Stopy aluminium do zastosowań w lotnictwie

2006-08-08

Stopy aluminium dominują w strukturze samolotu Airbus, np. w Airbus A380 około 61% podzespołów wykonano ze stopów aluminiowych, 22% - z kompozytów, 10% z tytanu i stali oraz 3% - z kompozytu Glare.

Obserwuje się ciągły wzrost zainteresowania stosowaniem materiałów kompozytowych. Udział podzespołów wykonanych z kompozytów w samolocie Airbus A380 osiągnął poziom 22%, w porównaniu do 12% udziału w samolocie Airbus 340. W przyszłości, w przemyśle lotniczym, przewiduje się ciągłe współzawodnictwo pomiędzy materiałami metalowymi i kompozytowymi, ukierunkowane na projektowanie nowych materiałów. Celem jest uzyskanie niższego o 20-30% ciężaru oraz niższych o 20-40% kosztów.

Cały czas prowadzone są intensywne badania, mające na celu opracowanie nowych materiałów i technologii do zastosowań w lotnictwie, będące jednym z warunków umożliwiających doskonalenie konstrukcji samolotów. Obecnie opracowano dwie wersje samolotu Aibus 380. Są to – Airbus 380 Freighter i wprowadzony od kwietnia 2005 roku - Airbus 380 Pax.

Ważnym krokiem w rozwoju jest np. wprowadzenie stopów o udoskonalonych własnościach np. stopów Al-Li czy też nowego kompozytu Glare (laminat aluminiowy wzmocniony włóknami szklanymi tzw. FML). Technologia FML oferuje bardzo dobre własności wytrzymałościowe i pozwala na znaczne obniżenie ciężaru kadłuba samolotu. Laminaty Glare oferują unikalną kombinację m.in. takich własności jak: znakomita wytrzymałość zmęczeniowa, doskonała udarność, dobre własności korozyjne, niska palność itd.

Po kilku latach badań gotowa jest już trzecia generacja stopów Al-Li III o udoskonalonym składzie chemicznym i zoptymalizowanych warunkach obróbki cieplno-mechanicznej, opracowana specjalnie do stosowania na podzespoły w samolotach. Stop Al-Li III posiada atrakcyjniejsze własności mechaniczne niż stopy standardowe np. stop typu 2524 T351 na blachy lub stop typu 7175 T73511 do wyciskania. Gęstość stopu Al-Li jest o 5-6% niższa niż stopów konwencjonalnych, tak więc po jego zastosowaniu uzyskuje się o 350 kg niższy ciężar w samolocie A380-F i o 200 kg niższy - w wersji pasażerskiej A380-P. Ze stopu Al-Li wykonuje się również wyciskane elementy nośne podłogi samolotu A380.

Z kolei na skrzydła samolotu A380 wybrano udoskonalone stopy Al-Cu (2xxx), charakteryzujące się m.in. wysoką wytrzymałością i niską wagą oraz stopy Al-Zn (7xxx) o wysokiej wytrzymałości i odporności na korozję.

Wyzwaniem dla nowego samolotu Airbus jest nie tylko redukcja ciężaru, lecz też możliwość uzyskania podzespołów o szczególnie dużych wymiarach. W samolocie A380 uzyskano na przykład największą na świecie rozpiętość skrzydeł, wykorzystując stop 7085 do produkcji elementów kutych. Biorąc pod uwagę stan bieżącej wiedzy podjęto decyzję o zastosowaniu kompozytów na elementy skrzydeł i stopów metali na podzespoły kadłuba samolotu wytwarzane np. ze stopu Al-Li z wykorzystaniem technologii zgrzewania wiązką laserową (LBW- Laser Beam Welding) i zgrzewania poprzez tarcie (FSW- Friction Stir Welding). Zastosowanie stopów Al-Li na elementy kadłuba, w porównaniu do stopów konwencjonalnych, pozwoliło na obniżenie ciężaru o 600 kg.

Prognozuje się, że rozwój stopów aluminium będzie obejmował zaawansowane stopy, w tym m.in. nowe stopy Al-Cu (2xxx), Al-Zn (7xxx), Al-Mg-Sc, Al-Li itd. o udoskonalonych własnościach, zawsze w poszukiwaniu wyższej wytrzymałości i tolerancji na zniszczenie, lepszych własnościach korozyjnych, niższej gęstości itd.

Towarzyszące technologie (zgrzewania, odlewania, wyciskania itd.) powinny łączyć możliwości poprawy osiągów stopów z optymalizacją kosztów i obniżeniem ciężaru podzespołów stosowanych w samolotach.

Airbus A380 to dwupoziomowy samolot pasażerski, produkowany przez firmę Airbus. Pierwszy próbny lot odbył się 27 kwietnia 2005 o godzinie 10:29. Na lot zostało zabranych tylko sześć osób: dwaj piloci i czterech inżynierów-nawigatorów. Cały samolot może pomieścić maksymalnie aż 853 osoby, jednak w typowej konfiguracji dzielącej samolot na 3 klasy mieści się 555 miejsc, natomiast resztę miejsca mogą zajmować bary, restauracje, kasyna. Airbus A380 nie jest największym samolotem świata, został skonstruowany w taki sposób, by mieścił się na typowym stanowisku postojowym, czyli kwadracie o bokach 80 m. Producent samolotu apelował do wszystkich dostawców wyposażenia, aby dostarczane części były możliwie jak najbardziej odchudzone. Warstwa farby została zmniejszona o 1 mikrometr, przez co zaoszczędzono 80 kg. Poszycie górnego kadłuba zbudowane zostało z kompozytów co pozwoliło zmniejszyć masę całkowitą o 800 kg. Dodatkowe 360 kg zaoszczędzono dzięki lekkiej konstrukcji opon. Dzięki między innymi tym zabiegom Airbus A380 jest jednym z najekonomiczniejszych samolotów świata. Spala 2,9 litra na jednego pasażera na 100 km, czyli o 12% mniej niż dotychczasowy król przestworzy Boeing 747, natomiast ogólna eksploatacja jest aż o 20% tańsza. Produkcja odbywała się niebywale międzynarodowo. A380 produkowany był przez 100 firm z całego świata. Polska także ma w tym swój udział, ponieważ produkuje do niego podwozia. Koszt projektu A380 szacuje się na 12 mld dolarów, cena jednego samolotu ma wynosić ok. 300 mln dolarów.

Stopy aluminium

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.

Stopy aluminium dzieli się na:

· odlewnicze (PN-EN 1706:2001)
· do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2005)

Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych (5 - 25%), np. z krzemem (silumin); z krzemem i magnezem, z krzemem, miedzią, magnezem i manganem, z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem.

Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są gorsze niż wielu stali.

Najnowszy stop, dzięki któremu można spawać aluminium, to alumilut. Niektóre stopy aluminium nadają się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej.

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie glin, oraz dodatki stopowe: zwykle miedź (2.0-4.9 %), mangan (0.3-1.0 %), magnez (0.15-1.8 %), często także krzem, żelazo i inne w łącznej ilości ok. 6 do 8%, przeznaczony do przeróbki plastycznej. Gęstość duraluminium to ok. 2,8 g/cm³ (przy 2,7 dla czystego glinu). Po poddaniu stopu przesycaniu, a następnie starzeniu (utwardzanie wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne) posiada on wysoką wytrzymałość mechaniczną: wytrzymałość doraźna ponad 400 MPa. Najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym. Wadą durali jest niewielka odporność korozyjna. Zastosowanie: m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Rozróżnia się także dural cynkowy, który ma większą zawartość cynku 5-7% oraz miedź, magnez i mangan.

Magnale to ogólna nazwa stopów metali zawierających głównie aluminium, któremu towarzyszy domieszka magnezu w ilości od 3 do 30%. Dodatkowo stopy te mogą zawierać niewielką domieszkę miedzi. Magnale są stopami o gęstości niższej od aluminium, za to o wyższej odporności na korozję, np. gęstość przy 10% magnezu wynosi 2,55 g/cm³, przy gęstości aluminium równej 2,7. Zastosowanie: części silników, konstrukcje lotnicze.

Hydronalinium jest to stop aluminium zawierający 2-5% magnezu i 0,1-0,4% manganu do obróbki plastycznej. Posiada dobrą odporność na korozję wody morskiej, stąd jego zastosowanie w przemyśle okrętowym i chemicznym.

Awional stop aluminium do obróbki plastycznej. Zawiera ok. 4% miedzi oraz niewielkie ilości magnezu, manganu i siarki. Stosowany jest głównie jako materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym. Silumin, alpaks popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, odporny na korozję stop odlewniczy o dobrej lejności. Zawiera ok. 87% glinu i 12% krzemu, z domieszkami miedzi, magnezu, manganu i niklu. Źródło: Wikipedia, Biuletyn Instytutu Metali Nieżelaznych


  • elmar

    Gość: Daniel | 2008-04-28 17:47:06

    Na największego giganta w produkcji aluminium wyrastają Bahrajn,Emiraty Arabskie.Kraje te posiadają nadwyżkę energetyczną a produkcja aluminium jest wysoko energochłonna.Kraje te są też największymi konsumentami PITCH-u ropopochodnej substancji używanej na produkcje elektrod do wytopu aluminium.Substancje te dostarcza się do portów w stanie płynnym o temp ok 200st.

  • Górne i dolne poszycie skrzydeł, poszycie kadłuba

    Gość: Student inż lotniczej | 2006-08-08

    Poszukuję informacji na temat stopów aluminium do pokrycia górnej powierzchni skrzydeł, dolnej powierzchni skrzydeł oraz stopów aluminium stosowanych na poszycie kadłuba. Proszę o pomoc w doborze materiałów oraz w uzasadnieniu dlaczego takie a nie inne są stosowane. kontakt princo@o2.pl

  • Beznadzieja

    Gość: Sandra | 2006-08-08

    Beznadziejna strona żallllll

Dodaj komentarz