Một số vật liệu được dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây [473.99 KB, 20 trang ]
ĐỀ TÀI
Một số vật liệu được dùng làm vỏ máy bay, tàu vũ trụ? Ưu và nhược điểm của các loại vật liệu
này?
A. VÀI NÉT VỀ NGÀNH HÀNG KHÔNG, VŨ TRỤ
Từ lâu, con người đã có ước mơ chinh phục được khoảng không gian rộng lớn là bầu trời, xa
hơn nữa là vũ trụ bao la.
Diều là khí cụ bay đầu tiên tiền thân cho máy bay ngày nay đã được người Trung Quốc sử dụng
từ hơn 2000 năm trước và theo thời gian được sử dụng đưa người lên cao và do thám tiếp tế, thông
tin thời tiết… Và diều đã trở thành cảm hứng cho nhà phát minh người anh George Cayley trong
thiết kế mô hình tàu lượn đầu tiên trên thế giới. Những nhà hàng không đầu tiên như Percy Pilcher
[Anh], Otto Lilienthanl [Đức] dùng diều để triển khai các tàu lượn của họ. Otto Lilienthanl được coi
như một nhà hàng không thực sự đầu tiên trên thế giới. Ông bay lên bằng các tàu lượn tự tạo, và
thực hiện hơn 2500 chuyến bay trên nhiều tàu lượn.
Ngày 15-6-1783 hai anh em người Pháp Joseph và Etienne Montogofier chế tạo khí cầu bằng
giấy và vải, hai ông thả nó bay bằng cách đốt nóng đóng lửa để làm nóng không khí bên trong.
Có rất nhiều ý tưởng cho nghững chiếc máy bay nhưng đa số đều không thể thành công tuy nhiên
những thiết kế ấy đã đóng góp rất nhiều cho các nhà hàng không sau này tiếp bước. Sự ra đời động
cơ hơi nước vào thế kỉ 19 đã đưa tới những dự định nghiêm túc về việc chế tạo máy bay.
Năm 1842 William Henson chế tạo một mô hình máy bay có gắn một động cơ hơi nước nhỏ làm
quay cánh quạt. Tuy chỉ là mô hình nhưng nhiều nét trong thiết kế của ông vẫn còn được sử dụng
trong thiết kế máy bay hiện nay.
Năm 1894 Hiram Maxim chế tạo một máy bay 3 tầng cánh và trang bị hai động cơ hơi nước
nhưng cỗ máy này chỉ nâng những người đứng trên nó khỏi đường ray.
Hình 1: Mô hình máy bay của anh em nhà Wright
Sau đó máy bay được cải tiến dần. Hiện nay, do được thừa hưởng các thành tựu khoa học - kĩ
thuật, đặc biệt là công nghệ vật liệu với những vật liệu mới bền, nhẹ, các máy bay có thê bay nhanh
hơn, ổn định hơn, chuyên chở được nhiều người và hàng hóa hơn. Chính những điề này đã thúc đẩy
cho ngành hàng không phát triển mạnh mẽ.
Hình 2: Vệ tinh nhân tạo Sputnik
Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người, Sputnik đã được người Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái
đất vào ngày 4/10/1957. Sputnik là một quả cầu kim loại có kích thước 58cm, và nặng khoảng
83,6kg. Mặc dù Sputnik dường như rất nghèo nàn so với các tiêu chuẩn ngày nay nhưng đó là một
thành tựu đáng ghi nhớ. Ngày nay, nhiều tàu vũ trụ đã được phóng lên để phục vụ cho nhiều mục
đích khác nhau, ví dụ như các trạm vệ tin, tàu thám hiểm…
Trạm vệ tinh là các loại tàu vũ trụ chỉ được phóng và trở thành một vệ tinh nhân tạo của Trái
Đất nhằm làm một trạm có khả năng kết nối với các tàu vũ trụ khác, thực hiện các thí nghiệm không
gian, và có thể dùng làm trạm trung chuyển cho các chuyến phi hành có người lái vào khoảng
không xa hơn của vũ trụ. Một số trạm vũ trụ đang hoạt đông như Skylab, Trạm không gian quốc tế
ISS
Tàu thám hiểm là loại tàu vũ trụ có khả năng bay theo một quỹ đạo nào đó hoặc vượt ra khỏi
tầm hút của Trái Đất như các tàu con thoi.
Hình 3: Tàu con thoi Endeavour được gắn trên lưng chiếc máy bay vận tải Boeing 747
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:
B. VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
I. Nhôm và hợp kim nhôm
Về phương diện sản xuất và ứng dụng, nhôm và hợp kim của nhôm chiếm vị trí thứ hai sau thép.
Sở dĩ như vậy vì vật liệu này có các tính chất phù hợp với nhiều công dụng khác nhau, trong một số
trường hợp không thể thay thế được, đặc biệt là trong ngành hang không, vũ trụ.
