تطبيق وتطوير سبائك الألومنيوم للطيران

ملخص: يرتبط تطوير سبائك الألومنيوم ارتباطًا وثيقًا بتطور صناعة الطيران.

سبائك الألومنيومتتمتع بسلسلة من المزايا، مثل الكثافة المنخفضة، والقوة العالية، ومقاومة التآكل الجيدة، وقابلية التشكيل، والتكلفة المنخفضة، وما إلى ذلك. لديها آفاق تطبيق واسعة ومكانة لا غنى عنها في الطيران والفضاء وبناء السفن والصناعة النووية وصناعة الأسلحة. في مجال الطيران، سبائك الألومنيوم هي المادة الرئيسية لهيكل الطائرة.

على الرغم من أن كثافة سبائك الألومنيوم منخفضة، إلا أن قوتها عالية نسبيًا، وتقترب من الفولاذ عالي الجودة أو تزيد عليه، ولها لدونة جيدة، ويمكن معالجتها إلى مجموعة متنوعة من الأشكال، مع موصلية كهربائية وحرارية ومقاومة للتآكل ممتازة، وتستخدم على نطاق واسع في الصناعة، وتأتي في المرتبة الثانية بعد الفولاذ.

وفقًا لطريقة المعالجة، يمكن تقسيم سبائك الألومنيوم إلى سبائك الألومنيوم المشوهة وسبائك الألومنيوم المصبوبة. سبائك الألومنيوم المصبوبة، تستخدم كمصبوبة؛ سبائك الألومنيوم المشوهة، يمكنها تحمل معالجة الضغط، والخصائص الميكانيكية أعلى من المصبوبة. يمكن معالجتها إلى أشكال ومواصفات مختلفة من سبائك الألومنيوم. تستخدم بشكل رئيسي في تصنيع معدات الطيران والسلع اليومية وأبواب ونوافذ المباني.

يمكن معالجة سبائك الألومنيوم حراريًا للحصول على خصائص ميكانيكية جيدة وخصائص فيزيائية ومقاومة للتآكل. وفقًا للتركيب الكيميائي، يمكن تقسيم سبائك الألومنيوم المصبوبة إلى سبائك Al-Si وسبائك Al-Cu وسبائك Al-mg وسبائك Al-Zn.

يرتبط تطوير سبائك الألومنيوم ارتباطًا وثيقًا بتطور صناعة الطيران. تم استخدام صندوق مرفق محرك الطائرة المصنوع من A1-Cu-Mn في الطائرة التي بناها الأخوان رايت في بداية القرن العشرين. في عام 1906، اكتشف أ. ويلم ظاهرة تصلب الشيخوخة في سبائك سلسلة AI-Cu-Mg، مما جعل من الممكن أن تكون سبائك الألومنيوم هي المادة الهيكلية الرئيسية للطائرات. منذ ذلك الحين، صعدت سبائك الألومنيوم كمادة هيكلية رئيسية لهيكل الطائرة على مسرح التاريخ.

يمكن تقسيم ملخص تطوير سبائك الألومنيوم إلى المراحل الخمس التالية، في فترات مختلفة بسبب الاحتياجات المختلفة، كان العلماء يدرسون سبائك الألومنيوم للطيران، خطوة بخطوة لجعل سبائك الألومنيوم للطيران تستخدم حقًا في تطوير الطائرات.

مرحلة طلب القوة الثابتة.

من المحتمل أن تكون فترة هذه المرحلة من بداية القرن العشرين إلى منتصف الخمسينيات، عندما كانت أداء الطائرات بسيطًا ومتخلفًا نسبيًا، ولم يتطلب الطلب على أداء مواد الطائرات سوى أن تتمتع بقوة ثابتة عالية. بهذه الطريقة، يمكن تقليل الوزن الهيكلي للطائرة مع زيادة الوزن الميت ونطاق الطائرة، ويمكن تحسين أداء الطائرة من هذه الجوانب. من وجهة نظر تفكيرنا اليوم، يبدو هذا بسيطًا جدًا، ولكنه حقًا الطريقة الوحيدة للقيام بذلك في هذا النوع من البيئة في ذلك الوقت. إنه تحت تأثير هذا الطلب الذي طور فيه العلماء سبائك الألومنيوم 2014 و 2017.

