钛及钛合金在无人机中的应用

无人机又称为无人驾驶飞行器。近年来，由于其在军事应用和消费应用方面的巨大潜力，关注度逐渐增高。据报道，目前有超过1,000万架无人机在飞行，范围从爱好者级别到价值百万美元的的军事工具。    无人机的分类标准有很多。可以大致将其分为两大类:一类用于军事目的，例如，通过无人机远程高空监视提供战略信息，例如，由诺斯罗普·格鲁曼公司研制的全球鹰(图2)。另一个是民用和消费用途，涵盖比较广，包括图像和景观勘探、道路监视、搜索和救援、农业、货物递送和警务(图3)。图二 各类型的无人机      无人机正在成为一项重要的全球业务。据报道，民用和消费型无人机每年的销量大约50万架，而无人机的总销量预计很快将达到7,000万架。2018年，消费型无人机的总市场规模约为20亿美元，近20%的复合年增长率(CAGR)是意料中的事。图三 商业无人机的用途    一架典型的中型无人机由以下基本部件组成:主体、电源和螺旋桨、导航和定位系统、摄像系统、传感系统、有效载荷系统和数据处理系统。要让无人机飞行，还需要额外的系统和部件，即无人机的驾驶员和地面系统。无人机和地面控制系统之间不断交换数据流。     大量的研究显示，无人机中钛及钛合金零部件多采用传统加工方式包括铸造、锻造、机加工等形式，应用典型案例如图4和表1所示。(1)Niono无人机中，作为支撑螺旋桨的框架结构材料，框架结构的长从149mm到257mm不等，每件使用57-120g钛合金。(2)PHANTOM 4 Prof无人机中作为外壳材料。(3) 螺丝等配件及配件采用Ti-3Al-5Mo-4.5V合金(TC16)。(4)作为无人机上激光测距仪微扫描镜(微机电系统)装置的基材(图4)。图四  钛及钛合金在无人机上的应用
图五 （A）图片为监测森林火灾的无人机 主体框架和机翼采用3D打印钛合金制成（B）框架结构放大图      主流3D打印技术之一电子束熔化(EBM)已被用于制造一架中型无人机的机身框架结构和翼型，材料使用Ti-6Al-4V钛合金，详见图5和表1。该部件由澳大利亚CSIRO scope公司与墨尔本大学的学生联合生产，用于制造丛林灭火无人机。由于AM的快速原型制作能力，无人机的部分在2天内打印出来，在生产周期方面大大降低。    从各方面了解来看，EBM和其他AM技术，如选择性激光熔炼(SLM)，与传统的加工方法相比具有以下优点，因此正成为钛及钛合金日益重要的加工技术:    如图5所示的例子展示了增材制造可以制造复杂几何形状和最优功能部件的能力，这保证了大多数部件可以通过增材制造技术达到人们满意的程度。    近净成形的能力和相关的BTF比 ，即Buy-to-fly ratio，指的是制造一个零件所需原材料量与最终零件中所含有材料量的比率。提升该比率对于节省昂贵的钛和钛原料非常有利。    无模工艺和短的交货周期，消除了模具制造成本，并提供快速反应的商业机会和研究需求。可以在实际打印前，通过数据化不断优化和设计，减少节点。可以加工几乎所有类型的钛合金，这意味着只要能找到最适合的钛合金来满足不同的需求，增材制造就可以制造所需零件。能够满足客户定制和个性化的要求，因为几乎所有的处理程序是通过计算机设计和自动实现。    但增材制造也存在一些缺陷：    原材料（粉末），机器设备，专业人员的成本较高；在处理原材料（粉末）方面存在安全隐患；相对较低的处理速率，比如说，目前大多数SLM的打印速度较低，对应钢的打印速度只有250g/h。