Một số kim loại hiếm đang được sử dụng cho bu lông hàng không vũ trụ

Trong ngành hàng không, vấn đề trọng lượng là trọng yếu. Máy bay chở khách nặng hơn cần nhiều nhiên liệu hơn để đi từ điểm A đến điểm B. Khi bạn xem xét thực tế rằng một chiếc Boeing 777 trung bình trong vòng đời 30 năm sẽ bay:

3.500 giờ một năm

Với tốc độ trung bình 500 dặm một giờ

Với tổng số 30 x 3500 x 500 = 52.500.000 dặm, hay gần bằng khoảng cách tới sao Hỏa

Đó là rất nhiều nhiên liệu! Tính theo khối lượng, 50% thị trường vật liệu hàng không vũ trụ bao gồm cùng một loại kim loại dùng trong vườn mà bạn sử dụng để bọc thức ăn thừa cho bữa tối của mình: nhôm. Đó là bởi vì nhôm là vật liệu nhẹ và chắc chắn. Nhưng đó chưa hẳn là toàn bộ câu chuyện. 50% còn lại được tạo thành từ các vật liệu lạ, hiếm thấy, như polyme gia cố bằng sợi carbon và berili. Những loại vật liệu lạ này cho phép máy bay di chuyển nhanh hơn, xa hơn và lâu hơn mà không cần tiếp nhiên liệu.

Tính chất và công dụng của vật liệu lạ trong ngành hàng không

Tỉ trọng

Trong thiết kế hàng không vũ trụ, mật độ của vật liệu được sử dụng là rất quan trọng để duy trì sự cân bằng và phân bổ trọng lượng của máy bay. Trọng lượng chỉ định của vật liệu trên mỗi inch khối là phương pháp đo được ưa chuộng do có thể xác định trọng lượng của một bộ phận trước khi đưa vào sản xuất. Titanium có tỷ lệ cường độ trên mật độ tuyệt vời, lý giải vì sao bu lông Titanium thường được sử dụng trong bánh răng hạ cánh của máy bay. Polyme được gia cố bằng sợi carbon cũng có tỷ lệ cường độ trên mật độ đáng kinh ngạc, lý giải vì sao chúng đang được dùng để thay thế nhôm để sử dụng cho cả kết cấu và thành phần trong hàng không vũ trụ. Việc sử dụng sợi carbon có thể giảm 20% trọng lượng của máy bay. Đầu cánh rộng của Airbus A350 XWB, được làm bằng sợi carbon, giúp tiết kiệm nhiên liệu khoảng 5%. 50% khung máy bay của Boeing 787 Dreamliner được làm bằng sợi carbon.

Cường độ

Cường độ là khả năng của vật liệu chống lại các biến dạng hoặc gãy do ứng suất. Thép chrome-molypden, là loại thép được tạo thành từ một tỷ lệ nhỏ molypden và chrome, bền hơn thép carbon nhưng vẫn có độ dẻo và dễ uốn cao. Vì lý do đó, nó hầu như đã thay thế thép carbon trong bộ phận hạ cánh, giá đỡ động cơ và ống thân máy bay. Bu lông Inconel, được làm bằng Inconel 718, giữ được độ bền kéo 220ksi (kilopound trên inch vuông) ngay cả ở nhiệt độ 900 độ F.

Độ cứng

Liên quan đến độ bền, độ cứng là thước đo khả năng chịu cắt, mài mòn, xuyên thấu hoặc biến dạng vĩnh viễn của kim loại. Một số hợp kim nhôm phổ biến trong ngành hàng không được làm cứng như thép qua xử lý nhiệt. Thép chrome có độ cứng và độ bền cao, khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng làm bi và con lăn của ổ trục chống ma sát, cũng như trong bu lông thép công cụ H11, loại thép có khả năng chống ứng suất, va đập, nứt thô và nứt do mỏi nhiệt tuyệt vời.

