Welche metallischen Werkstoffe werden in der Luft- und Raumfahrt verwendet?

Seit die Gebrüder Wright 1903 das Flugzeug erfunden haben, hat sich die Erneuerung von Flugzeugmaterialien rasant verändert. Vom anfänglichen Holzanteil von bis zu 47 % bis heute kommen immer wieder verschiedene Metallmaterialien zum Einsatz.

Bei der Entwicklung des Flugzeugbaus über eine mehr als hundertjährige Geschichte hinweg haben sich Materialien und Flugzeuge gegenseitig angetrieben und zu einer kontinuierlichen Weiterentwicklung und Verbesserung geführt.

Nach Jahren der Entwicklung nehmen metallische Werkstoffe auf diesem Gebiet noch immer eine herausragende Stellung ein und sind noch immer die am häufigsten verwendeten Materialien in der Luft- und Raumfahrt.

Metallische Werkstoffe haben bessere Eigenschaften als Polymerwerkstoffe, was Festigkeit, Härte und Temperaturbeständigkeit betrifft. Ihre Zähigkeit ist der von Keramik und anderen anorganischen, nichtmetallischen Werkstoffen weit überlegen. Sie nehmen keine Feuchtigkeit auf, altern nicht, sind dimensionsstabil, weisen eine hohe Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf und weisen weitere hervorragende Eigenschaften auf, die mit denen anderer Werkstoffe bei weitem nicht vergleichbar sind.

Heutzutage spielen Hochleistungsmetallwerkstoffe eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie. Dazu zählen Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Magnesiumlegierungen, ultrahochfeste Stähle, Hochtemperaturlegierungen, intermetallische Verbindungen und metallische magnetische Werkstoffe.

Um die umfassenden Leistungsanforderungen an bestimmte Luft- und Raumfahrtkomponenten zu erfüllen, müssen spezielle Wärmebehandlungsprozesse für diese Komponenten durchgeführt werden. Im Folgenden wird kurz die Anwendung mehrerer typischer Metallmaterialien in der Luft- und Raumfahrt beschrieben.

Aluminiumlegierung

Im Vergleich zu anderen Materialien weisen Aluminiumlegierungen herausragende Vorteile auf, wie beispielsweise einen hohen spezifischen Modul/eine hohe Festigkeit, eine gute Korrosionsbeständigkeit, gute Verarbeitungseigenschaften, niedrige Kosten usw.

Daher gilt es trotz der Konkurrenz durch neue Materialien wie Titanlegierungen und Verbundwerkstoffe immer noch als das beste Konstruktionsmaterial für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Aufgrund seiner guten Gesamtleistung ist es auch das am häufigsten verwendete metallische Konstruktionsmaterial in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

So wurde beispielsweise in einer kürzlich von der NASA durchgeführten Studie festgestellt, dass Verbundwerkstoffe zwar über höhere unidirektionale mechanische Eigenschaften, eine höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit verfügen, Al-Li-Legierungen aufgrund ihrer besseren multidirektionalen Stoßfestigkeit jedoch besser für den Bau der Orion-Besatzungskapsel geeignet sind als Verbundwerkstoffe.

Lockheed Missile Aviation Corporation hat für den NASA-Forschungssatelliten SEASAT-A eine Vielzahl von Sensoren, Sendern und Antennen im Einsatz, beispielsweise die Installationsvorrichtungen mit einem Gewicht von 1189 kg, wovon 404 kg auf das Material aus Aluminiumlegierung entfallen (was 34 % der Gesamtmasse entspricht);

Die als Centaur-Standardabdeckung bekannte Luft- und Raumfahrtstruktur hat eine Länge von 17.89 m, einen Durchmesser von 4.27 m und eine Masse von 2973 kg, von denen 1905 kg aus einer Aluminiumlegierung bestehen (was 64 % des Gesamtgewichts entspricht).

Aufgrund der dauerhaften umfassenden Leistungsvorteile von Aluminiumlegierungen wird es von Regierungen als strategisches Material angesehen. Seine Entwicklungsplanung, -führung und -unterstützung, Ende des 20. Jahrhunderts, das Aluminium Industry Technology Guidelines Program des US-Energieministeriums, startete Japan das Super-Aluminium-Programm, das darauf abzielte, den Energieverbrauch der Aluminiumproduktion durch technologische Innovationen weiter zu senken und die Qualität von Aluminium zu verbessern, um ihm eine größere Anpassungsfähigkeit und einen höheren Gebrauchswert zu verleihen.

