استفاده از آلیاژ آلومینیوم از فضانوردی به استفاده های روزمره

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چگونه هواپیماهای عظیم در حال پرواز هستند؟ در حالی که آیرودینامیک نقش مهمی را بازی می کند، راز بخشی از مواد مورد استفاده است.دوست قدیمی صنعت هواپیماییاما کاربردهاي آن ها فراتر از فضايه است و تقريباً در هر جنبه اي از زندگي مدرن نفوذ مي کند.

آلیاژ آلومینیوم: نیروگاه های سبک وزن

واضح ترین ویژگی آلومینیوم سبک بودن آن است که تراکم آن حدود یک سوم فولاد است.از طریق اضافه کردن عناصر مختلف آلیاژ، این مواد می توانند قدرت قابل مقایسه یا حتی فراتر از فولاد را به دست آورند، که آنها را برای کاربردهایی که نیاز به خواص سبک وزن و قدرت بالا دارند، ایده آل می کند.

خانواده آلیاژ آلومینیوم متنوع است و توسط عناصر اصلی آلیاژ آنها طبقه بندی می شود:

• سری آلومینیوم-مگنیزیم (Al-Mg):منیزیم قدرت و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد. این آلیاژها به خوبی جوش داده می شوند و معمولاً در قطعات ساختاری استفاده می شوند.
• سری آلومینیوم-مانگانز (Al-Mn):منگنز باعث افزایش قدرت و مقاومت در برابر خوردگی در حالی که قابلیت شکل گیری خوبی را حفظ می کند، این آلیاژ ها را برای اجزای شکل پذیر مناسب می کند.
• سری آلومینیوم سیلیکون (Al-Si):سیلیکون به طور قابل توجهی خواص ریخته گری را بهبود می بخشد و گسترش حرارتی را کاهش می دهد، ایده آل برای بلوک های موتور و سایر قطعات ریخته شده است.
• سری آلومینیوم مس (Al-Cu):مس به طور چشمگیری قدرت و سختی را با هزینه مقاومت در برابر خوردگی کاهش می دهد، که در اجزای استرس بالا مانند دستگاه فرود هواپیما استفاده می شود.
• سری آلومینیوم-زنک (Al-Zn):روی به عنوان یکی از موثرترین عناصر تقویت کننده آلومینیوم عمل می کند و قوی ترین آلیاژ های آلومینیومی را که در سازه های هواپیما استفاده می شود تولید می کند.

ستون فقرات هواپیمایی: آلیاژ های سری 2000 و 7000

در هواپیمایی، دو خانواده آلیاژ آلومینیوم غالب هستند: سری 2000 (Al-Cu-Mg) و سری 7000 (Al-Zn-Mg) ، که هر کدام به اهداف متمایز خدمت می کنند.

آلیاژ های سری 2000در مقاومت در برابر خستگی عالی است. بال های هواپیما در طول پرواز انعطاف و پیچ و خم مداوم را تحمل می کنند که می تواند منجر به آسیب خستگی شود. این آلیاژها به خوبی در برابر چنین استرس هایی مقاومت می کنند.,تضمین یکپارچگی ساختاری.

آلیاژهای سری 7000از جمله اجزای مهم هواپیما مانند قطب های بال و مفاصل با استرس های شدید روبرو هستند، به ویژه در شرایط پرواز سخت.قدرت استثنایی این آلیاژ ها پشتیبانی لازم برای عملیات ایمن را فراهم می کند.

هر دو سری یک ضعف مشترک دارند. مقاومت محدود در برابر خوردگی. برای مقابله با این، تولید کنندگان اغلب آنها را با آلومینیوم خالص پوشش می دهند.ایجاد یک لایه محافظ "پوشیده" که در حالی که دوام را در برابر عوامل محیطی مانند آب شور و رطوبت افزایش می دهد، حفظ می کند.

ظهور رقابت ترکیبی

پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) به عنوان رقبای قوی در کاربردهای هوافضا ظهور کرده اند. با ارائه سبک، قدرت و مقاومت در برابر خوردگی برتر در مقایسه با آلیاژ های آلومینیوم،CFRP به طور فزاینده ای جایگزین مواد سنتی در بدنه و بال هواپیما می شود.

انتخاب آلیاژ استراتژیک در طراحی هواپیما

مهندسان هواپیمایی به دقت آلیاژهای آلومینیوم را بر اساس الزامات خاص فشار انتخاب می کنند:

• سطح پایین بال:تحت فشار کششی که نیاز به مقاومت عالی در برابر خستگی دارد، معمولاً آلیاژ های سری 2000
• سطح بال بالا:مقاومت در برابر فشارهای فشاری که نیاز به قدرت بالا دارند، معمولاً آلیاژ های سری 7000.
• اسپارها و مفاصل:با فشارهای متمرکز مواجه می شوند که نیاز به قدرت شدید دارند، اغلب سری 7000 یا گاهی اوقات آلیاژ های تیتانیوم.

