Висококачествени материали за най-взискателния сектор - Metalmecбnica

През следващите 20 години се прогнозира значително увеличение на търсенето на въздушен транспорт. Икономическият растеж на различни региони на света до този момент незначителен, като Бразилия, Русия, Индия и Китай, ще ги постави в челните места в световната класация през тези двадесет години. Броят на пътуващите по въздух вероятно ще се удвои с нарастващото търсене на нови самолети, което се оценява на между 13 500 и 19 000. Това означава годишни доставки на между 685 и 950 самолета, с обща прогнозна стойност от около 1,35 трилиона долара. Ограничавайки се само до Европа, броят на полетите през този период се очаква да нарасне с 50% и само Германия ще изисква 1000 нови самолета според прогнозата на Airbus за глобалния пазар.

На глобалния пазар иновациите играят решаваща роля за поддържането и нарастването на пазарните дялове. Вече се работи за разработване на аеронавигационни двигатели, които са все по-надеждни, икономични и произвеждат ниски нива на химическо и акустично замърсяване. В този контекст екологичните цели в Европа за 2020 г. се фокусират върху намаляване на емисиите на въглероден диоксид с 50%, азотен оксид с 80% и шум с 50%.

Важната роля на усъвършенстваните материали

Забележителните експлоатационни характеристики на съвременните космически апарати до голяма степен са резултат от напредъка в областта на високоефективните материали и от различните производствени технологии, използвани в различните части на самолета. За да получат непрекъснато увеличаване на производителността, дизайнерите постоянно търсят материали, които са по-леки, здрави и по-трайни.

Както виждаме на фигура 1, в търговски самолет само 14% се използват за превоз на пътници, което генерира печалби. Следователно спестяването на тегло, колкото и малко да е, е оптимизация с голяма стойност. Например, 1% икономия на тегло на самолета увеличава полезния товар с 15%. Което представлява увеличение от почти 7%.

Както е добре известно, най-ефективният начин за намаляване на теглото на фюзелажа и подобряване на неговите характеристики е намаляване на плътността и увеличаване на механичните свойства. Намаляването на плътността на материала се оценява на около 3 до 5 пъти по-ефективно от увеличаването на якостта на опън, модула или толеранса на повреди. За турбините с реактивен двигател напредъкът в материалите позволи значително повишаване на работните температури, което се превръща в по-високи нива на тяга, отново увеличавайки производителността.

Различни материали

Традиционните материали, използвани в този взискателен въздухоплавателен и космически сектор, са изброени по-долу.

Алуминиеви сплави

Al сплавите са основният материал във фюзелажа на самолетите, откакто започнаха да заменят дървото през 20-те години. Въпреки че ролята на алуминия в бъдещето на аерокосмическата индустрия като структурен материал вероятно е до известна степен подкопана от нарастващото използване на композитни материали, висока якост алуминиевите сплави са и ще продължат да бъдат подходящ материал за фюзелажа. Привлекателността на алуминия е, че той е относително евтин, лек метал, който може да бъде подложен на доста високи нива на сила в топлина и е един от най-лесните високопроизводителни материали за производство, което обикновено е пряко свързано с по-ниските разходи.

Основните причини за използването му са:

Висока устойчивост на тегло.
Интересни криогенни свойства. Алуминиевите сплави не се кришат при ниски температури и стават още по-силни, тъй като температурата намалява без значителни загуби на пластичност.
Обработваемост. Алуминиевите сплави са най-лесните от всички метали за формиране и обработка.
Устойчивост на корозия в естествена среда.
Пригодност за съхранение на храни и напитки.
Висока електрическа и топлопроводимост.
Лесно рециклиране.

Сплавите от алуминий-мед (серия 2XXX) и алуминий-цинк (серия 7XXX) са основните сплави, използвани в структурни приложения на планери. 2XXX сплави се използват в приложения за толерантност към повреди, като долни части на крилото и конструкция на фюзелажа на търговски самолети, докато 7XXX сплави се използват там, където се изисква по-висока якост, като горни повърхности на крилото. 2XXX сплавите също имат леко предимство, като имат по-голяма способност да издържат на температура (150 срещу 120 ° C).

Подобренията на състава и обработката непрекъснато водят до подобряване на сплавите. Намаляването на примесите, особено желязото и силиция, е довело до по-висока жилавост на счупване и подобрена устойчивост на иницииране на пукнатини и нарастване на пукнатини.

Примери за тези нови сплави са 2524-T3, 7150-T77 и 7055-T77, които се използват по-специално в Boeing 777. Известната сплав 2024-T3 е една от най-широко използваните в конструкцията на фюзелажа. Въпреки че има само умерена граница на добив, той има много добра устойчивост на нарастване на пукнатините от умора, както и добра жилавост на разрушаване. Въпреки това, по-новата сплав 2524-T3 има 15-20% подобрение на якостта на разрушаване и двойно по-голяма устойчивост на нарастване на пукнатините в сравнение с 2024-T3.

7XXX сплавите имат по-големи предимства от 2XXX сплавите и се използват в листове, плочи, изковки и екструдиране. Подобно на 2024-T3, 7075-T6 се използва в продължение на много години в конструкцията на фюзелажа; корозионното напукване обаче е повтарящ се проблем. По-новите сплави, като 7055-T77, имат по-висока якост и толерантност спрямо 7050-T7451, докато 7085-T7651 има по-висока твърдост в дебели секции. Заедно със затягането на контрола на състава и премахването на нежеланите примеси, разработването на по-добри процедури за топлинно стареене на сплави 7XXX доведе до значително намалено корозионно напукване под напрежение и подобрена устойчивост на разрушаване, с минимално въздействие върху силата.

Подобренията в технологията за производство на алуминиеви части, включително високоскоростна обработка и заваряване чрез триене, имат пряко въздействие върху по-ниските разходи.

Магнезий и берилий

Въпреки че и магнезият, и берилият са изключително леки материали, и двамата имат сериозни недостатъци, които ограничават приложението им. Магнезиевите сплави обикновено се конкурират с алуминиевите сплави за структурни приложения. В сравнение с алуминиевите сплави с висока якост, магнезиевите сплави обикновено не са толкова здрави и имат по-нисък модул на еластичност. Въпреки това, магнезиевите сплави са значително по-леки и следователно по-конкурентни спрямо специфичното тегло и специфичния основен модул. Най-голямата пречка за използването на магнезиеви сплави е изключително лошата им устойчивост на корозия. Магнезият заема най-високото анодно положение в галваничната серия и следователно не е потенциално устойчив на корозия. Освен това е труден материал за работа, тъй като е взривоопасен.