Aluminiumlegierungen werden hauptsächlich als tragende Strukturen in der Luft- und Raumfahrt verwendet, einschließlich Rumpfstrukturen, tragenden Wandpaneelen, Balken, Instrumentenmontagerahmen, Kraftstofftanks usw.

Die derzeit verwendeten Legierungen konzentrieren sich auf die Serien 2XXX, 7XXX und Al-Li-Legierungen. Sie werden in einer Vielzahl von Formen und Größen verwendet.

Beispielsweise sind die gesamten Wandplatten von strategischen Raketengeschossen und großen Flugzeugen oft mehrere zehn Meter lang und variieren zwischen einigen Millimetern und Hunderten von Millimetern. Sie bestehen meist aus 2XXX- und 7XXX-Schmiedeteilen. Außenhaut, Instrumentierungsrahmen und Kraftstofftanks sind hauptsächlich dünnwandige Komponenten und werden meist aus 2XXX- und Al-Li-Legierungen hergestellt.

Die Hauptträger großer Flugzeuge werden hauptsächlich als Schmiedeteile verwendet und die Materialien konzentrieren sich auf die Legierung 7XXX; die kompliziert geformten Raumanzüge werden ebenfalls meist aus Aluminiumlegierungen hergestellt und die Gliedmaßen bestehen aus der Legierung 6061. Für die Taille wird für höhere Festigkeit die Legierung 7075 benötigt.

Titanlegierung

Titanlegierungen haben im Vergleich zu Aluminium, Magnesium, Stahl und anderen Metallen die folgenden Vorteile: Hohe spezifische Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Ermüdungsbeständigkeit, minimale Wärmeleitfähigkeit, kleiner linearer Ausdehnungskoeffizient, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen. Im Allgemeinen kann es für lange Zeit bei Temperaturen von 350 bis 450 °C und darunter verwendet werden, bei niedrigen Temperaturen bis -196 °C.

Es bestehen jedoch einige Nachteile, wie beispielsweise ein niedrigerer spezifischer Modul, eine geringe Verschleißfestigkeit, komplexere Herstellungsverfahren und höhere Materialkosten.

Auch in der Luftfahrtindustrie wächst der Anteil von Titanlegierungen rasant.

Kompressorschaufeln, Magazine und Hauptlagerkomponenten von Flugzeugtriebwerken werden üblicherweise aus Titanlegierungen hergestellt.

Bei der Herstellung der Hauptlagerstruktur des F22-Kampfflugzeugs wird häufig Titanlegierungen verwendet. Typische Vertreter dieser Art sind etwa 15.9 % Titanlegierung im ursprünglichen Entwurf. In der technischen Fertigungs- und Entwicklungsphase ist der Anteil der Titanlegierung auf 41 % gestiegen.

Davon entfielen 42 % der Flügelstruktur aus Titan und 55 % der hintere Rumpfabschnitt. Beim F22 kommen Titanlegierungen zum Einsatz, hauptsächlich Ti-62222 und Tc4; die Anwendungsform sind hauptsächlich Schmiede- und Gussteile.

Für den Motorraumrahmen des F22 werden monolithische Ti-6Al-4V-Schmiedeteile von der Firma Wyman-Gordon verwendet; der Hauptflügelträger ist aus Titan-Schmiedeteilen geschnitten.

Bei Flugkörpern (Flugkörpern) werden neben der Verwendung von Materialien mit geringer Dichte vorwiegend auch Materialien mit minimaler Temperatur- und Wechselspannungsempfindlichkeit verwendet. Neben der Verwendung von Materialien mit guter Dauerfestigkeit werden auch Materialien mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften für ultraniedrige Temperaturen ausgewählt.

Beispielsweise ist das Getriebesystem eines NASA-Satelliten aus Titan beschichtet, die Rippenplatte ist aus einem Stück ausgekleidet und wiegt insgesamt 320 kg. Die Dichtungskapsel besteht aus einer Ti-1Al-5SN-Legierung und ist 2.5 t Quecksilber.

