کاربرد آلومینیوم درصنایع هوا فضا و هواپیما سازی

کاربرد آلومینیوم درصنایع هوا فضا و هواپیما سازی

کاربرد آلومینیوم درصنایع هوا فضا و هواپیما سازی؛ صنعت هواپیما سازی و طراحان عرصه هوا-فضا همواره به موادی نیاز دارند که امکان تولید اسکلت های سبک وزن، با دوام و هزینه معقول را داشته باشد. علاوه بر آن در دماهای پایین و نیز دماهای بالا بتواند مقاومت لازم را داشته باشد.

پیدایش آلومینیوم آلیاژی با استحکام بالا درسال ۱۹۰۶ توسط آلفرد دیلم و کشف امکان پدیده پیرسختی در آلومینیوم آلیاژی منجر به توسعه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم درحیطه هواپیما سازی شد و از آن موقع این فلز به عنوان ماده اصلی درساختارهواپیما مورد استفاده قرار گرفته است.

کاربرد آلومینیوم درصنایع هوا فضا وهواپیما سازی

شکل ۱ – استفاده از آلومینیوم در ساخت بدنه هواپیما

با وجود بارهای دینامیکی وارد برهواپیمای بارگیری شده با وزنی حدود ۴۰۰ تن، این هواپیما باید بتواند با سرعتی حدود ۹۶۰ کیلومتر در ساعت در شرایط هوای توفانی پرواز کند. این موضوع اهمیت و نقش ویژه مواد بکار رفته در آن را مشخص می سازد.

ساختار بال های هواپیما که شامل ورقه بال های پایینی وبالایی، بال های جانبی، ورقه های آیرودینامیکی بال ها و تیرهای حایل می باشد، بیشترین میزان آلومینیوم یعنی حدود ۳۸-۳۵ درصد کل آلومینیوم مصرفی درهواپیما را به خود اختصاص داده است. این قطعات از صفحات اکسترود شده و فورج شده آلومینیوم آلیاژی ساخته می شوند تا ضمن سبکی، استحکام مورد نیاز برای این کاربرد را نیز برآورده سازند.

۳۵ درصد دیگر آلومینیوم مصرفی در ساخت هواپیما برای ساخت پوسته بدنه، قاب ها، زوارهای استحکام بخش بر روی بال و کتف بدنه مصرف می شود که از صفحات و قطعات اکسترودی و لوله های آلومینیوم آلیاژی ساخته شده اند. برخی قطعات با شکل پیچیده سه بعدی نیزازروش ریخته گری تولید می شوند. بخش مسافران یا بدنه یک هواپیمای تجاری عبارت است از یک پوسته ورقه ای آلومینیوم آلیاژی که به زوارهای استحکام بخش بر روی بال متصل است و معمولاً در فواصلی درطول آن، فریم های دایره ای (فلنچ) نصب شده است.

بدنه از ورق های روکش داده شده ساخته می شود و برای ساخت قاب ها و کف هواپیما ترکیبی از صفحات، قطعات اکسترودی و ورقه های شکل داده شده استفاده می شود، به گونه ای که در یک بوئینگ ۷۴۷ جمبوجت بیش از ۶۵ تن آلومینیوم بکار می رود.

شکل 2 - استفاده از آلومینیوم در ساخت بدنه داخلی هواپیما

شکل ۲ – استفاده از آلومینیوم در ساخت بدنه داخلی هواپیما

آلیاژهای آلومینیومی مصرفی درهواپیما سازی

هر یک از قسمت های مختلف هواپیما بر اساس بارهای وارد برآن نیاز به خواص ویژه ای دارند.
شکل 3 - بارهای وارده در هر یک از بخشهای هواپیما

شکل ۳ – بارهای وارده در هر یک از بخشهای هواپیما

آلیاژهای سری ۷۰۰۰، متداول ترین آلومینیوم آلیاژی هستند که در صنعت هوا-فضا استفاده می شوند. برای سالیان متمادی آلیاژ ۷۰۷۵ که توسط شرکت ALCOA درسال ۱۹۴۳ ساخته شده بود، مورد استفاده طراحان هواپیما بود. شرکت ALCOA این آلومینیوم آلیاژی را به عنوان اولین آلیاژ با استحکام بالا شامل (AL-Zn-Mg-Cu) معرفی کرد که فواید دیگری نیز داشت. مثلاً ازطریق آلیاژسازی با کروم، مقاومت به ترک ناشی از خوردگی تنش صفحات و ورق های ساخته شده ازاین آلیاژ ارتقاء می یافت.

