晨源｜钛及钛合金在无人机及小型飞行器的应用

无人机

摘 要：主要介绍钛及钛合金在无人机及小型飞行物（微型飞行器、航空模型、动力伞和飞行竞速）的应用情况。
1序言
通用航空（General Aviation），是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。在全球范围内，通用航空是一个万亿美元的业务，正在快速增长。根据其定义，本文从五个领域介绍其发展。



从通用航空的应用方面来看，主要从材料的角度，特别是关于减重和成本效益方面。从这个角度来看，钛和钛合金的相对较高成本限制了其更大规模的商业应用。它们必须与碳纤维、铝合金、聚合物和复合材料等低成本材料激烈竞争。
然而，钛和钛合金在低密度和高强度相结合方面是独一无二的。其强度很容易达到1000MPa，且密度仅为钢的60%，如图1所示。除此之外,各种类型的钛及钛合金，从纯钛(CP-Ti)到使用最广泛的Ti-6Al-4V合金,再到高温钛合金材料(例如,钛铝合金),可以确保安全服役于各种环境中。例如,发动机材料的工作温度在700℃左右。此外，钛及钛合金也表现出优异的耐腐蚀性，特别是Ti-Pd合金，这种合金相比于其它材料更能适应各种气候应用。


图一 比较包括钛及钛合金在内的大量材料的强度及密度
大多数应用于通用航空的钛及钛合金主要采用传统加工方式。目前先进加工技术，例如增材制造(AM)/3D打印已经成为钛及钛合金定制生产的较有前景的方法。这一点变得越来越重要，因为个性化产品在通用航空中占有很大的份额。因此，本文还将简要介绍在通用航空应用方面，增材制造对钛及钛合金的加工带来的影响。
2钛及钛合金在无人机中的应用2.1无人机的简介无人机又称为无人驾驶飞行器（UAV）。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。钛及钛合金在无人机及小型飞行器的应用2钛及钛合金在无人机中的应用2.1无人机的简介无人机又称为无人驾驶飞行器（UAV）。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
2.2无人机中的钛和钛合金:传统加工零件和3D打印零件2.2.1 无人机结构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。
2.2.2采用传统加工方法制造的无人机钛及钛合金部件大量的研究显示，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。(a)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。(b)PHANTOM 4 Prof无人机中作为外壳材料。(c) 螺丝等配件及配件采用Ti-3Al-5Mo-4.5V合金(TC16)。(d)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
2.2.3 通过3D打印加工的典型钛及钛合金部件主流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。



从报道及作者的理解来看，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。
3钛及钛合金在微型飞行器的应用3.1微型飞行器的简介微型飞行器属于无人机的一种，但在尺寸上偏小，这种飞行器能够传输实时图像或执行其他功能，有足够小的尺寸（现代的飞行器可以小到5cm），见图6，这种机器蜂鸟是一个典型实例，具有足够的巡航范围和飞行时间，是未来战场上用于侦查和攻击的武器。


图六  图片为蜂鸟微型飞行器

相比于大型飞行物，这种轻型飞机微型飞行器在重量上非常轻，通常小于1kg，它们的雷诺数处于102到104的范围。说明它们更容易受到飞行介质(即空气)的影响(图7A)。
微型飞行器虽然体积小，但与其他普通飞机一样，可分为扑翼、旋翼和固定翼三大类(图7B)。它们的飞行时间大多在数小时之内，通常由各种类型的电池供电。


图七  （A)根据重量和雷诺数对飞行器进行分类  （B）典型的微型飞行器及其相应的飞行时间和重量。英文字母和数字在图片中代表相应的微型飞行器
目前可用的微型飞行器是为业余爱好目的，如航空比赛和航空摄影，也有一些研究目的或军事应用。微型飞行器的商业市场还没有完全发展。全球市场的规模很难估计，但据报道，仅在加拿大，2018年微型飞行器的销售额就约为2,000万美元，预计未来几年将以约10%的年速度增长。
3.2微型飞行器中的钛和钛合金3.2.1 微型飞行器的结构这种微型飞行器的尺寸方面与昆虫太小相似，许多微型飞行器采用仿生设计。其结构主要由以下关键部件组成:主体与机翼、电源、电源与控制电子以及各类传感器与定位系统，典型实例如图8所示。