Auch die Tragflächenträger und -rippen des Zwei-Personen-Moduls und der hermetischen Kammer des Raumfahrzeugs des Apollo-Programms bestehen aus der Legierung Ti-5Al-2.5SN. Die Auskleidung besteht aus reinem Titan.

Der Mantel der Rakete ELDO-Europe 1 besteht aus der Legierung Ti-13V-11cr-3Al, die Hochdrucktanks bzw. Treibstoffreservoirs werden vorzugsweise aus der Legierung Ti-6Al-4V gefertigt;

Ablestar-Raketen (Apollo) mit Reservoir, nach der Düse aus 13 geschmiedeten Ti-6Al-4V-Legierungsplatten (mit niedrigem Sauerstoffgehalt) und nach dem Schweißen zu einem Reservoir verarbeitet. Der Akkumulator wird zur Speicherung des Oxidationskatalysators des Antriebskraftstoffs verwendet. Die Ti-6Al-4V-Legierung wird häufig im Aufstiegsabschnitt des Raketenmotorgehäuses verwendet.

Hochtemperaturlegierungen

In der Luft- und Raumfahrt sind Hochtemperaturlegierungen hauptsächlich drei Arten von Legierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis, von denen Hochtemperaturlegierungen auf Nickelbasis am häufigsten verwendet werden, wie z. B. GH1040, GH2028A, GH4169, GH4141, GH4586 usw., die häufig als Werkstoffe für Turbinenscheiben und -schaufeln von Raumfahrttriebwerken eingesetzt werden.

Obwohl sich die Entwicklung intermetallischer Verbindungen in den letzten Jahren beschleunigt hat und die Anwendung immer anspruchsvoller wird, sind nickelbasierte Hochtemperaturlegierungen noch immer gut in der Herstellung, weisen eine hohe Zuverlässigkeit und andere herausragende Eigenschaften auf und sind daher das Material der ersten Wahl für Turbinenscheiben und Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken.

Beispielsweise verwendet die Firma PW für die Herstellung des F22-Triebwerks F119 weiterhin das zuverlässige Material iNcoNEL718 für die Herstellung von Turbinenscheiben und Turbinenschaufeln und verbessert die Temperatur vor der Turbine durch zusätzliche Einkristall-, Wasserkühlungs- und Sprüh-Wärmedämmschichttechnologie.

Auch in der Luft- und Raumfahrt finden hochtemperaturbeständige Legierungen auf Nickelbasis breite Anwendung. So wurde kürzlich der Bodentest des US-amerikanischen Super-Verbrennungsmotors X51A abgeschlossen, bei dem eine große Anzahl von iNcoNEL625-Legierungen zur Herstellung der Einlasswandplatten und anderer Luftkanalkomponenten verwendet wurde.

Das im Motor verwendete geschlossene Treibstoffsystem der NASA ermöglicht die Herstellung mehrerer Motorkomponenten aus einer nickelbasierten Legierung iNcoNEL625, ohne dass spezielle Hochtemperaturmaterialien verwendet werden müssen, was eine der wichtigsten Maßnahmen des X51 im Vergleich zum X43 zu einer praktischeren und zuverlässigeren Verfolgung des Strebens nach mehr Leistung macht.

Um den Anforderungen zukünftiger Anwendungen in Hyperschall-Raumfahrzeugen gerecht zu werden, werden darüber hinaus Hochtemperaturlegierungen als Hauptmaterial zur Herstellung der 800 bis 1100 °C heißen Lagermaterialien verwendet.

Beispielsweise wird beim X43A an den großen Höhen- und Seitenleitwerken eine geschweißte Struktur aus der temperaturbeständigen Nickellegierung Haynes230 verwendet; am Seitenruder und an der Motorhaube des X43A wird eine große Menge an Haynes188-Legierung verwendet und an den Tragflächen und am Heck wird Haynes230-Legierung verwendet, um die präzisen Formen der Teile herzustellen; beim in den Niederlanden, Russland und anderen Ländern gemeinsam entwickelten Wärmeschutzsystem des Weltraum-Wiedereintrittstestfahrzeugs „DELFLT“ wird ebenfalls hauptsächlich die temperaturbeständige Nickellegierung PM1000 verwendet.