Độ đàn hồi

Tính đàn hồi là tính chất cho phép kim loại trở lại hình dạng và kích thước ban đầu khi lực gây ra sự thay đổi bị loại bỏ. Rõ ràng đây là một chất lượng cực kỳ quan trọng trong sản xuất hàng không vũ trụ, vì việc các bộ phận bị biến dạng vĩnh viễn sau khi loại bỏ tải trọng tác dụng là một hiện tượng không mong muốn. Mỗi kim loại đều có giới hạn đàn hồi nhất định. Vượt quá giới hạn đó, một lực sẽ gây ra biến dạng vĩnh viễn. Niken là một nguyên tố phổ biến được sử dụng để tăng giới hạn đàn hồi, độ bền kéo và độ cứng của thép. Thép niken chứa từ 3 đến 3,75% niken được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận máy bay, chẳng hạn như bu lông hàng không vũ trụ, ghim, khe hở, chìa khóa và thiết bị đầu cuối.

Độ dẻo

Kim loại dẻo rất cần thiết cho ngành hàng không. Độ dẻo đề cập đến khả năng của kim loại có thể bị xoắn vĩnh viễn, uốn cong hoặc kéo thành các hình dạng khác nhau mà không bị gãy. Kim loại dẻo được tìm thấy ở nhiều khu vực của máy bay vì khả năng chống hỏng hóc ngay cả khi chịu tải trọng sốc cực lớn. Các hợp kim nhôm vừa nhẹ vừa rất dễ uốn, khiến chúng trở thành ý tưởng để sử dụng trong thân máy bay, làm vỏ cánh và cho xương sườn, thanh giằng, vách ngăn và các bộ phận ép đùn khác.

Độ uốn

Tương tự như tính dẻo, tính uốn (uốn giãn được) liên quan đến khả năng của kim loại có thể được ép, cuộn hoặc rèn thành các hình dạng cụ thể mà không bị vỡ hoặc nứt. Đồng là một ví dụ về kim loại dẻo và dễ uốn, đó là lý do tại sao nó được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống dây điện. Trong hàng không vũ trụ, đồng và hợp kim đồng rất cần thiết cho hệ thống điện và ống dụng cụ. Đồng, một hợp kim đồng có chứa thiếc, được sử dụng cho các phụ kiện ống trong máy bay. Hợp kim nhôm đồng, được gọi là đồng nhôm, là một trong những loại phổ biến nhất trong máy bay và được sử dụng trong máy bơm không khí, bánh răng, màng ngăn và bu lông tụ điện.

Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn điện là tính chất cho phép kim loại mang điện hoặc nhiệt. Độ dẫn nhiệt rất quan trọng trong ngành hàng không vì vai trò quan trọng của nó trong việc xác định lượng nhiệt cần thiết để hàn hai kim loại lại với nhau. Khi thiết kế máy bay, điều quan trọng là phải biết tính dẫn điện của các kim loại khác nhau để loại bỏ nhiễu sóng vô tuyến.

Độ giãn nở nhiệt

Độ giãn nở nhiệt là sự co lại và giãn ra của kim loại sau sưởi ấm hoặc làm mát. Sự giãn nở nhiệt của kim loại là một cân nhắc đặc biệt quan trọng khi thiết kế vật đúc, đồ gá hàn và khi làm việc với vật liệu cán nóng. Waspaloy, một vật liệu thực sự kỳ lạ, là một siêu hợp kim dựa trên niken có chứa mọi thứ từ coban và chrome đến titan. Nó đặc biệt đáng tin cậy ở nhiệt độ cao, khiến bu lông Waspaloy trở nên lý tưởng cho những khu vực nóng nhất của máy bay: như cánh tua-bin, trục, vòng, vòng đệm và đĩa tua-bin.

Độ bền và độ giòn

Một trong những tính chất cần thiết nhất của kim loại dùng cho máy bay, độ bền xác định mức độ kim loại có thể được kéo hoặc biến dạng mà không bị gãy. Còn độ giòn là khả năng của kim loại chịu được biến dạng và uốn cong mà không bị vỡ. Thép cứng, nhôm đúc và gang đều là những ví dụ về kim loại rất giòn, không thích hợp sử dụng cho kết cấu trên máy bay.