Quali materiali metallici vengono utilizzati nelle applicazioni aerospaziali?

Da quando i fratelli Wright inventarono l'aeroplano nel 1903, il rinnovamento dei materiali aeronautici ha mostrato un alto tasso di cambiamento e trasformazione. Dalla quota iniziale fino al 47% di materiali a base di legno a quella odierna, vari materiali metallici continuano a emergere e a essere utilizzati.

Nello sviluppo della produzione aeronautica, oltre cento anni di storia, materiali e aeromobili sono stati guidati a vicenda per continuare a svilupparsi e migliorare.

Dopo anni di sviluppo, i materiali metallici occupano ancora una posizione di rilievo in questo campo e sono tuttora i materiali più utilizzati nel settore aerospaziale.

Materiali metallici, resistenza, durezza e utilizzo della temperatura e altre proprietà sono migliori dei materiali polimerici, la loro tenacità è di gran lunga superiore a quella della ceramica e di altri materiali inorganici non metallici e non assorbono umidità, non invecchiano, hanno stabilità dimensionale, possono essere conduttivi e hanno una conduttività termica e altre eccellenti prestazioni non sono in alcun modo paragonabili ad altri materiali.

Oggigiorno, i materiali metallici ad alte prestazioni svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo della tecnologia aerospaziale, tra cui leghe di alluminio, leghe di titanio, leghe di magnesio, acciai ad altissima resistenza, leghe ad alta temperatura, composti intermetallici e materiali magnetici metallici.

Per particolari componenti aerospaziali, devono essere implementati specifici processi di trattamento termico per soddisfare i requisiti prestazionali completi dei componenti aerospaziali. Di seguito viene brevemente descritta l'applicazione di diversi materiali metallici tipici nell'aerospaziale.

Lega di alluminio

Rispetto ad altri materiali, la lega di alluminio presenta vantaggi eccezionali, quali elevato modulo specifico/resistenza, buona resistenza alla corrosione, buone prestazioni di lavorazione, basso costo, ecc.

Pertanto, è ancora considerato il miglior materiale strutturale per applicazioni aerospaziali nonostante la concorrenza di nuovi materiali come leghe di titanio e materiali compositi. Sulla base delle sue buone prestazioni complessive, è anche il materiale strutturale metallico più utilizzato nell'industria aerospaziale.

Ad esempio, un recente studio della NASA ha riportato che, nonostante i compositi abbiano proprietà meccaniche unidirezionali, resistenza specifica e rigidità specifica più elevate, le leghe Al-Li sono più adatte dei compositi per la costruzione della capsula dell'equipaggio Orion, grazie alla migliore resistenza agli urti multidirezionali.

Lockheed Missile Aviation Corporation per il satellite di ricerca e indagine della NASA SEASAT-A per una varietà di sensori, trasmettitori e antenne, come l'installazione di dispositivi di massa pari a 1189 kg, di cui 404 kg per il materiale in lega di alluminio (che rappresenta il 34% della massa totale);

La struttura aerospaziale nota come copertura standard Centaur ha una lunghezza di 17.89 M, un diametro di 4.27 M e una massa di 2973 kg, di cui 1905 kg sono realizzati in lega di alluminio (che rappresentano il 64% del peso totale).

Grazie ai vantaggi duraturi e completi delle prestazioni della lega di alluminio, i governi la considerano un materiale strategico. La sua pianificazione dello sviluppo, la guida e il supporto, alla fine del XX secolo, il programma Aluminum Industry Technology Guidelines del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, il Giappone ha lanciato il programma Super Aluminum, mirato a ridurre ulteriormente il consumo energetico della produzione di alluminio attraverso l'innovazione tecnologica e il miglioramento della qualità dell'alluminio, per renderlo dotato di una capacità di adattamento più sostanziale e di un valore di utilizzo più elevato.

Le leghe di alluminio sono utilizzate principalmente come strutture portanti nelle strutture aerospaziali, tra cui strutture dello scafo, pannelli di pareti portanti, travi, telai di montaggio della strumentazione, serbatoi di carburante, ecc.

Le leghe attualmente utilizzate sono concentrate nelle serie 2XXX, 7XXX e leghe Al-Li. Sono utilizzate in un'ampia varietà di forme e dimensioni.

Ad esempio, i proiettili dei missili strategici, i grandi aerei, come l'intera piastra della parete, sono spesso lunghi fino a decine di metri, lo spessore varia da diversi millimetri a centinaia di millimetri, per lo più forgiati in 2XXX e 7XXX; mentre la pelle, la struttura della strumentazione, i serbatoi di stoccaggio del carburante sono principalmente componenti a parete sottile, per lo più realizzati in leghe 2XXX e Al-Li.