Ultrahochfester Stahl

Ultrahochfester Stahl hat eine hohe Zugfestigkeit und ausreichende Zähigkeit, eine hohe Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Dichte) und ein hohes Biegefestigkeitsverhältnis (σS / σb) und ist gut schweißbar und formbar. Ultrahochfester Stahl kann in drei Kategorien unterteilt werden: niedriglegierter, mittellegierter und hochlegierter ultrahochfester Stahl.

Ultrahochfester Stahl wird in Raketen hauptsächlich für Triebwerksgehäuse, Triebwerksdüsen und alle Booster-Ebenen verwendet. Besonders als Triebwerksgehäuse für große Raketen mit Feststoffantrieb muss das Material, da es mehreren atmosphärischen Gasdrücken ausgesetzt ist, nicht nur eine hohe Festigkeit und Zähigkeit aufweisen, sondern auch gut formbar und schweißbar sein.

Derzeit werden für die Hüllen von Feststoffraketenmotoren ultrahochfeste Stähle wie D6Ac, 406, 18Ni, 300M und 35NcD16 verwendet. D6Ac-Stahl wird bereits erfolgreich in der Hülle der Feststoffrakete des US-Space-Shuttles eingesetzt.

Hochdruckgasflaschen aus ultrahochfestem Stahl sind ein wichtiger Bestandteil der Luft- und Raumfahrttechnik. Aufgrund der langfristigen Belastung der Flaschen und der höheren Umweltempfindlichkeit von ultrahochfestem Stahl ist sein Spannungskorrosionsgrenzwert zur wichtigsten Sicherheitsleistung von Gasflaschen geworden. Darüber hinaus wird ultrahochfester Stahl auch in Flugzeugfahrwerken verwendet.

Intermetallische Verbindungen

Intermetallische Verbindungen haben aufgrund ihrer Überlegenheit gegenüber Hochtemperaturlegierungen, ihrer Hitzebeständigkeit, hohen spezifischen Festigkeit, hohen spezifischen Lebensdauer, hohen Wärmeleitfähigkeit und hohen Oxidationsbeständigkeit sowie ihrer überlegenen Zähigkeit gegenüber keramischen Werkstoffen und guten Warmverformbarkeit große Aufmerksamkeit erregt. Intermetallische Verbindungen, die als Hochtemperatur-Strukturwerkstoffe verwendet werden können, umfassen Ni3Ti, NiAl, Fe3Al, FeAl, Ti3Al, TiAl und so weiter.

Derzeit sind die intermetallischen Verbindungen Ti3Al (α2) und TiAl (γ) für die NASA am interessantesten. Sie zeichnen sich durch ihre Hochtemperaturbeständigkeit aus; die maximale Betriebstemperatur beträgt 816 °C bzw. 982 °C; sie sind leicht, ihre Dichte ist mit der von hochtemperaturfesten Legierungen auf Nickelbasis vergleichbar, beträgt nur die Hälfte; sie weisen eine hohe Steifigkeit sowie eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit auf.

Es handelt sich um das ideale Material für die Herstellung moderner Raumfahrzeug-Außenwandplatten und Hochtemperatur-Motorkomponenten. Es erfüllt voraussichtlich die Einsatzbedingungen der NASP-Struktur bei mittleren Temperaturen (300 bis 1000 °C) und kann in der Rumpf- und Flügelwandplatte von Space Shuttles hergestellt werden.

Intermetallische Verbindungen werden gegenwärtig erfolgreich in Leitschaufeln für Turbinen von Flugzeugtriebwerken eingesetzt, beispielsweise in beheizten Teilen von Gasturbinentriebwerken von Flugzeugen. Als Material werden Superlegierungen auf Nickelbasis verwendet.

Bei Temperaturen über 800 °C ist die Oxidationsbeständigkeit des Materials jedoch unzureichend, und es treten Probleme wie Festigkeitsverlust und andere Probleme auf. Daher werden neue Materialien entwickelt, um nickelbasierte Superlegierungen zu ersetzen.

Darüber hinaus gibt es viele intermetallische Verbindungen, deren Festigkeit mit zunehmender Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zunimmt oder unverändert bleibt. Beispielsweise weist einphasiges Ni3Al anomale Temperatur-Festigkeits-Eigenschaften auf und ist ein gutes Hochtemperatur-Strukturmaterial.