این آلیاژ در ساخت سازه ها بخصوص بدنه که تلفیقی از استحکام بالا و چقرمگی (تافنس) متعادل به همراه مقاومت به خوردگی بالا را نیازدارند، بکار برده می شود. متداول ترین آلیاژ مورد استفاده در پوسته بال بالایی، آلیاژ ۷۰۷۵ است که علت کاربرد آن استحکام فشاری بالا به همراه چقرمگی شکست خوب و مقاومت به خوردگی آن است. برای بدنه بال پایینی به علت چقرمگی شکست بالا و استحکام کششی و خستگی مناسب از آلیاژ ۲۳۲۴ و ۲۲۲۴ استفاده می شود.

درحالیکه آلیاژهای ۲۰۲۴ و ۲۵۲۴ که دارای چقرمگی شکست بسیار بالا به همراه استحکام کششی قابل قبول می باشند، برای بدنه هواپیما ترجیح داده می شوند. اتصالات نیز از آلیاژهایی مثل ۷۰۵۰ (آلیاژهای فورجینگ با استحکام بالا) ساخته می شوند که چقرمگی شکست ومقاومت به خستگی خوبی دارند. براساس آخرین تحقیقات انجام گرفته در زمینه آلیاژهای آلومینیوم، بوئینگ ۷۷۷ در بدنه و پوسته بال بالایی ازآلیاژهای با استحکام بیشتری استفاده می کند که مقاومت به خوردگی بهتری نیز دارند.

آلیاژ ۲۵۲۴ که نوع پیشرفته ۲۰۲۴ است، با چقرمگی شکست بالا، به گونه ای طراحی شده که دارای تحمل ضربه بالا، وزن کم و انعطاف پذیری بالا است و بیشترهواپیماهای جدید از این آلیاژ استفاده می کنند. مثال دیگری ازآلیاژ ۲۰۲۴-HF است که یک آلیاژ با شکل پذیری بالا برای تولید مصرف دربدنه است. دو مدل آلیاژ قابل جوشکاری ۶۰۶۵ تولید شده است که برای تولید صفحات هواپیما بکار می روند و برای از بین بردن حساسیت آلیاژ به خوردگی درون دانه ای عملیات پیر سازی خاصی بر روی آن اعمال می شود.

برای اجزای بال، آلیاژهای جدیدی طراحی و تولید شده اند که شامل صفحات سنگین از آلیاژ ۷۰۴۰-T74551 با چقرمگی خوب و قابل ماشینکاری با هزینه مناسب می باشد. آلیاژ ۲۳۲۴-T39 Type2 در ساخت سه پانل بزرگ زیر بال جدید ترین نوع بوئینگ ۷۷۷ بکارفته است. عملیات حرارتی و کشش انجام شده روی آلیاژحین ساخت موجب می شود که علی رغم حفظ خواص مورد نیاز بوئینگ، بتوان از پانل های نازکتراستفاده کرد. بوئینگ اعلام کرده است که با استفاده ازآلیاژهای جدید وبا استحکام وعمرخستگی بهتر در قسمت بال ها، درهواپیمای ۷۴۷، وزن این هواپیما را به میزان ۱۹۰۰ کیلوگرم کاهش داده است.

درهواپیمای جدید جمبوجت A380 که ۵۵۵ نفر مسافر را حمل می کند از آلیاژهای جدیدی استفاده شده است که محصول شرکت ALCOA می باشند. در این هواپیما آلیاژی مقاوم به ضربه، بنام A6013HDT برای پوسته بدنه مصرف شده است. همچنین آلیاژ A7055 برای پوسته و یک آلیاژ بسیار مقاوم به ضربه به نام A2024HDT برای بدنه بال پایینی این هواپیمای غول پیکراستفاده شده است.

جدول ۱ برخی آلیاژهای مصرفی در هواپیماهای تجاری را نشان می دهد.