پیشرفت های اخیر شامل آلیاژ های آلومینیوم و لیتیوم است که مزایای آلومینیوم را حفظ می کنند در حالی که مقاومت در برابر خستگی را بهبود می بخشند و کاربردهای آینده را گسترش می دهند.

برطرف کردن محدودیت های آلومینیوم

علیرغم مزایای آن ها، آلیاژ های آلومینیوم کامل نیستند. مقاومت خستگی نسبتا کم آن ها می تواند منجر به شکل گیری ترک در طول زمان شود. مهندسان با استفاده از ترکیبات مواد نوآورانه با این موضوع مبارزه می کنند.

یکی از راه حل ها ایجاد مواد ترکیبی با ترکیب آلومینیوم با مواد دیگر است.اتصال آلومینیوم با پلاستیک تقویت شده با فیبر شیشه ای (GFRP) مواد "Glare" را تولید می کنددر مقایسه با آلومینیوم سنتی، Glare به طور قابل توجهی عملکرد خستگی و خوردگی را بهبود می بخشد.

با این حال، کامپوزیت ها چالش های خود را ارائه می دهند. در حالی که Glare مقاومت کششی را بهبود می بخشد، طول کششی را در شکستن کاهش می دهد و شکنندگی را افزایش می دهد.تعادل افزایش قدرت با حفظ سختی همچنان یک تمرکز اصلی تحقیق در مواد کامپوزیت است.

آلیاژ های منیزیم: جایگزین سبک تر

علاوه بر آلومینیوم، آلیاژهای منیزیم گزینه ی سبک دیگری را ارائه می دهند. تراکم منیزیم کمتر از آلومینیوم است.از جمله استخراج بالقوه از آب دریا، تامین پایدار را تضمین می کند.

برخی از آلیاژ های منیزیم با مقاومت فولاد رقابت می کنند یا از آنها فراتر می روند در حالی که رسانایی حرارتی عالی و محافظ الکترومغناطیسی را ارائه می دهند ، که آنها را در کاربردهای الکترونیک و خودرو ارزشمند می کند.

• رسانایی حرارتی:مگنیزیم تقریباً ۲۰۰ برابر بهتر از پلاستیک گرما را هدایت می کند و به طور موثری گرما را از قطعات الکترونیکی از بین می برد.
• محافظ EMI:این آلیاژ ها مانع از تداخل الکترومغناطیسی می شوند و از وسایل الکترونیکی حساس محافظت می کنند.

آلیاژ های منیزیم نیز با چالش هایی روبرو هستند. پلاستیکی ضعیف کار سرد را دشوار می کند و نیاز به فرآیندهای تخصصی مانند ریخته گری یا thixoforming دارد.قابل اشتعال بودن آنها در دمای بالا نیاز به استفاده دقیق دارد.

پیشرفت هایی مانند آلیاژ منیزیم AZ31 مشکلات پلاستیکی را حل می کند و قابلیت شکل گیری خوبی را در 300 تا 400 درجه سانتیگراد نشان می دهد.این آلیاژ می تواند به ورق های نازک به اندازه 30 میکرو برای کاربردهای مانند دیافراگم های بلندگو پیچیده شود.

احتیاط های ویژه در هنگام کار با منیزیم ضروری است. اشکال ذوب شده یا پودری آن با اکسیژن واکنش خشونت آمیز نشان می دهد و به طور بالقوه باعث انفجار می شود.

آلیاژهای آلومینیوم فراتر از هواپیمایی

در حالی که هواپیمایی توانایی های آلومینیوم را برجسته می کند، این آلیاژها برای اهداف روزمره بی شماری استفاده می کنند:

• حمل و نقل:خودروها، قطارها و کشتی ها از سبک بودن آلومینیوم برای بهبود مصرف سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای بهره مند می شوند.
• ساخت و ساز:پنجره ها، درها و نماهای آلومینیومی زیبایی را با دوام و نگهداری آسان ترکیب می کنند.
• الکترونیک:محفظه های آلومینیومی در تلفن ها، کامپیوترها و تلویزیون ها باعث می شود که حرارت از بین برود و از نور الکترومغناطیسی محافظت کند.
• بسته بندی:ورق و قوطی های آلومینیومی مانع بسیار خوبی در برابر آلاینده ها هستند در حالی که کاملاً قابل بازیافت هستند.

انتخاب آلیاژ مناسب

آلیاژ های آلومینیومی قابلیت انعطاف پذیری و عملکرد قابل توجهی را در صنایع مختلف ارائه می دهند. با این حال، ویژگی های متنوع آنها نیاز به انتخاب دقیق برای به حداکثر رساندن مزایای در حالی که از معایب احتمالی جلوگیری می کند.درک خواص این مواد امکان انتخاب طراحی بهتر در کاربردهای بی شماری را فراهم می کند.