تنتمي سبائك الألومنيوم 2014 إلى كل من سبائك الألومنيوم الصلبة وسبائك الألومنيوم المطروقة بسبب محتواها العالي من النحاس، لذا فإن قوتها عالية وقوتها الحرارية جيدة، لكن لدونتها في الحالة الساخنة ضعيفة نسبيًا. تتمتع سبائك الألومنيوم 2014 بقابلية تشغيل جيدة، وأداء جيد للحام التلامسي، واللحام البقعي واللحام بالدرفلة، وأداء ضعيف للحام بالقوس واللحام بالغاز، ويمكن تقويتها عن طريق المعالجة الحرارية ولها تأثير البثق.

ثم تم تطوير سبيكة 2024-T3. بحلول الثلاثينيات، كان سبائك 2024 قد استخدم على نطاق واسع في الطائرات. خلال الحرب العالمية الثانية، من أجل الحصول على قوة أعلى لمواد الجسم، تم تطوير سبيكة A1-Zn-Mg-Cu عالية القوة 7075 T6، ثم تم تطوير سبيكة 7178-T6 ذات القوة الأعلى. استخدمت هذه السبائك على نطاق واسع في الطائرات المدنية والعسكرية قبل الستينيات.

مرحلة متطلبات مقاومة التآكل.

بدأت مرحلة الطلب هذه في الستينيات، عندما بدأت الطائرات في استخدام هياكل ذات مقاطع عرضية سميكة، مما أدى إلى مشكلة تآكل الإجهاد لآلية هيكل الطائرة. يجب ألا تلبي مادة سبائك الألومنيوم الجديدة متطلبات القوة الثابتة فحسب، بل يجب أن تلبي أيضًا متطلبات إجهاد التآكل للجسم. في وقت لاحق، تم تطوير سبيكة 7XXX من سلسلة الألومنيوم والتي يمكن أن تلبي متطلبات قوة إجهاد التآكل، ولكن تم التضحية بـ 15٪ من القوة الثابتة في نفس الوقت. في الستينيات، استخدمت سبائك 7075-T73 و 7075-T76 على نطاق واسع في الطائرات.

مرحلة متطلبات الأداء الشامل.

خلال الفترة من أواخر الستينيات إلى أوائل السبعينيات، تأثر تطوير سبائك الألومنيوم بتصميم السلامة من الفشل، وزادت تدريجياً الحاجة إلى متانة عالية للكسر للمواد. تم تطوير سبيكة 7475 لأول مرة في الولايات المتحدة. من أجل تلبية متطلبات القوة الهيكلية ومقاومة إجهاد التآكل للهيكل ذي المقطع العرضي السميك، طورت شركة Alcoa سبيكة 705 صغيرة T74. في أواخر السبعينيات، اقترح تصميم الطائرات أن المواد الهيكلية لهيكل الطائرة يجب أن تتمتع بمتانة كسر عالية ومقاومة ممتازة للإجهاد مع امتلاك قوة عالية.

طلب قوي لفقدان الوزن والموثوقية العالية.

في أوائل الثمانينيات، بسبب أزمة الطاقة ومن أجل تحسين الفعالية القتالية للطائرات العسكرية، تم طرح متطلبات قوية لتقليل الوزن لتصميم الطائرات. بالإضافة إلى ذلك، مع الصعود التدريجي لسبائك تشين والمركبات ذات مصفوفة الراتنج، واجهت سبائك الألومنيوم تحديات كبيرة. كل هذا حفز بشكل كبير تطوير سبائك الألومنيوم غير التقليدية والاستفادة من إمكانات سبائك الألومنيوم التقليدية. ثم يصبح من الصعب تطوير سبائك الألومنيوم، من أجل تلبية احتياجات أداء الطائرات، نحتاج إلى البدء من جانب القوة المحددة، مع التركيز على الدراسة.

نجحت شركة Alcoa لأول مرة في تطوير حالة المعالجة الحرارية T77 لسبيكة 7150، والتي حققت هدف تلبية خاصية التآكل دون التضحية بقوة السبيكة في سبائك الألومنيوم للمرة الأولى. ثم طورت Alcoa بنجاح سبيكة 7055-T77 فائقة القوة وسبيكة 2524-T3 بخصائص إجهاد ممتازة. لقد عزز ظهور سبائك الألومنيوم عالية الأداء هذه بشكل كبير تطبيق وتطوير سبائك الألومنيوم للطيران.

مرحلة طلب خفض تكاليف التصنيع.

من أوائل التسعينيات إلى الوقت الحاضر، نظرًا لنهاية الحرب الباردة، تحتاج كل من الطائرات العسكرية والمدنية إلى خفض التكاليف. الهدف الأولي هو خفض التكلفة الهيكلية بنسبة 25٪ دون تغيير التصميم الهيكلي للطائرة الحالي. لتحقيق هذا الهدف، العمل الرئيسي الذي تم تنفيذه في الدول الغربية هو كما يلي: المكونات الهيكلية التي يتم تجميعها بواسطة قطع عمل آلية متكاملة بدلاً من المطروقات أو الأجزاء المتعددة، وتشكيل الشيخوخة ذات درجة الحرارة العالية للأجنحة والتشكيل فائق اللدونة السريع لسبائك الألومنيوم عالية القوة، والبحث في تكنولوجيا اللحام لسبائك الألومنيوم القابلة للحام وسبائك الألومنيوم، وتصنيع مكونات معقدة باستخدام المسبوكات عالية الجودة لتقليل الوزن الهيكلي وتكلفة التصنيع، وإجراء بحث حول سبائك ملفات الألومنيوم منخفضة التكلفة وعالية الأداء والمركبات ذات مصفوفة الألومنيوم.

بالنظر إلى الوراء، يتخلف تطوير سبائك الألومنيوم للطيران في الصين بشكل واضح عن تطوير الدول الأجنبية. من الخمسينيات إلى السبعينيات، بدأنا في دراسة القوة الثابتة للهيكل؛ من نهاية السبعينيات إلى منتصف الثمانينيات، بدأنا في دراسة مقاومة التآكل؛ من نهاية الثمانينيات إلى منتصف التسعينيات، بدأنا في السعي لتحقيق الخصائص الشاملة لسبائك الألومنيوم والفجوة بين الصين والدول الأجنبية. من منتصف التسعينيات إلى الوقت الحاضر، كنا ندرس سبائك الألومنيوم عالية النقاء.

هناك سبب للتخلف. باختصار، المبادئ هي كما يلي:

(1) البدء في وقت متأخر نسبيًا.

(2) أساس البحث عن المواد، والافتقار إلى الابتكار في تطوير السبائك.

(3) الانتقال من البحث إلى التطبيق بطيء.

(4) نظام المواد لسبائك الألومنيوم للطيران غير مكتمل والمعيار المادي ليس مثاليًا.

ومع ذلك، لا يزال يتعين علينا التطور في المستقبل، ولا يمكننا التوقف عند حالتنا المتخلفة طوال الوقت. الاتجاه التطوري للطائرات هو السرعة العالية، والعمر الطويل، والسلامة والموثوقية، ومعامل الوزن الهيكلي المنخفض، والتكلفة المنخفضة، والتخفي الشامل. مع زيادة سرعة الطائرات، ستصبح مشاكل التسخين الديناميكي الهوائي والحمل الزائد للطائرات بارزة. عند الطيران بسرعة 2.0 ماخ، تبلغ درجة حرارة نقطة الوقوف لـ Fhand A-22 121 درجة مئوية، بينما عندما تكون الطائرة في حالة غوص ومناورة، يمكن أن تصل درجة حرارة نقطة الوقوف إلى M2.5، عندما تكون درجة حرارة نقطة الوقوف أكثر من 150 درجة مئوية. هذه الدرجة الحرارة هي درجة الحرارة القصوى لجلد سبائك الألومنيوم المستخدم حاليًا، وهناك خطر خفي من عدم الأمان.

في جانب تكنولوجيا التصنيع منخفضة التكلفة لسبائك الألومنيوم، العمل الرئيسي الذي يتم تنفيذه في الوقت الحاضر هو كما يلي: أولاً، تشكيل الشيخوخة والتشكيل فائق اللدونة لسبائك الألومنيوم. التشكيل بالشيخوخة، والمعروف أيضًا باسم التشكيل بالزحف أو التشكيل بالشيخوخة بالزحف، هي تقنية تم تطويرها لتقليل تكلفة تصنيع الطائرات بشكل كبير. ثانيًا، أداء اللحام لسبائك الألومنيوم ضعيف بشكل عام، لذلك يتم استخدام عدد كبير من الهياكل المرصعة في الطائرات. أخيرًا، يتم تطوير طرق لحام جديدة، مثل تقنية اللحام بالاحتكاك والتحريك وما إلى ذلك.