Aluminiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrt in den Alltag

Die Luftdynamik spielt zwar eine entscheidende Rolle, aber das Geheimnis liegt zum Teil in den verwendeten Materialien.Der langjährige Begleiter der LuftfahrtindustrieSie ermöglichen das moderne Fliegen durch ihre einzigartige Kombination aus Leichtigkeit und Stärke, aber ihre Anwendungen reichen weit über die Luft- und Raumfahrt hinaus und durchdringen fast jeden Aspekt des modernen Lebens.

Aluminiumlegierungen: Die leichten Kraftwerke

Die offensichtlichste Eigenschaft von Aluminium ist seine Leichtigkeit mit einer Dichte von etwa einem Drittel der Stahldichte.Durch Zusatz verschiedener LegierungselementeDiese Materialien können eine Festigkeit erreichen, die mit der des Stahls vergleichbar oder sogar übertrifft, was sie ideal für Anwendungen macht, die sowohl leichte Eigenschaften als auch hohe Festigkeit erfordern.

Die Aluminiumlegierungsfamilie ist vielfältig und wird nach ihren primären Legierungselementen kategorisiert:

• mit einer Breite von mehr als 20 mm,Magnesium erhöht die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit.
• mit einer Breite von mehr als 10 mm,Mangan erhöht die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und behält gleichzeitig eine gute Formbarkeit bei, wodurch diese Legierungen für geformte Bauteile geeignet sind.
• mit einer Breite von mehr als 20 mm,Silizium verbessert die Gießeigenschaften erheblich und reduziert die thermische Ausdehnung, ideal für Motorblöcke und andere Gießteile.
• mit einer Breite von mehr als 10 mm,Kupfer erhöht die Festigkeit und Härte drastisch, wenn er die Korrosionsbeständigkeit verringert.
• mit einer Breite von mehr als 20 mm,Zink dient als eines der wirksamsten Verstärkungsstoffe von Aluminium und erzeugt die stärksten Aluminiumlegierungen, die in Flugzeugkonstruktionen verwendet werden.

Rückgrat der Luftfahrt: Legierungen der Serien 2000 und 7000

In der Luftfahrt dominieren zwei Aluminiumlegierungsfamilien: die Serie 2000 (Al-Cu-Mg) und die Serie 7000 (Al-Zn-Mg), die jeweils unterschiedlichen Zwecken dienen.

Legierungen der Baureihe 2000Flugzeugflügel ertragen während des Fluges ständige Biegung und Verdrehung durch zyklische Belastungen, die zu Müdigkeitsschäden führen können.,Sicherstellung der strukturellen Integrität.

Legierungen der Baureihe 7000Kritische Flugzeugkomponenten wie Flügelspannen und -gelenke sind besonders bei anspruchsvollen Flugbedingungen extrem belastet.Die außergewöhnliche Festigkeit dieser Legierungen bietet die notwendige Unterstützung für einen sicheren Betrieb.

Beide Serien haben eine gemeinsame Schwäche: begrenzte Korrosionsbeständigkeit.Schaffung einer schützenden "bekleideten" Schicht, die die Festigkeit beibehält und gleichzeitig die Haltbarkeit gegen Umweltfaktoren wie Salzwasser und Feuchtigkeit erhöht.

Der Aufstieg des komplizierten Wettbewerbs

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFRP) haben sich als starke Konkurrenten in der Luft- und Raumfahrt entwickelt.CFRP ersetzt in zunehmendem Maße herkömmliche Materialien in Flugzeugrumpf und Flügel.

Strategische Legierungsauswahl im Flugzeugdesign

Flugzeugingenieure wählen Aluminiumlegierungen sorgfältig nach den spezifischen Belastungsbedürfnissen aus:

• Unterflächen der Flügel:Unterliegt Zugspannungen, die eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit erfordern, typischerweise Legierungen der Baureihe 2000.
• Oberflächen der Flügel:Sie ertragen Druckbelastungen, die eine hohe Festigkeit erfordern, in der Regel Legierungen der Serie 7000.
• mit einem Durchmesser von mehr als 20 mmKonzentrierte Spannungen, die eine extreme Festigkeit erfordern, werden oft mit 7000er Serie oder manchmal mit Titanlegierungen bewältigt.

