Materiale de înaltă performanță pentru cel mai exigent sector - Metalmecбnica

În următorii 20 de ani, a fost prognozată o creștere semnificativă a cererii de transport aerian. Creșterea economică a diferitelor regiuni ale lumii până acum marginale, precum Brazilia, Rusia, India și China, le vor plasa în topul clasamentului mondial în acești douăzeci de ani. Numărul călătorilor pe cale aeriană se va dubla probabil odată cu creșterea cererii de aeronave noi, care se estimează a fi între 13.500 și 19.000. Aceasta înseamnă livrări anuale între 685 și 950 de aeronave, cu o valoare estimată totală de aproximativ 1,35 miliarde de dolari. Limitându-ne doar la Europa, se așteaptă ca numărul zborurilor din această perioadă să crească cu 50% și doar Germania va cere 1.000 de avioane noi conform previziunilor pieței globale a Airbus.

Pe piața globală, inovația joacă un rol decisiv în menținerea și creșterea cotelor de piață. Se lucrează deja la dezvoltarea motoarelor aeronautice care sunt din ce în ce mai fiabile, economice și care produc niveluri scăzute de poluare chimică și acustică. În acest context, obiectivele de mediu din Europa pentru 2020 se concentrează pe reducerea emisiilor de dioxid de carbon cu 50%, oxid nitric cu 80% și zgomot cu 50%.

Rolul important al materialelor avansate

Caracteristicile remarcabile de performanță ale vehiculelor aerospațiale de astăzi sunt în mare parte rezultatul progreselor în domeniul materialelor de înaltă performanță și în diferitele tehnologii de fabricație utilizate în diferitele părți ale aeronavei. Pentru a obține creșteri continue de performanță, designerii caută în permanență materiale mai ușoare, mai puternice și mai durabile.

După cum putem vedea în figura 1, într-un avion comercial doar 14% este utilizat pentru transportul de pasageri, ceea ce generează profituri. Prin urmare, o economie în greutate, oricât de mică ar fi, este o optimizare de mare valoare. De exemplu, o economie de 1% în greutate a aeronavei crește sarcina utilă cu 15%. Ceea ce reprezintă o creștere de aproape 7%.

După cum se știe, cel mai eficient mod de a reduce greutatea fuselajului și de a-i îmbunătăți performanța este de a reduce densitatea și de a crește proprietățile mecanice. S-a estimat că reducerea densității materialului este de aproximativ 3 până la 5 ori mai eficientă decât creșterea rezistenței la tracțiune, a modulului sau a toleranței la avarie. Pentru turbinele cu motor cu reacție, progresele în materie de materiale au permis creșteri semnificative ale temperaturilor de funcționare, care se traduc în niveluri de tracțiune mai mari, sporind din nou performanța.

Diverse materiale

Materialele tradiționale utilizate în acest exigent sector aeronautic și aerospațial sunt enumerate mai jos.

Aliaje de aluminiu

Aliajele de Al au fost principalul material în fuselajul avioanelor de când au început să înlocuiască lemnul în anii 1920. Deși rolul aluminiului în viitorul industriei aerospațiale ca material structural este probabil oarecum erodat de creșterea utilizării de materiale compozite, de înaltă rezistență. aliajele de aluminiu sunt și vor continua să fie un material relevant pentru fuselaj. Apelul aluminiului este că este un metal ușor, relativ scăzut, care poate fi supus unor niveluri destul de ridicate de forță la căldură și este unul dintre cele mai ușoare materiale de înaltă performanță de fabricat, care, în general, este direct corelat cu cheltuieli.

Principalele motive pentru utilizarea sa sunt:

Rezistență ridicată la greutate.
Proprietăți criogenice interesante. Aliajele de aluminiu nu se fragilizează la temperaturi scăzute și devin și mai puternice pe măsură ce temperatura scade fără pierderi semnificative de ductilitate.
Mașinabilitate. Aliajele de aluminiu sunt cele mai ușor de format și prelucrat din toate metalele.
Rezistență la coroziune în medii naturale.
Potrivit pentru depozitarea alimentelor și băuturilor.
Conductivitate electrică și termică ridicată.
Usurinta reciclarii.

