چالش‌های متالورژیکی در صنایع هوافضا

استحکام بالا با حداقل وزن

در صنایع هوایی، کاهش وزن منجر به مصرف کمتر سوخت و افزایش راندمان می‌شود. استفاده از آلیاژهای سبک مانند آلومینیوم، تیتانیوم و کامپوزیت‌ها به‌همراه طراحی دقیق ساختاری، از روش‌های رایج برای دستیابی به تعادل بین استحکام و وزن هستند.

مقاومت در برابر خستگی و فشار

قطعات پروازی تحت بارهای متناوب، لرزش و تنش‌های مکانیکی هستند. بنابراین، استفاده از آلیاژهایی با خواص خستگی بالا، همراه با تکنیک‌های مهندسی مانند بهینه‌سازی هندسه و کنترل تمرکز تنش، الزامی است.

تحمل دمای بالا و خوردگی

در بخش‌هایی نظیر موتور جت، استفاده از سوپرآلیاژهای نیکل و کبالت به‌منظور مقاومت حرارتی بالا متداول است. در کنار آن، آلیاژهای مقاوم به خوردگی و پوشش‌های حفاظتی نیز برای جلوگیری از تخریب در محیط‌های مرطوب یا نمکی کاربرد دارند.

مواد مهندسی مورد استفاده در صنایع هوایی

در طراحی قطعات پروازی، بسته به نوع کاربرد، از مواد گوناگونی بهره گرفته می‌شود:

• آلومینیوم و آلیاژهای سری ۲۰۰۰ (مانند ۲۰۲۴) و ۷۰۰۰ (مانند ۷۰۷۵): به دلیل سبکی، برای بدنه و اسکلت هواپیما مناسب‌اند.
• تیتانیوم و آلیاژهای آن مانند Ti-6Al-4Vٰٰ: در نواحی حساس به دما و تنش زیاد مانند اتصالات سازه‌ای و قطعات موتور کاربرد دارد.
• کامپوزیت‌ها:.کامپوزیت‌ها موادی سبک و مقاوم‌اند؛ نوع پلیمری تقویت‌شده با الیاف مانند کربن/اپوکسی برای قطعات سازه‌ای با مقاومت در برابر خستگی و نوع سرامیکی برای قطعات در دمای بالا استفاده می‌شود.
• سوپرآلیاژها: آلیاژهای پایه نیکل (مانند اینکونل) و پایه کبالت،‌ برای تحمل حرارت بالا در توربین‌ها و موتورهای جت ایده‌آل هستند.
• فولادهای ضد زنگ مانند ۳۰۴ ، ۳۱۶ و آلیاژهای فولادی مانند AISI 4340.: برای قطعاتی که هم به استحکام بالا نیاز دارند و هم به مقاومت در برابر سایش.
• سرامیک‌های پیشرفته مانند سیلیکون کاربید (SiC)، آلومینا (Al2O3) : در بخش‌هایی که دمای فوق‌العاده بالا حاکم است، مانند نازل موشک یا پوشش حرارتی.
• مواد مرکب(Hybrid Materials): مواد مرکب با ترکیب موادی مانند فلزات و کامپوزیت‌ها، برای بهینه‌سازی استحکام بالا و وزن کم در سازه‌ها و پنل‌های بدنه استفاده می‌شوند.
• پلیمرهای با عملکرد بالا مانند PEEK و پلی‌آمیدها: به دلیل عایق بودن حرارتی و الکتریکی، وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی، در ساخت عایق‌ها و قطعات داخلی و سبک هواپیما کاربرد دارند.
• فلزات دیرگداز(Refractory Metals) مانند تنگستن و مولیبدن: با نقطه ذوب بالا برای قطعات موتور و نازل موشک به‌کار می‌روند، زیرا در برابر دماهای بسیار بالا مقاوم‌اند.

پوشش‌های ترمال اسپری؛ راهکار محافظتی در قطعات پروازی

یکی از فناوری‌های کلیدی در محافظت از اجزای موتور، پوشش‌های ترمال اسپری مانند پلاسما اسپری و HVOF هستند. این پوشش‌ها با تشکیل لایه‌ای مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و سایش، از عملکرد پایدار قطعات در شرایط بحرانی اطمینان حاصل می‌کنند.

نمونه‌هایی از پوشش‌های مورد استفاده:

• کاربیدهای فلزی یا سرمت‌ها در بخش‌های گرم و سرد موتور برای افزایش مقاومت در برابر سایش چرخه‌ای به‌کار می‌روند. به‌عنوان نمونه، کاربید کروم در زمینه نیکل-کروم در نواحی گرم و کاربید تنگستن با زمینه کبالت و افزودنی کروم در دماهای زیر ۵۴۰ درجه سلسیوس استفاده می‌شود.
• پوشش‌های سد حرارتی (TBC) از یک لایه سرامیکی با رسانایی حرارتی پایین تشکیل شده‌اند که بر روی پوشش پیوندی MCrAlY قرار می‌گیرد.

فلزات نسوز

در بخش‌های گرم و سرد موتور برای افزایش مقاومت مکانیکی و حرارتی به‌کار می‌روند و معمولاً از یمپک‌هایی شامل مولیبدن، تنگستن یا رنیوم با مقادیر کمی کبالت، کروم، نیکل و سیلیکون تشکیل می‌شوند.