جدول 1 - ترکیب آلیاژهای آلومینیوم مصرفی در هواپیما

جدول ۱ – ترکیب آلیاژهای آلومینیوم مصرفی در هواپیما

انتخاب مواد جهت کاربرد در ساختار هواپیما عمدتاً بستگی به انتظارات مختلف از کارایی قطعات مورد استفاده درهواپیما دارد. آلیاژهای آلومینیوم سهم عمده ای از مواد بکار رفته درساختار هواپیماهای ایرباس را به خود اختصاص داده اند. به عنوان مثال در A380 جدیدترین محصول این شرکت، ۶۰ درصد ساختارهواپیما از آلیاژهای آلومینیوم، ۲۲% کامپوزیت ها، ۱۰% تیتانیم و فولاد و ۳% از Glare (لایه های متناوب از ورق های آلومینیومی و فیبرهای شیشه) ساخته شده است.

امروزه مواد کامپوزیتی نیز از جایگاه ویژه ای در صنعت هواپیما سازی برخوددار گشته اند. مواد کامپوزیتی وآلومینیومی جهت مصرف در صنایع هوا فضا رقابت شدیدی را آغاز نموده اند و هر یک به دنبال یافتن مواد، آلیاژها و روش های جدیدی هستند تا بتوانند موادی با کارایی بالاتر را تولید کنند. دراین راستا صنایع آلومینیوم آلیاژهای جدیدی را وارد عرصه صنعتی نموده اند. ازجمله آنها آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم می باشد.

پس از چندین سال تحقیق وتوسعه بر روی این خانواده جدید از آلیاژها، سومین نسل ازآلیاژهای Al-Li اکنون در حال استفاده درهواپیما هستند، چرا که معایب موجود درانواع نخستین آنها (شکل پذیری و چقرمگی شکست پایین درجهات کوتاه عرضی و پایداری حرارتی کم آنها) به واسطه بهبود و پیشرفت در ترکیب شیمیایی آلیاژها و بهینه سازی عملیات ترمومکانیکی بر روی آنها حل شده است.

این آلیاژها مجموعه خواص مکانیکی بهتری را نسبت به آلیاژهای استاندارد (۲۵۲۴-T351 برای ورق ها و یا ۷۱۷۵-T73511 برای مقاطع اکستروژن) نشان می دهند. ازآنجا که چگالی این آلیاژها %۶-۵ کمتر از آلیاژهای متداول قبلی است، استفاده از آنها منجر به کاهش وزن به میزان ۳۵۰kg درهواپیماهای A380-F و ۲۰۰kg در مدل مسافربری شده است.

تحقیقات زیادی بر روی آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم (Al-Li) به عنوان خانواده جدید آلیاژهای آلومینیوم انجام گرفته است و تولید و استفاده از این آلیاژ را به حد بالایی رسیده است. به دلیل چگالی پایین لیتیوم (۰/۵۴g/cm) و نیز حلالیت بالای حالت جامد آن درآلومینیوم به ازای هر یک درصد افزایش لیتیوم درآلیاژ، دانسیته آلیاژ آلومینیوم سه درصد کاهش و مدول الاستیک آن شش درصد افزایش می یابد.

همچنین لیتیم باعث افزایش مقاومت به رشد ترک ناشی از تنش خستگی و نیز افزایش چقرمگی در دماهای پایین می شود. به این ترتیب به نظر می رسد این آلیاژها جزء آخرین فرصتها برای توسعه انواع کاملاً جدید آلیاژهای آلومینیوم هستند که امکان رقابت با کامپوزیتها جهت استفاده در سازه هواپیما و سفینه ها را دارند. دو آلیاژ ۸۰۹۰ و ۲۰۹۰ از مهمترین آلیاژهای حاوی لیتیوم هستند که در صنعت هواپیما سازی از جایگاه مصرفی بالایی برخوردار گشته اند.

شکل 5 - موارد مصرف آلیاژهای آلومینیوم- لیتیم در هواپیمای مسافربری

شکل ۵ – موارد مصرف آلیاژهای آلومینیوم- لیتیم در هواپیمای مسافربری

شکل 6 - موارد مصرف آلیاژهای آلومینیوم - لیتیم در هواپیمای جنگی

شکل ۶ – موارد مصرف آلیاژهای آلومینیوم – لیتیم در هواپیمای جنگی

کاربرد مواد آلومینیومی در سفینه های فضایی، هواپیماهای پیشرفته و نظامی، موشکها و سایر وسایل پیشرفته در صنایع هوا فضا از سایرموارد کاربرد این فلز می باشد که مجالی بس فراخ جهت توضیح می طلبد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *