Đang tải... (xem toàn văn)
Để máy bay và tàu vũ trụ có thể hoạt động tốt và ổn định với vận tốc mong muốn thì ảnh hưởng của các vật liệu làm các chi tiết trên máy bay và tàu vũ trụ là rất lớn, đạc biệt là hệ thống khung vỏ. Yêu cầu phải có của hệ thống khung vỏ máy bay và tàu vũ trụ là phải nhẹ nhất có thể, bền và chịu được sự thay đổi của nhiệt độ. Dưới đây là những vật liệu được sử dụng để chế tạo:
ĐỀ TÀI Một số vật liệu dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ? Ưu nhược điểm loại vật liệu này? A VÀI NÉT VỀ NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ Từ lâu, người có ước mơ chinh phục khoảng không gian rộng lớn bầu trời, xa vũ trụ bao la Diều khí cụ bay tiền thân cho máy bay ngày người Trung Quốc sử dụng từ 2000 năm trước theo thời gian sử dụng đưa người lên cao thám tiếp tế, thông tin thời tiết… Và diều trở thành cảm hứng cho nhà phát minh người anh George Cayley thiết kế mô hình tàu lượn giới Những nhà hàng không Percy Pilcher (Anh), Otto Lilienthanl (Đức) dùng diều để triển khai tàu lượn họ Otto Lilienthanl coi nhà hàng không thực giới Ông bay lên tàu lượn tự tạo, thực 2500 chuyến bay nhiều tàu lượn Ngày 15-6-1783 hai anh em người Pháp Joseph Etienne Montogofier chế tạo khí cầu giấy vải, hai ông thả bay cách đốt nóng đóng lửa để làm nóng không khí bên Có nhiều ý tưởng cho nghững máy bay đa số thành công nhiên thiết kế đóng góp nhiều cho nhà hàng không sau tiếp bước Sự đời động nước vào kỉ 19 đưa tới dự định nghiêm túc việc chế tạo máy bay Năm 1842 William Henson chế tạo mô hình máy bay có gắn động nước nhỏ làm quay cánh quạt Tuy mô hình nhiều nét thiết kế ông sử dụng thiết kế máy bay Năm 1894 Hiram Maxim chế tạo máy bay tầng cánh trang bị hai động nước cỗ máy nâng người đứng khỏi đường ray Hình 1: Mô hình máy bay anh em nhà Wright Sau máy bay cải tiến dần Hiện nay, thừa hưởng thành tựu khoa học - kĩ thuật, đặc biệt công nghệ vật liệu với vật liệu bền, nhẹ, máy bay có thê bay nhanh hơn, ổn định hơn, chuyên chở nhiều người hàng hóa Chính điề thúc đẩy cho ngành hàng không phát triển mạnh mẽ Hình 2: Vệ tinh nhân tạo Sputnik Vệ tinh nhân tạo loài người, Sputnik người Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái đất vào ngày 4/10/1957 Sputnik cầu kim loại có kích thước 58cm, nặng khoảng 83,6kg Mặc dù Sputnik dường nghèo nàn so với tiêu chuẩn ngày thành tựu đáng ghi nhớ Ngày nay, nhiều tàu vũ trụ phóng lên để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ trạm vệ tin, tàu thám hiểm… Trạm vệ tinh loại tàu vũ trụ phóng trở thành vệ tinh nhân tạo Trái Đất nhằm làm trạm có khả kết nối với tàu vũ trụ khác, thực thí nghiệm không gian, dùng làm trạm trung chuyển cho chuyến phi hành có người lái vào khoảng không xa vũ trụ Một số trạm vũ trụ hoạt đông Skylab, Trạm không gian quốc tế ISS Tàu thám hiểm loại tàu vũ trụ có khả bay theo quỹ đạo vượt khỏi tầm hút Trái Đất tàu thoi Hình 3: Tàu thoi Endeavour gắn lưng máy bay vận tải Boeing 747 Để máy bay tàu vũ trụ hoạt động tốt ổn định với vận tốc mong muốn ảnh hưởng vật liệu làm chi tiết máy bay tàu vũ trụ lớn, đạc biệt hệ thống khung vỏ Yêu cầu phải có hệ thống khung vỏ máy bay tàu vũ trụ phải nhẹ có thể, bền chịu thay đổi nhiệt độ Dưới vật liệu sử dụng để chế tạo: B VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM I Nhôm hợp kim nhôm Về phương diện sản xuất ứng dụng, nhôm hợp kim nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép Sở dĩ vật liệu có tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, số trường hợp thay được, đặc biệt ngành hang không, vũ trụ Đặc tính chủ yếu Nhôm nguyên chất có màu trắng bạc Các tính chất kim loại nhôm: Khối lượng riêng nhỏ: 2,7g/cm3, nhẹ sắt khoảng lần Chỉ tiêu quan trọng lĩnh vực., đòi hởi giảm khối lượng chi tiết hệ thống đến mức nhỏ nhất, ví dụ: thiết kế chi tiết vỏ máy bay, tàu vũ trụ phương tiện giao thông vận tải khác Tính dẫn điện cao Chống ăn mòn tốt nhờ lớp Al2O3 có cấu trúc sít chặt bề mặt với độ dày khoảng vài angtrong Độ bền thấp, độ dẻo cao Nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp Phân loại Theo tính công nghệ, hợp kim nhôm gồm hợp kim biến dạng hợp kim đúc Theo thành phần hóa học hợp kim nhôm bao gồm hệ: Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mn, Al-Si, AlMg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Li… Bảng 1: Một số hợp kim nhôm Hệ Kí hiệu theo TCVN Thành phần (%) Hợp kim đúc Al Al99,6 99,6 Al Al công nghiệp Al99,0 99,0 Al Al-Cu AlCu4,4Mg0,5Mn0,8 4,4 Cu, 0,5 Mg, 0,8 Mn Al-Cu-Mg AlCu4,4Mg1,5Mn0,6 4,4 Cu, 1,5 Mg, 0,6 Mn Al-Mn AlMn1,2 1,2 Mn, 0,2 Cu Al-Mg AlMg1,4 1,4 Mg Al-Mg-Si AlMg1Si0,6 Mg, 0,6 Si, 0,2 Cr, 0,3 Cu Al-Zn-Mg AlZn5,4Mg1,4 4,5 Zn, 1,4 Mg, 0,12 Cr, 0,4 Mn, 0,152 Zr Al-Zn-Mg-Cu AlZn5,6Mg2,5Cu1,6 5,6 Zn, 2,5 Mg, 1,6 Cu Hợp kim đúc Al-Cu AlCu4,5Đ 4,5 Cu, Si Al-Si-Cu AlSi5,5Cu4,5Đ 5,5 Si, 4,5 Cu Al-Si-Mg AlSi7Mg0,3Đ 7,0 Si, 0,3 Mg Al-Si-Mg-Cu AlSi12Mg1,3Cu4Mn0,6Đ 12,0 Si, 1,3 Mg, 2,0 Cu, 0,6 Mn, 1,0 Ni, 0,2 Ti Một số hợp kim có ứng dụng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ: a, Hợp kim Al-Cu, Al-Cu-Mg Loại hợp kim sản xuất ứng dụng sớm Sau biến dạng, hóa già, chúng có hiệu ứng hóa bền cao Trong thực tế người ta gọi loại hợp kim dura Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến tính dura Chúng tạo pha dạng Cu2FeAl7, gây giòn hợp kim Trên sở Al-Cu-Mg, đưa them đồng thời Fe, Ni theo tỉ lệ 1/1 hợp kim nhôm biến dạng bền nóng Độ bền cao (σb= 450-480MPa), khối lượng riêng nhỏ (γ ≈ 2,7g/cm3) nên có độ bền riêng (σb/γ) cao, tới 15-16 km so với gang 