图八  用机器人蜜蜂的示意图展示微型飞行器的主要部件


图九  微型飞行器的钛合金MEMS机翼

据报道，设计者曾采用250μm厚钛合金(Ti-6Al-4V)箔材制作了微型飞行器的机翼框架结构，如图9和表1所示。机翼对应采用的薄膜是聚乙烯。这两种材料通过化学腐蚀和沉积过程结合在一起。升力系数更大，是固定翼飞机的五倍，实现了钛合金在该种飞行器中的应用。
4钛及钛合金在飞机模型中的应用4.1飞机模型简介飞机模型又称为航空模型，通常是指现有或过去飞机的复制品，除了在尺寸上它们是大比例缩小。例如，图10展示了一架模拟F-3“demon”战斗机的模型飞机，由麦克唐纳-道格拉斯公司在20世纪50年代和60年代开发。


图十  飞机模型摄影图片

飞机模型可分为两大类:飞行型和非飞行型。非飞行飞机模型主要是为了展示和产品推广而设计的，而飞行的飞机模型主要是为了比赛、爱好或研究而开发的，材料方面，简单的滑翔机从纸或聚合物制成，到由木材或金属等各种材料制成的飞机模型。一些飞行的模型飞机采用全尺寸展示，通过设计来研究其飞行特性。关于全球飞机模型市场规模并没有确切数据，大概约为10亿美元。
4.2钛及钛合金在飞机模型的应用4.2.1 飞机模型结构模型飞机中，特别是那些高端的，通常是全尺寸的飞机，其结构通常和普通飞机一样，由以下这些关键部件组成（如图11所示）：机身、机翼、引擎、着陆系统和远程控制系统。
钛及钛合金在以下情况下用于模型飞机，典型例子见图12和表1。
它们被用作Al6061起落架套件的旋转扣材料，以提高整个结构的可靠性，典型例子见图12。作为齿轮材料，在Savox SV-1270TG电机中，仅使用63g钛合金可达到满足要求的扭矩。
采用纯钛制作的螺丝或Ti-6Al-4V合金制作柱螺栓，用于装配高品质DIY航空模型。


图十一  固定翼模型飞机的原理结构图


图十二  钛及钛合金零件在飞机模型中的应用：作为起落架的旋转扣

5钛及钛合金在动力伞中的应用5.1动力伞简介动力伞也被称为动力滑翔伞。动力伞最初是一种无动力降落伞，后来在20世纪80年代添加了内燃机来提供推力，使机上乘客能够飞得更高更快。现代辅助飞机能够以每小时75公里的速度飞行，并能在空中停留数小时。飞行员通过调节油门和改变背带来控制机器主体。
一般来说，动力伞可以分为两种类型:脚踏发射和车轮发射。前者用脚起降，后者用轮子，典型的脚踏发射动力伞如图13所示。
据估计，全球约有3万名动力伞飞行员，同时它也作为一项业余爱好运动正在定地发展。


图十三  动力伞展示图

5.2钛及钛合金在动力伞的应用5.2.1 动力伞结构如图13所示，脚踏发射动力伞由以下关键部件组成:框架结构、发动机、降落伞和座椅一体化安全带。例如，钛及钛合金在动力伞的应用有以下两种：
（1）法国动力伞制造商air concept在其最终130cc发动机中使用钛材料作为排气部件，见表1。使用钛合金的主要原因是为了减轻发动机的重量，同时，通过使用更强且更轻的钛合金来代替钢来实现更好的结构完整性。
（2）在Dron动力伞品牌中，钛作为框架材料应用于16mm的管材中。研发人员发现，使用钛可以使每个动力伞重量减少约1.5kg，见图14和表1。


图十四  采用钛合金制作的动力伞框架结构
6钛及钛合金在飞行竞速的应用钛及钛合金也应用于载人飞行器，即空中竞速中。飞行竞速是一项高度专业化的竞速运动，它涉及飞机或其他类型的飞机在一个固定的赛道上进行比赛。其目标是在尽可能快的时间内驾驶飞机，同时尽可能少犯规，如图15所示的空中竞速的示意图。


