Zašto aluminij nosi konstrukciju zrakoplova
Komercijalna konstrukcija zrakoplova još uvijek je pretežno aluminijska po masi. Razlog nije jedno svojstvo, već kombinacija: gustoća od oko 2,7 g po kubičnom centimetru, vlačna čvrstoća iznad 400 MPa u uvjetima veće čvrstoće, dobra otpornost na zamor kada se razumije spektar opterećenja i proizvodna baza iza koje stoje desetljeća iskustva oblikovanja, strojne obrade i zakivanja. Kompozitne strukture zauzimaju sve veći udio primarne strukture, ali aluminij i dalje dominira kožom trupa, stringerima, okvirima, rebrima i velikim dijelom strukture krila, gdje su ukrućeni metalni paneli učinkoviti i tolerantni na oštećenja.
Glavne obitelji legura konstrukcije zrakoplova
| Legura | Obitelj | Tipične ćudi | Uloga konstrukcije zrakoplova |
|---|---|---|---|
| 2024 | Al-Cu-Mg | T3, T351, T42 | Koža trupa i struktura-koja dominira napetost |
| 7075 | Al-Zn-Mg-Cu | T6, T73, T7351 | Krila, spojnice, elementi visoke čvrstoće |
| 7050 | Al-Zn-Mg-Cu | T7451 | Debeli dijelovi gdje je bitna žilavost u dubini |
| 2219 | Al-Cu-Mn | T81, T87 | Visokotemperaturne i zavarljive strukture |
| 6061 | Al-Mg-Si | T6, T651 | Sekundarna struktura, nosači, okovi |
Granice sastava i svojstava za ove stupnjeve objavljene su u ASTM B209 za lim i ploču, s 2024 i 7075 koji se obično navode pri minimalnoj vlačnoj čvrstoći od oko 470 MPa odnosno 570 MPa u gore navedenim temperamentima. Kompromis-u cijelom stolu je uvijek snaga u odnosu na žilavost i otpornost na koroziju: 7075 u T6 je najjači u skupini, dok T73 i T7451 s pretjeranim temperacijama žrtvuju dio čvrstoće kako bi poboljšali otpornost na pucanje od korozije pod naponom i povećali žilavost loma.
Temperatura, nadmorska visina i kriogeno ponašanje
Uvjeti krstarenja postavljaju konstrukciju zrakoplova na nisku temperaturu i niski tlak, a aluminij dobro podnosi oboje. Koeficijent toplinske ekspanzije ovih legura je oko 23 milijuntinke po stupnju Celzijusa, što je dobro karakterizirano i uračunato u konstrukciju sklopa i brtve, a ne kao ograničavajući faktor. Aluminijske legure zadržavaju korisnu žilavost na niskim temperaturama, zbog čega se već dugo koriste za kriogene spremnike, a toplinska vodljivost u rasponu od 120 do 190 vata po metru-kelvina pomaže u distribuciji topline iz vrućih zona u okolnu strukturu. Težina ušteđena u konstrukciji zrakoplova izravno se pretvara u sagorijevanje goriva, tako da svaki kilogram uklonjen iz strukture ima dodatnu korist tijekom životnog vijeka zrakoplova.
Motori, toplina i zamjena materijala
Aluminij nije materijal za visoke temperature. Iznad otprilike 120 do 150 stupnjeva Celzijusa počinje gubiti čvrstoću, a talište uobičajenih legura je blizu 660 stupnjeva Celzijusa. U instalacijama motora aluminij se stoga pojavljuje u hladnom kraju: lopatice ventilatora u kovanom obliku, kućišta kompresora, kućišta mjenjača i nosači pribora, dok se u vrućem dijelu koriste legure nikla i titana. Aluminizirani toplinski pokrivači i reflektirajuće folije koriste se oko gondola i pomoćnih pogonskih jedinica kako bi se smanjila toplina zračenja koja dopire do aluminijske strukture, a toplinski štitovi koriste refleksiju i vodljivost metala, a ne njegovu čvrstoću.
Umor, spajanje i kraj-oporavka-života
Dizajn zamora upravlja većinom detalja konstrukcije zrakoplova. Spektar opterećenja je definiran, koncentracije naprezanja na rupama za pričvršćivače kontrolirane su hladnom obradom i interferentnim pristajanjem, a intervali inspekcije postavljeni su iz podataka o rastu pukotine, a ne iz jednostavne granice izdržljivosti. Zakivanje i spajanje vijcima ostaju dominantne metode spajanja aluminijskih konstrukcija jer izbjegavaju zonu-pogođenosti toplinom koju bi zavarivanje stvorilo u leguri visoke čvrstoće koja je-otvrdnula. Na kraju radnog vijeka konstrukcija zrakoplova se rastavlja, a aluminijska frakcija se odvaja i ponovno topi; aluminijske legure zadržavaju svoju vrijednost legiranja nakon ponovnog taljenja, tako da se obnovljeni metal konstrukcije zrakoplova vraća u sekundarne legure i u nove kovane proizvode, ovisno o praksi odvajanja.
Često postavljana pitanja
Q:Zašto se 7075 ne koristi za oblogu trupa?
O: 7075 je jači, ali ima nižu žilavost i lošiju otpornost na naponsku koroziju u stanju T6, tako da su obloge općenito izrađene od legura tipa 2024 s boljom tolerancijom na oštećenja.
Q:Što mijenja temperament T73?
O: To je obrada prekomjernog starenja primijenjena na legure 7xxx koja malo smanjuje čvrstoću, ali uvelike poboljšava otpornost na pucanje od korozije i povećava otpornost na lom.
Q:Mogu li se aluminijski okviri reciklirati?
O: Da. Aluminij zadržava svoj sadržaj legure nakon ponovnog taljenja, a rastavljeni okviri zrakoplova poznati su izvor visokovrijednog otpada nakon što se razdvoje premazi i miješani materijali.
Q:Može li se aluminij konstrukcije zrakoplova zavarivati umjesto zakivati?
O: Neki tipovi koji se mogu zavarivati, kao što je 2219, spajaju se zavarivanjem, ali starenjem-otvrdnute opne visoke čvrstoće obično se zakivaju jer zavarivanje degradira zonu-zahvaćenu toplinom.
Q:Zašto aluminij tako dobro podnosi niske temperature krstarenja?
O: Ove legure zadržavaju čvrstoću i žilavost na niskim temperaturama, a njihova toplinska ekspanzija je dobro karakterizirana, tako da je natapanje u hladnoći ulaz u dizajn, a ne ograničenje materijala.
Q:Što ograničava aluminij u primjeni motora?
O: Radna temperatura. Čvrstoća opada iznad oko 150 stupnjeva Celzijusa, tako da je aluminij ograničen na hladne dijelove motora i strukturu zrakoplova.