Le travi portanti principali dei grandi aeromobili sono utilizzate principalmente come pezzi forgiati e i materiali sono concentrati nella lega 7XXX; anche le forme complesse delle tute spaziali sono realizzate principalmente in lega di alluminio, gli arti sono realizzati in lega 6061 e la vita con lega 7075 è richiesta per una maggiore resistenza.

Lega di titanio

Lega di titanio e alluminio, magnesio, acciaio e altri materiali metallici, rispetto ai quali si presentano i seguenti vantaggi: elevato valore di resistenza specifica, buona resistenza alla corrosione, buona resistenza alla fatica, conduttività termica minima, coefficiente di dilatazione lineare ridotto, eccellenti proprietà meccaniche ad alte e basse temperature, in generale, possono essere utilizzati a lungo a temperature comprese tra 350 e 450 ℃, a basse temperature possono essere utilizzati fino a -196 ℃.

Esistono tuttavia alcuni svantaggi, come un modulo specifico più basso, una scarsa resistenza all'usura, processi di fabbricazione più complessi e costi dei materiali più elevati.

Anche nel settore dell'aviazione la quantità di leghe di titanio sta aumentando rapidamente.

Le pale del compressore, il caricatore e i componenti principali dei cuscinetti dei motori aeronautici sono solitamente realizzati in leghe di titanio.

Il caccia F22 è ampiamente utilizzato nella produzione di strutture portanti in lega di titanio, tipico rappresentante del progetto iniziale, con una quantità di lega di titanio del 15.9% e, nella fase di sviluppo e produzione ingegneristica, la percentuale di lega di titanio è aumentata al 41%;

Tra questi, la struttura alare in titanio rappresentava il 42%, mentre la sezione posteriore della fusoliera arrivava al 55%. L'F22 utilizza tipi di lega di titanio, principalmente Ti-62222 e Tc4; la forma di applicazione è principalmente forgiatura e fusione.

Per il telaio del vano motore dell'F22 vengono utilizzati pezzi forgiati monolitici in Ti-6Al-4V forniti dalla Wyman-Gordon; la trave alare principale è ricavata da pezzi forgiati in titanio.

Nel missile da volo (corpo di volo), oltre all'uso primario di materiali a bassa densità, ma anche all'uso della temperatura, la sensibilità allo stress alternato è minima; oltre all'applicazione di una buona tenacità alla fatica del materiale, ma anche alla selezione della temperatura ultra bassa ha proprietà meccaniche superiori del materiale.

Ad esempio, il rivestimento del sistema di ingranaggi del satellite NASA in titanio, la piastra nervata con rivestimento monoblocco da 320 kg del peso totale della capsula di tenuta al mercurio da 1 T realizzata in lega Ti-5Al-2.5SN;

Anche il modulo biposto e le travi e le costole delle ali della camera ermetica della navicella spaziale Apollo sono realizzati in lega Ti-5Al-2.5SN. Il rivestimento è in titanio puro;

La camicia del razzo ELDO-Europe 1 è realizzata in lega Ti-13V-11cr-3Al; i serbatoi ad alta pressione o riserve di carburante sono preferibilmente realizzati in lega Ti-6Al-4V;

Razzi Ablestar (Apollo) con il serbatoio, dopo l'ugello dalla composizione di piastre in lega Ti-13Al-6V (con basso contenuto di ossigeno) forgiate 4, e dopo la saldatura e trasformate in un serbatoio. L'accumulatore è utilizzato per immagazzinare il catalizzatore di ossidazione del carburante di potenza. La lega Ti-6Al-4V è stata ampiamente utilizzata nella sezione di salita dell'involucro del motore del razzo.

Leghe resistenti al calore

Nel settore aerospaziale, le leghe ad alta temperatura sono principalmente leghe a base di ferro, nichel e cobalto di tre tipi, tra cui le leghe ad alta temperatura a base di nichel sono le più ampiamente utilizzate, come GH1040, GH2028A, GH4169, GH4141, GH4586, ecc., comunemente utilizzate come materiali per dischi e pale di turbine di motori spaziali.

Sebbene negli ultimi anni lo sviluppo di composti intermetallici sia stato più rapido, l'applicazione di leghe ad alta temperatura a base di nichel a chiamata più elevata continua a formare buoni materiali, altamente affidabili e con altre prestazioni eccezionali, tanto da diventare la prima scelta di materiali per dischi e pale di turbine di motori aeronautici.

Ad esempio, la società PW per la produzione del motore F22 F119 utilizza ancora l'affidabile disco e la pala della turbina iNcoNEL718 e, tramite l'ulteriore tecnologia di rivestimento barriera termica a spruzzo, raffreddato ad acqua e monocristallino, per migliorare la temperatura a monte della turbina.

Negli impianti di potenza aerospaziale, le leghe ad alta temperatura a base di nichel hanno anche raggiunto un'ampia gamma di applicazioni. Di recente si è appena concluso il test a terra del motore ariete a supercombustione statunitense X51A che ha utilizzato un gran numero di leghe iNcoNEL625 per produrre la piastra della parete di ingresso e altri componenti del canale del flusso d'aria.

La NASA ha utilizzato nel motore un sistema di alimentazione a circuito chiuso che consente la produzione di più componenti del motore utilizzando la lega a base di nichel iNcoNEL625 senza dover utilizzare materiali speciali ad alta temperatura, il che rende l'X51 più pratico e affidabile rispetto all'X43, il che rappresenta una delle misure chiave.

Inoltre, per soddisfare le esigenze delle future applicazioni dei veicoli spaziali ipersonici, le leghe ad alta temperatura saranno utilizzate come materiale principale per la fabbricazione dei materiali dei cuscinetti ad alta temperatura da 800 a 1100 ℃.

Ad esempio, X43A sulle grandi dimensioni della coda orizzontale e della coda verticale vengono utilizzate strutture saldate in lega ad alta temperatura a base di nichel Haynes230; X43A nel timone, cofano localizzato un gran numero di lega Hayness188, nella posizione dell'ala e della coda è stata utilizzata la lega Haynes230 per produrre la forma precisa delle parti; nei Paesi Bassi e in Russia e in altri paesi per sviluppare il sistema di protezione termica del veicolo di prova di rientro nello spazio "DELFLT"; vengono utilizzate principalmente anche leghe ad alta temperatura a base di nichel PM1000.

Acciaio ad altissima resistenza

L'acciaio ultra-altissima resistenza ha un'elevata resistenza alla trazione e mantiene una tenacità sufficiente, rispetto alla resistenza (rapporto resistenza/densità) e al rapporto di resistenza alla flessione (σS/σb) elevati e ha una buona saldabilità e formabilità. L'acciaio ultra-altissima resistenza può essere suddiviso in acciaio ultra-altissima resistenza debolmente legato, medio-legato e alto-legato in 3 categorie.

L'acciaio ultra-resistente nel razzo è utilizzato principalmente per il guscio del motore, l'ugello del motore e tutti i livelli di booster. Soprattutto come un grande guscio del motore del razzo a propellente solido, perché il lavoro di diverse pressioni atmosferiche del gas, i requisiti del materiale non solo hanno elevata resistenza, elevata tenacità, ma anche per avere una buona stampabilità e saldabilità.

Gli acciai ultraresistenti attualmente utilizzati per la struttura del motore a razzo a propellente solido sono D6Ac, 406, 18Ni, 300M, 35NcD16, ecc.; l'acciaio D6Ac è stato utilizzato con successo nella struttura del razzo a propellente solido dello Space Shuttle statunitense.

Il cilindro del gas ad alta pressione in acciaio ad altissima resistenza è una parte importante dell'ingegneria aerospaziale, a causa della natura a lungo termine del carico di lavoro del cilindro e della maggiore sensibilità ambientale dell'acciaio ad altissima resistenza, il suo valore di soglia di corrosione sotto sforzo è diventato la prestazione più importante della sicurezza dei cilindri del gas. Inoltre, l'acciaio ad altissima resistenza è utilizzato anche nel carrello di atterraggio degli aerei.

Composti intermetallici

Composti intermetallici per la loro superiorità rispetto alle leghe ad alta temperatura, resistenza al calore, elevata resistenza specifica, elevata durata specifica, elevata conduttività termica ed elevata resistenza all'ossidazione, nonché superiori alla tenacità dei materiali ceramici e buona lavorabilità a caldo e hanno attirato ampia attenzione. I composti intermetallici che possono essere utilizzati come materiali strutturali ad alta temperatura includono Ni3Ti, NiAl, Fe3Al, FeAl, Ti3Al, TiAl e così via.

Attualmente, i composti intermetallici Ti3Al (α2) e TiAl (γ) sono quelli di maggiore interesse per la NASA. Sono caratterizzati da prestazioni ad alta temperatura; temperatura massima di esercizio di 816 °C e 982 °C, rispettivamente; peso leggero, la sua densità e le leghe a base di titanio paragonabili alle leghe ad alta temperatura a base di nichel, solo 1/2; c'è un alto grado di rigidità, buona resistenza all'ossidazione e resistenza alla corrosione.

Si tratta della fabbricazione di piastre di parete per scafo di veicoli spaziali avanzati e componenti ad alta temperatura del motore realizzati con materiali ideali, che dovrebbero soddisfare le condizioni di utilizzo della struttura a media temperatura NASP (300 ~ 1000 ℃) e possono essere prodotte nella fusoliera e nelle piastre di parete alare dello space shuttle.

Attualmente, i composti intermetallici utilizzati con successo nelle palette di guida delle turbine dei motori aeronautici, come le parti riscaldate dei motori delle turbine a gas degli aerei, sono superleghe a base di nichel.

Tuttavia, poiché il materiale esiste a temperature superiori a 800 ℃, quando la resistenza all'ossidazione è insufficiente, la resistenza diminuisce e sorgono altri problemi, è quindi necessario sviluppare nuovi materiali per sostituire le superleghe a base di nichel.

Inoltre, ci sono molti composti intermetallici, la cui resistenza aumenta o rimane invariata con l'aumento della temperatura in un certo intervallo di temperatura. Ad esempio, il Ni3Al monofase ha caratteristiche di resistenza alla temperatura anomale ed è un buon materiale strutturale ad alta temperatura.

Negli Stati Uniti è stata sviluppata una lega commerciale di Ni3Al: IC-50, IC-218 e IC-221M, ecc. La lega IC-221M è stata scelta dalle aziende statunitensi come sostituto delle leghe ad alta temperatura a base di Ni per la produzione di compressori per motori diesel, al fine di migliorarne la resistenza alla fatica e ridurre i costi.

in lega di magnesio

Il magnesio e le leghe di magnesio presentano alcune proprietà interessanti: bassa densità, eccellente conduttività termica, conduttività elettrica e proprietà di schermatura elettromagnetica; elevata resistenza, rigidità specifica e proprietà di smorzamento delle vibrazioni; eccellenti prestazioni di lavorazione, come buone prestazioni di fusione, lavorabilità e, nella protezione dell'atmosfera, buone prestazioni di saldatura.

Ma la lega di magnesio ha nell'atmosfera non è resistente alla corrosione difetti. In generale, la temperatura di lavoro a lungo termine della lega di magnesio non supera i 150 ℃.

La lega di magnesio nella struttura dei veicoli spaziali ha anche un certo valore applicativo, in particolare può essere trasformata in una forma complessa da grandi getti, è stata utilizzata come pavimento della cabina di un veicolo spaziale domestico, travi di supporto, come antenna satellitare per comunicazioni, parti del telaio angolare del satellite e timone del missile, ecc., lega di magnesio nell'applicazione dell'aeromobile come mostrato nella Figura 1.

Tuttavia, a causa della scarsa resistenza alla corrosione della lega di magnesio, nella progettazione del prodotto, nella produzione, nell'uso, nello stoccaggio e in altri aspetti sono causati da molti inconvenienti. E le prestazioni totali rispetto alla lega di alluminio non sono particolarmente superiori.

Fig.1 Bombardiere B-36 (l'area ombreggiata è la parte di materiale in magnesio)

Fig.1 Aereo da bombardamento B-36

Materiali magnetici metallici

I materiali magnetici hanno un'ampia gamma di utilizzi, un'ampia gamma di materiali funzionali di base, i materiali magnetici metallici hanno eccellenti proprietà magnetiche, stabilità magnetica e proprietà meccaniche e altre prestazioni complete, sono ampiamente utilizzati nei veicoli spaziali in una varietà di apparecchiature di potenza, dispositivi elettronici e di navigazione, accelerometri e altri dispositivi.

I materiali magnetici dolci come ferro puro, Fe-Si, Fe-Co, Fe-Ni, Fe-Al, ecc. sono ampiamente utilizzati nei veicoli spaziali, ad esempio nei meccanismi servo dei motori di vari relè e valvole elettromagnetiche, generatori e scambiatori di segnali del sistema di telemetria, sistemi di controllo nel trasformatore di alimentazione, regolatori di tensione e amplificatori magnetici, nonché nei satelliti in un'ampia gamma di applicazioni in vari tipi di barre a nucleo magnetico.

I materiali magnetici duri come AlNiCo, FeCrCo, SmCo, NdFeB, ecc. vengono utilizzati nei missili, nei satelliti e in altri motori di coppia di veicoli spaziali, nei sensori a bobina mobile, nei sensori di spostamento, negli accelerometri, nei magnetron, nonché nei misuratori di portata, nei tubi a onda progressiva, nei motori a magneti permanenti, nei motori a isteresi, nei giroscopi e così via.

Conclusione

Attualmente, l'industria aerospaziale con materiali metallici ad alte prestazioni, sebbene si trovi ad affrontare la sfida dei materiali compositi avanzati, grazie al processo di trattamento termico dei materiali metallici esistenti e allo sviluppo di prestazioni migliori, all'ulteriore miglioramento di nuovi materiali e all'uso di tecnologie di produzione avanzate, i materiali metallici ad alte prestazioni rappresenteranno il futuro dei materiali strutturali aerospaziali e dei materiali funzionali, il che è molto importante.