图十五  空中竞速

在空中竞速中，通常百分之几秒的时间就能区分胜者和败者，所以减轻重量是一个需要重视的问题，这就是为什么要使用低密度的钛及钛合金。其主要用途是作为螺钉和螺栓，以取代较重的钢螺栓(表1)。
7未来应用及发展从本章的概述中，我们可以发现钛及钛合金在无人机和其他飞行物体中的应用表现出以下特点:
（1）钛和钛合金的主要用途是作为结构材料。其中包括一些关键组件，比如用于无人机和动力伞的结构框架(表1)。钛合金应用的主要原因是为了减轻重量和提高结构可靠性，因为钛合金通常比大多数钢材具有更好的机械性能，同时它们的密度低，重量轻。Ti-6Al-4V合金的熔化温度约为1600℃，正常使用温度极限可达230℃，也可替代高温应用中的一些较低温度材料如铝，可用于丛林火灾监视或救援的无人机中。

(2) 钛和钛合金也被用作功能材料，例如，作为微扫描镜器件的基材。这是由于钛合金具有合适的杨氏模量和密度(E/ρ)组合，因此它们能够维持高频率旋转;同时它是非磁性的，这有助于避免任何与镜面系统的永磁体的干扰。
(3) Ti-6Al-4V是应用最广泛的钛合金。偶尔也会使用其它钛材料，如Ti- 3Al-5Mo-4.5V和纯钛材料。
(4) 在制造钛合金和钛合金零件方面，传统的加工方法如锻造、铸造、轧制、机械加工等占主导地位。
(e) 在通用航空领域中，成本仍然是钛及钛合金产品商业化扩张的主要问题。如前所述，钛和钛合金具有低密度、高强度、高延展性和优异的耐腐蚀性能。对其广泛应用的唯一障碍和瓶颈在于其相对较高的成本。


图十六  （A）采用金属注射成型生产的飞机紧固器 （B）采用金属成型制造的螺母 （C）不同技术工艺的比较


图十七  (A) 采用EBM制造的微型涡轮发动机零部件   (B) 微型涡轮发动机实验点火，材料采用镍基合金

从未来的角度看，加工技术的进步和原材料的发展可能进一步使钛及钛合金得到更广泛的应用。这些包括:
(1) 3D打印/增材制造技术的成熟:增材制造可以为钛及钛合计加工方式提供高度自动化、高度个性化。通用航空中包含着很多个性化的商业领域，从这个角度，未来3D打印将会更多应用于这个行业。
(2) 随着混合先进加工工艺的引入，例如熔融丝制造技术，这是另一种增材制造技术，可以作为一个快速原型制作工具，通过少量的实验运行，以提供概念证明；基于金属注射成型(MIM)的大规模生产随后可用于制造飞机模型或辅助仪表等部件。这项工艺已经证明了其可生产具有复杂几何形状和理想性能的成本较低零件的能力，见图16。这是一个涉及模具，批量生产的加工技术，是增材制造技术的补充模式，最适合制造小批量，定制的产品。
(3) 降低原材料成本:这对钛和钛合金的广泛应用至关重要。通过残废料回收、粉末改变和其他创新途径，正在努力实现这一关键目标。
(4) 对于钛材料有着更广泛的选择和应用:例如，钛铝金属间化合物可以看作是一种特殊的钛合金。它们具有独特的高温性能，最高可达800℃。从这个角度来看，也许未来就可以采用3D打印技术如EBM或SLM生产出如图17所示的微型涡轮发动机。通过3D打印和增材制造等先进加工技术提供这些关键部件，钛及钛合金产品能够在无人机和其他四个通用航空领域拥有更大的消费市场。
8结语本章介绍和分析了钛及钛合金在无人机和其他飞行物体上的应用，即微型飞行器、飞机模型、动力伞和空中竞速。通过典型的、商业化的实例，可以表明:钛及钛合金已经在上述领域得到应用，并显示出其作为结构或功能先进材料的优势和独特性。随着包括增材制造在内的新兴加工技术的成熟，以及钛材料使用成本的降低，一个更美好的未来指日可待。 本文由“壹伴编辑器”提供技术支持