Zu den jüngsten Entwicklungen gehören Aluminium-Lithium-Legierungen, die die Vorteile von Aluminium beibehalten und gleichzeitig eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit bieten, was eine Erweiterung der zukünftigen Anwendungen verspricht.

Die Grenzen von Aluminium zu überwinden

Trotz ihrer Vorteile sind Aluminiumlegierungen nicht perfekt. Ihre relativ geringe Ermüdungsfestigkeit kann im Laufe der Zeit zu Rissen führen.

Eine Lösung ist die Herstellung von Verbundwerkstoffen durch Kombination von Aluminium mit anderen Materialien.Durch die Verbindung von Aluminium mit Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) entsteht ein "Glare"-Material, das die Leichtigkeit und Verarbeitbarkeit des Aluminiums beibehält und gleichzeitig die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit des GFK erhöhtIm Vergleich zu herkömmlichem Aluminium zeigt Glare eine deutlich verbesserte Ermüdungs- und Korrosionsfähigkeit.

Der Glare verbessert zwar die Zugfestigkeit, reduziert aber die Verlängerung beim Bruch und erhöht somit die Bruchbarkeit.Das Gleichgewicht zwischen erhöhter Festigkeit und erhaltener Zähigkeit ist nach wie vor ein Schwerpunkt der Forschung in Verbindung mit Verbundwerkstoffen.

Magnesiumlegierungen: Die leichtere Alternative

Neben Aluminium bieten Magnesiumlegierungen eine weitere leichte Option.einschließlich der möglichen Gewinnung aus Meerwasser, sorgt für eine stabile Versorgung.

Bestimmte Magnesiumlegierungen sind mit der Stärke von Stahl konkurrierend oder sogar stärker als Stahl und bieten gleichzeitig eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und elektromagnetische Abschirmung, was sie für Elektronik- und Automobilanwendungen von Wert macht.

• Wärmeleitfähigkeit:Magnesium leitet etwa 200-mal besser Wärme als Kunststoff, wodurch es die Wärme von elektronischen Bauteilen effektiv abtrennt.
• EMI-Schutz:Diese Legierungen blockieren elektromagnetische Störungen und schützen sensible Elektronik.

Auch Magnesiumlegierungen stehen vor Herausforderungen. Die schlechte Plastizität erschwert die Kaltbearbeitung und erfordert spezielle Verfahren wie Druckguss oder Thixoforming.Ihre Entflammbarkeit bei hohen Temperaturen erfordert eine sorgfältige Handhabung.

Entwicklungen wie die Magnesiumlegierung AZ31 lösen Plastizitätsprobleme, da sie bei 300-400 °C eine gute Formbarkeit aufweist.Diese Legierung kann in dünne Folien gerollt werden, die nur 30 Mikrometer groß sind, für Anwendungen wie Lautsprecherdiaphragmen.

Besondere Vorsichtsmaßnahmen sind notwendig, wenn man mit Magnesium arbeitet, dessen geschmolzene oder pulverförmige Formen heftig mit Sauerstoff reagieren und möglicherweise Explosionen verursachen.

Aluminiumlegierungen außerhalb der Luftfahrt

Während die Luftfahrt die Fähigkeiten von Aluminium hervorhebt, dienen diese Legierungen unzähligen Alltagszwecken:

• Transportmittel:Autos, Züge und Schiffe profitieren von dem leichten Aluminiumgewicht, wodurch der Treibstoffverbrauch verbessert und die Emissionen reduziert werden.
• Bauwesen:Fenster, Türen und Fassaden aus Aluminium verbinden Ästhetik mit Langlebigkeit und einfacher Wartung.
• Elektronik:Aluminiumgehäuse in Telefonen, Computern und Fernsehern verbessern die Wärmeabgabe und die elektromagnetische Abschirmung.
• Verpackung:Aluminiumfolie und Dosen bieten eine hervorragende Barriere gegen Schadstoffe und sind gleichzeitig vollständig recycelbar.

Auswahl der richtigen Legierung

Aluminiumlegierungen bieten eine bemerkenswerte Vielseitigkeit und Leistungsfähigkeit in allen Branchen.Das Verständnis der Eigenschaften dieser Materialien ermöglicht bessere Designentscheidungen für unzählige Anwendungen.