1,5-6 km Tính chống ăn mòn có nhiều pha với điện điện cực khác nhau, khắc phục cách phủ lớp Al, nguyên chất mỏng ( khoảng 4% chiều dày tấm) lên bề mặt cán nóng Bảng 2: Các hợp kim dung hàng không, vũ trụ Trạng thái Tên kĩ thuật Cơ tính σ0,2 (MPa) σb (MPa) Ψ (%) AlCu4,5Mg0,5MnSi 100 200 20 T4 290 420 18 T6 430 480 12 100 200 20 T4 320 460 18 T6 390 470 10 AlCu2,5Mg1,5NiFeTi T6 280 420 - AlZn5,5Mg2,5Cu1,5Cr 105 230 17 T6 500 570 11 AlCu4,5Mg1,5Mn0,5 Các loại hợp kim hợp kim chịu nóng, ứng dụng làm vỏ tàu vũ trụ, chịu sức nóng ma sát quay trở khí trái đất b, Hợp kim hệ Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu Khi tăng hàm lượng kẽm magie lên 8-11%, thêm vào khoảng 2% Cu tạo hợp kimọ bền có độ bền cao (σb ≥550MPa) Thực tế thường dùng Zn khoảng từ 4-8%, Mg từ 13% Khi đưa thêm Cu, hòa tan vào dung dịch rắn hóa bền pha Các nguyên tố Mn, Cr, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, nâng cao tính Họ hợp kim nhiệt luyện dễ, có tốc độ tới hạn nhỏ, dạng hợp kim tiềm khai thác, sử dụng hang không, chế tạo vũ khí, dụng cụ thể thao Nhược điểm dạng hợp kim xu hướng nhạy cảm ăn mòn ứng suất thải bền nhanh nâng nhiệt độ 1200C c, Hợp kim Al- Li Thực tế hợp kim gồm Al- Li không ứng dụng có tính bị oxi hóa mạnh tính không cao Trên sở Al-Li đưa thêm Cu Mg Ưu điểm hợp kim sau hóa già có hiệu bền lớn, đặc biệt chúng có mô đun đàn hồi E vượt trội (76000 MPa so với 70000 MPa hợp kim Al thông thường) Thêm 5% Mg hợp kim AlMg5Li2, hợp kim nhôm nhẹ Các tiêu đạt: σb= 560 MPa, σ0,2=290 MPa, ψ = 11%, E=76000 MPa, nên chứng chế tạo vật liệu kết cấu giá trị Một dạng hợp kim khác nhôm hợp kim nhôm đúc, hệ Al-Si, Al-Cu, chúng ứng dụng công nghiệp hàng không vũ trụ II Magie hợp kim magie Khồi lượng riêng kim loại magie 1,74 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 651oC Magie ứng dụng làm vật liệu kết cấu chủ yếu hợp kim Ưu điểm chúng nhẹ, có khả thấm tốt, nên hợp kim magie ý khai thác công nghiệp hàng không, vũ trụ, ví dụ hệ MgZn6Zr0,5, trạng thái T5, có σ0,2=285 MPa, σb=350 MPa, ψ= 11% III Hợp kim titan Nguyên tố để hợp kim hóa titan vô đa dạng, phong phú Tùy theo nguyên tố ổn định hai dạng thù hình α (lập phương xếp chặt), β (lập phương tâm diện) Hợp kim titan α Ngoài Al, có số nguyên tố hòa tan xen kẽ cacbon, nito, oxi Hợp kim anpha có độ bền chống dão tốt (đếm 650oC), chống oxi hóa đến 1100oC, nhiệt biến dạng nguội hóa bền nhiệt luyện Hợp kim titan α-β Hợp kim hình thành tổ hợp nguyên tố ổn định α β theo tỉ lệ định.Sau nhiệt luyện, hóa bền, giới hạn bền lớn, độ dẻo dai mức cho phép, làm việc tốt đến nhiệt độ 550oC Đây dạng hợp kim titan dung nhiều Hợp kim titan β Loại hợp kim chịu biến dạng nhiệt độ thường tốt, sau hóa già có độ bền cao Nhược điểm chúng lầ độ bền nóng nhỏ (