In den USA wurden handelsübliche Ni3Al-Legierungen entwickelt, beispielsweise IC-50, IC-218 und IC-221M. Die Legierung IC-221M wurde von US-Unternehmen als Ersatz für Ni-basierte Hochtemperaturlegierungen zur Herstellung von Kompressoren für Dieselmotoren ausgewählt, um deren Lebensdauer zu verbessern und die Kosten zu senken.

Magnesiumlegierung

Magnesium und Magnesiumlegierungen weisen einige attraktive Eigenschaften auf: niedrige Dichte, hervorragende Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und elektromagnetische Abschirmeigenschaften, hohe Festigkeit, spezifische Steifigkeit und Schwingungsdämpfungseigenschaften, hervorragende Verarbeitungseigenschaften wie gute Gusseigenschaften, Bearbeitbarkeit sowie gute Schweißeigenschaften in Bezug auf den Schutz der Atmosphäre.

Magnesiumlegierungen weisen jedoch in der Atmosphäre keine Korrosionsbeständigkeit auf. Im Allgemeinen übersteigt die Langzeitbetriebstemperatur von Magnesiumlegierungen 150 °C nicht.

Magnesiumlegierungen haben auch einen gewissen Anwendungswert in der Struktur von Raumfahrzeugen, insbesondere können daraus große Gussteile mit komplexer Form hergestellt werden. Sie werden als Kabinenboden für inländische Raumfahrzeuge, als Stützträger, für Kommunikationssatellitenantennen, als Teile von Satelliteneckrahmen und als Raketenruder usw. verwendet. Wie in Abbildung 1 gezeigt, werden Magnesiumlegierungen in Flugzeugen verwendet.

Aufgrund der geringen Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungen ergeben sich jedoch viele Unannehmlichkeiten bei Produktdesign, Herstellung, Verwendung, Lagerung und anderen Aspekten. Und die Gesamtleistung ist im Vergleich zu Aluminiumlegierungen nicht besonders überlegen.

Abb. 1 B-36 Bomber (der schattierte Bereich ist der Teil aus Magnesiummaterial)

Abb.1 B-36 Bomberflugzeug

Metallische Magnetwerkstoffe

Magnetische Materialien haben ein breites Anwendungsspektrum und werden in vielen verschiedenen grundlegenden Funktionsmaterialien verwendet. Metallische Magnetmaterialien verfügen über hervorragende magnetische Eigenschaften, magnetische Stabilität und umfassende mechanische Eigenschaften und werden häufig in verschiedenen Antriebs- und Navigationsgeräten für Raumfahrzeuge sowie in Beschleunigungsmessern verwendet.

Weiche magnetische Materialien wie reines Eisen, Fe-Si, Fe-Co, Fe-Ni, Fe-Al usw. werden häufig in Raumfahrzeugen verwendet, beispielsweise im Motorservomechanismus verschiedener Relais und elektromagnetischer Ventile, im Signalgenerator und -austauscher von Telemetriesystemen, in Steuerungssystemen im Stromversorgungstransformator, in Spannungsreglern und magnetischen Verstärkern, und auch in Satelliten werden verschiedene Arten von magnetischen Kernstäben in einem breiten Anwendungsbereich eingesetzt.

Hartmagnetische Materialien wie AlNiCo, FeCrCo, SmCo, NdFeB usw. werden in Raketen, Satelliten und anderen Drehmomentmotoren für Raumfahrzeuge, Drehspulsensoren, Wegsensoren, Beschleunigungsmessern, Magnetrons sowie Durchflussmessern, Wanderfeldröhren, Permanentmagnetmotoren, Hysteresemotoren, Gyroskopen usw. verwendet.

Schlussfolgerung

Obwohl die Luft- und Raumfahrtindustrie derzeit mit der Entwicklung hochleistungsfähiger Metallwerkstoffe konfrontiert ist, stehen sie vor der Herausforderung, fortschrittliche Verbundwerkstoffe zu entwickeln. Durch die Wärmebehandlung bestehender Metallwerkstoffe und die Entwicklung neuer Werkstoffe mit besserer Leistung sowie den Einsatz fortschrittlicher Fertigungstechnologien werden hochleistungsfähige Metallwerkstoffe die Zukunft der Struktur- und Funktionswerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt sein.