耐腐蚀性和重量仅为海洋和陆地防御中材料选择的两个主要考虑因素。但他们确实代表了国防行业在为特定工作选择正确的材料时面临的一些最困难的决定。与基于航空的防御计划一样,必须提供最佳材料,包括每钢和铝的最佳品质 - 同时抵抗腐蚀。

防御应用中的精度几何

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。钛拥有铝的两倍,而它比钢基本上轻,近40%打火机。这种独特的性质 - 重量比的高强度 - 给予钛合金克服各种防御计划设计规范的强度和重量的竞争挑战的能力。

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?”

答案位于钛的强烈共价键,将其元素晶体结构保持在一起。这些键与原子之间的大距离相连,允许钛的原子在它们之间具有更多空间。在每个原子之间使用294微米(PM),大多数钛的大部分都是未占用的空间。这解释了为什么钛是 - 在宏观尺度上 - 比钢合金如此轻。

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。“在铝的强度和钢的一半强度的近似,钛是一个理想的材料,以满足应力边缘,同时最小化其重量。

力量重量不是唯一的点设计师必须考虑。即使是最有弹性和轻质组分易受有害物质腐蚀的影响。再一次,钛天然准备解决这一点。与传统金属如铝和钢一样,钛也经历在暴露于氧气环境时的氧化还原反应。钛的氧化还原通常形成二氧化钛层(TiO2)在反应表面。然而,钛的这种“腐蚀”与其他金属的“腐蚀”显着不同。二氧化钛本身对大多数形式的降解非常有弹性。薄层化学惰性TiO2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。

显而易见的是,钛是国防行业内许多应用的几乎理想的选择。卓越的强度重量可确保可以实现有用的负载和操作性能,同时最小化重量。此外,钛的天然存在的腐蚀保护 - 以其惰性二氧化钛外层的形式 - 是其自身上面的阳极氧化和其他表面处理。但这些钛的最佳质量如何送到国防工业?

防御工业精密钛投资铸件

过去,钛的理想特性传统上具有陡峭的价格标签。生产锻造和加工钛合金所需的时间和材料经常使这种材料变得不切实际地用于大规模使用。为了实现更广泛使用钛,FSPT已经投入了多年的发展,以完善其可重复和经济高效的系统,用于向国防工业提供钛合金组件。这几年的工作已经在FSPT的六西格玛控制了近净铸造钛。我们的经过验证的系统确保我们的客户收到最佳购买,同时减少了材料废物和过度加工,否则可以推动与完全加工的锻造钛应用相关的成本。

FSPT的经济效益流程始于投资铸造。我们在所有复杂性中开始设计,并通过注塑成型创建精确的蜡拷贝。从那里,我们在陶瓷壳中涂抹蜡,然后拆下蜡,以复杂的组件设计的形状留下腔。然后我们用熔融钛填充壳。冷却后,陶瓷壳被破坏并从组件铸造中除去。

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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。

在为防御严谨设计的组件时,可能在工程师思维的最前沿的两个主要问题是1)元件强度/疲劳和2)紧张的公差。在FSPT,我们解决并解决这两个疑虑。由于钛投资铸造是我们唯一做的事情,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。

在钛合金与其陶瓷壳中分离后,将其在极端温度和压力下放置 - 高达15,000psi - 在称为热等静压(臀部)的过程中,以塌陷任何可能在铸造期间形成的内部空隙。在髋关节之后,我们具有化学磨机的能力,其中化学除去了由高温铸件的高温条件产生的硬α例层。我们的化学铣削由我们内部洛克希德马丁认证化学铣削系统进行。

在这种“作为铸造”条件下,我们将部件保持为典型的0.010“ - 0.015”耐受性。虽然fspt产生了几个净形铸件随着最终的操作几何形状,我们的许多铸件都是靠近净铸造。铸造钛非常接近最终几何体,我们提供了通过最终加工过程处理组件的选项,以便在需要时实现更大的精度。整个整个制造过程中,FSPT都将自己持有极高的质量标准。

我们的近期铸造和加工过程可确保在将钛的固体块下降到最终产品中没有浪费时间或不必要的费用。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。

FSPT认证的质量和可靠性

FSPT钛没有国防工业的新人。事实上,业务中的许多最大名字都认识到钛业技术效益的独特潜力通过FSPT的经济高效的投资铸造技术提供。

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我们以前确定空气传播应用的设计充满了复杂的设计要求和标准。有关这些设计标准的具体示例,请考虑国防行业内导弹计划背后的复杂性。显然保证导弹系统能够体验与初始发射相关的极端应力,以及多次极端导航机动期间的高疲劳负荷。这些极端条件与前面讨论的材料选择考虑完全一致,其中钢可以处理高负荷和铝,足以用于极端的操纵。然而,它们都不是单独的,具有高强度重量比的独特性。

铝缺乏承受高G发射和机动的极端装载和疲劳的力量;钢合金太重,不能允许应用效果和应用所需的性能。幸运的是,钛合金可以提供独特的合格解决方案!

高疲劳强度容量?。卓越的静态加载能力?。轻的?。认证质量?必威进不去FS精密技术。认证汽车TS16949和航空航天AS9100C标准的最严格要求。

这些包括Lockheed Martin,Raytheon和Bae Systems等全球辩护承包商领导者,所有这些都承认钛的潜在持有的潜力并采取了将FSPT钛投资铸件纳入其先进导弹计划的若干步骤。许多这些先进的导弹系统都有多年的成功部署,已经展示了钛合金对国防工业的适用性。通过船上的FSPT钛,我们的客户确保了了解NADCAP和ITAR兼容的流程正在生产最高质量的组件,这些组件将坚持极端职责的严谨性。

然而,导弹系统几乎是FSPT钛在国防工业中的唯一应用。空中客车A400成千上万的成功飞行时间是钛的空气载体运营有效性的明显指标。每一个飞行都是钛的有效性和长寿的演示。

这种飞机的绝对必要性是军用航空运输的主要工作马的绝对必需品。该飞机必须尽可能高效地将货物交付,而且抵制工作中的极端疲劳和装载力。再一次,行业领导人落后于A400的成功,如空中客车和哈钦森航天,伪造了与钛合金需求的FSPT伙伴关系。

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。联系我们我们将通过您的高质量六西格玛流程开始与您的团队合作,以提供出色的防御级钛铸件。

实施例钛铸件国防计划

A400m-300x241.

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

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。

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Lockeed Martin导弹和Fire Control Pac-3计划的原理钛铸件供应商,FSPT拥有世界上最大的国防承包商的信任和信心。

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