از فلز آلومینیوم در صنایع مختلف و برای ساخت وسایل بسیاری استفاده می‌شود. یکی از اصلی‌ترین موارد کاربرد آلومینیوم، استفاده از آن در صنایع هوافضا و ساخت هواپیما است.

صنعت هواپیما سازی و طراحان عرصه هوافضا همواره به موادی نیاز دارند که امکان تولید اسکلت‌های 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 آلومینیوم در صنایع هوافضا و هواپیماسازی شد و از آن موقع این فلز به عنوان ماده اصلی درساختارهواپیما مورد استفاده قرار گرفته است.

کاربرد آلومینیوم در ساخت 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 طوفانی پرواز کند. این موضوع اهمیت و نقش ویژه مواد بکار رفته در آن را مشخص می‌سازد. همین موضوه به افزایش کاربرد آلومینیوم در صنایع هوافضا کمک می‌کند.

ساختار بال‌های هواپیما که شامل ورقه بال‌های پایینی و بالایی، بال‌های جانبی، ورقه‌های آیرودینامیکی بال‌ها و تیرهای حایل است، 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 می‌شوند 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، قابها، زوارهای استحکام بخش بر روی بال و کتف بدنه مصرف می‌شود که از صفحات و قطعات اکسترودی و لوله‌های آلومینیوم آلیاژی ساخته شده‌اند. برخی قطعات با شکل پیچیده سه بعدی نیزاز روش ریخته‌گری تولید می‌شوند. بخش مسافران یا بدنه یک هواپیمای تجاری عبارت است از یک پوسته ورقه‌ای آلومینیوم آلیاژی که به زوارهای استحکام بخش بر روی بال متصل است و معمولاً در فواصلی درطول آن، فریم‌های دایره‌ای (فلنچ) نصب شده است.

بدنه از ورق‌های روکش داده شده ساخته می‌شود و برای ساخت قاب‌ها و کف هواپیما ترکیبی از صفحات، قطعات اکسترودی و ورقه‌های شکل داده شده استفاده می‌شود، به گونه‌ای که در یک بوئینگ ۷۴۷ جمبوجت بیش از ۶۵ تن آلومینیوم بکار می‌رود.

آلیاژهای آلومینیومی مصرفی درهواپیما سازی

هر یک از قسمت‌های مختلف هواپیما بر اساس بارهای وارد برآن نیاز به خواص ویژه‌ای دارند.

آلیاژهای سری ۷۰۰۰، متداول‌ترین آلومینیوم آلیاژی هستند که در صنعت هوافضا استفاده می‌شوند. 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 ورق‌های ساخته شده ازاین آلیاژ ارتقاء می‌یافت.

این آلیاژ در ساخت سازه‌ها به‌خصوص بدنه که تلفیقی از استحکام بالا و چقرمگی (تافنس) متعادل، به همراه مقاومت به خوردگی بالا را نیازدارند، بکار برده می‌شود. متداول‌ترین 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 می‌شود.

درحالی‌که آلیاژهای ۲۰۲۴ و ۲۵۲۴ که دارای چقرمگی شکست بسیار بالا به همراه استحکام کششی قابل قبول هستند؛ برای بدنه هواپیما ترجیح داده می‌شوند. اتصالات نیز از آلیاژهایی مثل ۷۰۵۰ (آلیاژهای فورجینگ با استحکام بالا) ساخته می‌شوند 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 می‌کند که مقاومت به خوردگی بهتری نیز دارند.

آلیاژ ۲۵۲۴ که نوع پیشرفته ۲۰۲۴ است، با چقرمگی شکست بالا، به گونه‌ای طراحی شده که دارای تحمل ضربه بالا، وزن کم و انعطاف پذیری بالا است و بیشترهواپیماهای جدید از این آلیاژ استفاده می‌کنند. مثال دیگری از آلیاژ 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 می‌روند و برای از بین بردن حساسیت آلیاژ به خوردگی درون دانه‌ای عملیات پیر سازی خاصی بر روی آن اعمال می‌شود.

برای اجزای بال، آلیاژهای جدیدی طراحی و تولید شده‌اند که شامل صفحات سنگین از آلیاژ ۷۰۴۰-T74551 با چقرمگی خوب و قابل ماشینکاری با هزینه مناسب است. آلیاژ ۲۳۲۴-T39 Type2 در ساخت سه پانل بزرگ زیر بال جدیدترین نوع بوئینگ ۷۷۷ بکار رفته است. عملیات حرارتی و کشش انجام شده روی آلیاژ حین ساخت موجب می‌شود که علی‌رغم حفظ خواص مورد نیاز بوئینگ، بتوان از پانل‌های نازکتراستفاده کرد. بوئینگ اعلام کرده است که با استفاده ازآلیاژهای جدید وبا استحکام وعمرخستگی بهتر در قسمت بال‌ها، درهواپیمای ۷۴۷، وزن این هواپیما را به میزان ۱۹۰۰ کیلوگرم کاهش داده است.

درهواپیمای جدید جمبوجت A380 که ۵۵۵ نفر مسافر را حمل می‌کند از آلیاژهای جدیدی استفاده شده است که محصول شرکت ALCOA است. 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.

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

امروزه مواد کامپوزیتی نیز از جایگاه ویژه‌ای در صنعت هواپیما سازی برخوردار گشته‌اند. مواد کامپوزیتی و آلومینیومی جهت مصرف در صنایع هوا فضا رقابت شدیدی را آغاز نموده‌اند و هر یک به دنبال یافتن مواد، آلیاژها و روش‌های جدیدی هستند تا بتوانند موادی با کارایی بالاتر را تولید کنند. دراین راستا صنایع آلومینیوم آلیاژهای جدیدی را وارد عرصه صنعتی نموده‌اند. ازجمله آنها آلیاژهای آلومینیوم-لیتیوم است.

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 می‌دهند. 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، 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 می‌یابد.

همچنین لیتیم باعث افزایش مقاومت به رشد ترک ناشی از تنش خستگی و نیز افزایش چقرمگی در دماهای پایین می‌شود. به این ترتیب به نظر می‌رسد این آلیاژها جزء آخرین فرصت‌ها برای توسعه انواع کاملاً جدید آلیاژهای آلومینیوم هستند که امکان رقابت با کامپوزیت‌ها جهت استفاده در سازه هواپیما و سفینه‌ها 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.

کاربرد آلومینیوم در صنایع هوافضا و در ساخت سفینه‌های فضایی، هواپیماهای پیشرفته و نظامی، موشک‌ها و سایر وسایل پیشرفته در صنایع هوافضا از سایرموارد کاربرد این فلز است که مجالی بس فراخ جهت توضیح می‌طلبد.

در صورت تمایل به خرید و یا مشاوره رایگان در حوزه آلومینیوم  با همکاران ما در شرکت عصر صنعت تماس بگیرید.

بیشتر بخوانید : 

قیمت میلگرد آلومینیوم ۶۰۶۱

میلگرد آلومینیوم خوش تراش