Aliajele de aluminiu-cupru (seria 2XXX) și aliajele de aluminiu-zinc (seria 7XXX) sunt principalele aliaje utilizate în aplicațiile structurale ale cadrelor de aer. Aliajele 2XXX sunt utilizate în aplicații de toleranță la defecte, cum ar fi piesele de aripi inferioare și structura fuselajului aeronavelor comerciale, în timp ce aliajele 7XXX sunt utilizate acolo unde este necesară o rezistență mai mare, cum ar fi suprafețele aripii superioare. Aliajele 2XXX au, de asemenea, un ușor avantaj, având o capacitate mai mare de a rezista la temperatură (150 vs 120 ° C).

Îmbunătățirile compoziționale și de control al procesării au dus în mod continuu la îmbunătățirea aliajelor. Reducerea impurităților, în special a fierului și a siliciului, a dus la o rezistență mai mare la rupere și la o rezistență îmbunătățită la inițierea fisurilor la oboseală și la creșterea fisurilor.

Exemple ale acestor noi aliaje sunt 2524-T3, 7150-T77 și 7055-T77, care sunt utilizate în mod specific în Boeing 777. Celebrul aliaj 2024-T3 a fost unul dintre cele mai utilizate pe scară largă în construcția fuselajului. Deși are un punct de randament moderat, are o rezistență foarte bună la creșterea fisurilor de oboseală, precum și o rezistență bună la fractură. Cu toate acestea, noul aliaj 2524-T3 are o îmbunătățire de 15-20% a rezistenței la rupere și de două ori mai mare decât rezistența la creșterea fisurilor de oboseală comparativ cu 2024-T3.

Aliajele 7XXX au avantaje mai mari decât aliajele 2XXX și sunt utilizate în foi, plăci, forjate și extrudare. La fel ca 2024-T3, 7075-T6 a fost folosit de mulți ani în construcția fuselajului; cu toate acestea, fisurarea prin coroziune a fost o problemă recurentă. Aliajele mai noi, cum ar fi 7055-T77, au rezistență și toleranță la erori mai mari decât 7050-T7451, în timp ce 7085-T7651 are o rezistență mai mare în secțiuni groase. Împreună cu consolidarea controalelor compoziționale și îndepărtarea impurităților nedorite, dezvoltarea unor tratamente mai bune de îmbătrânire a căldurii pentru aliajele 7XXX a dus la crăparea puternică a coroziunii la stres și la rezistența îmbunătățită la fracturi, cu impact minim asupra forței.

Îmbunătățirile tehnologiei pentru fabricarea pieselor din aluminiu, inclusiv prelucrarea cu viteză mare și sudarea prin frecare, au un impact direct asupra costurilor mai mici.

Magneziu și beriliu

Deși atât magneziul, cât și beriliul sunt materiale extrem de ușoare, ambele au dezavantaje grave care le limitează aplicațiile. Aliajele de magneziu concurează în general cu aliajele de aluminiu pentru aplicații structurale. Comparativ cu aliajele de aluminiu de înaltă rezistență, aliajele de magneziu nu sunt în mod normal la fel de puternice și au un modul de elasticitate mai mic. Cu toate acestea, aliajele de magneziu sunt semnificativ mai ușoare și, prin urmare, sunt mai competitive față de greutatea specifică și modulul de bază specific. Cel mai mare obstacol în calea utilizării aliajelor de magneziu este rezistența lor extrem de slabă la coroziune. Magneziul ocupă cea mai înaltă poziție anodică din seria galvanică și, prin urmare, nu este rezistent la coroziune. În plus, este un material dificil de utilizat, deoarece este exploziv.