1. Đặc tính chủ yếu
Nhôm nguyên chất có màu trắng bạc. Các tính chất của kim loại nhôm:
Khối lượng riêng nhỏ: 2,7g/cm3, nhẹ hơn sắt khoảng 3 lần. Chỉ tiêu này rất quan trọng đối với
các lĩnh vực., khi đòi hởi sự giảm khối lượng của chi tiết và cả hệ thống đến mức nhỏ nhất, ví dụ:
trong thiết kế các chi tiết vỏ máy bay, tàu vũ trụ hoặc các phương tiện giao thông vận tải khác.
Tính dẫn điện cao
Chống ăn mòn tốt nhờ lớp Al2O3 có cấu trúc sít chặt trên 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 và hợp kim đúc.
Theo thành phần hóa học hợp kim nhôm bao gồm các 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 của nhôm
Hệ
Kí hiệu theo TCVN
Thành phần [%]
Hợp kim đúc
Al sạch
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
1 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, 1 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 này được sản xuất và ứng dụng sớm nhất. Sau biến dạng, tôi và hóa già, chúng có
hiệu ứng hóa bền rất cao. Trong thực tế người ta gọi loại hợp kim này là dura.
Các tạp chất Fe, Si gây ảnh hưởng xấu đến cơ tính của dura. Chúng tạo ra các pha dạng
Cu2FeAl7, gây giòn hợp kim.
Trên cơ sở Al-Cu-Mg, đưa them đồng thời Fe, Ni theo tỉ lệ 1/1 được các 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 kém do có nhiều pha với điện thế điện cực khác nhau, nhưng có thể khắc
phục bằng cách phủ một lớp Al, nguyên chất mỏng [ khoảng 4% chiều dày tấm] lên bề mặt khi cán
nóng.
Bảng 2: Các hợp kim dung trong hàng không, vũ trụ
Trạng thái
Tên
kĩ thuật
Cơ tính
σ0,2 [MPa]
σb [MPa]
Ψ [%]
AlCu4,5Mg0,5MnSi
0
100
200
20
T4
290
420
18
T6
430
480
12
0
100
200
20
T4
320
460
18
T6
390
470
10
AlCu2,5Mg1,5NiFeTi
T6
280
420
-
AlZn5,5Mg2,5Cu1,5Cr
0
105
230
17
T6
500
570
11
AlCu4,5Mg1,5Mn0,5
Các loại hợp kim trên đều là hợp kim chịu nóng, được ứng dụng làm vỏ tàu vũ trụ, chịu sức
nóng do ma sát khi quay trở về khí quyển trái đất
b, Hợp kim hệ Al-Zn-Mg và Al-Zn-Mg-Cu
Khi tăng hàm lượng của kẽm và magie lên 8-11%, thêm vào khoảng 2% Cu sẽ tạo ra hợp kimọ
bền có độ bền cao nhất [σb ≥550MPa]. Thực tế thường dùng Zn trong khoảng từ 4-8%, Mg từ 13%. Khi đưa thêm Cu, nó sẽ hòa tan vào dung dịch rắn và hóa bền trong pha này. Các nguyên tố
Mn, Cr, Zr, Ti đưa vào để làm nhỏ hạt, nâng cao cơ tính. Họ hợp kim này nhiệt luyện dễ, có tốc độ
tới hạn nhỏ, đây là dạng hợp kim tiềm năng được khai thác, sử dụng trong hang không, chế tạo vũ
khí, dụng cụ thể thao.
Nhược điểm của dạng hợp kim này là xu hướng nhạy cảm ăn mòn dưới ứng suất và thải bền
nhanh khi nâng nhiệt độ quá 1200C.
c, Hợp kim Al- Li.
Thực tế hợp kim chỉ gồm Al- Li không được ứng dụng vì nó có tính bị oxi hóa mạnh và cơ tính
không cao. Trên cơ sở Al-Li có thể đưa thêm Cu và Mg. Ưu điểm của hợp kim này là sau khi tôi và
hóa già thì có hiệu quả bền khá lớn, đặc biệt chúng có mô đun đàn hồi E vượt trội [76000 MPa so
với 70000 MPa của hợp kim Al thông thường].
Thêm 5% Mg được hợp kim AlMg5Li2, là hợp kim nhôm nhẹ nhất. Các chỉ tiêu có thể đạt: σb=
560 MPa, σ0,2=290 MPa, ψ = 11%, E=76000 MPa, nên chứng có thể chế tạo ra các vật liệu kết cấu
giá trị.
Một dạng hợp kim khác của nhôm là hợp kim nhôm đúc, như các hệ Al-Si, Al-Cu, nhưng chúng
ít hoặc không có ứng dụng trong công nghiệp hàng không vũ trụ.
II. Magie và hợp kim của magie
Khồi lượng riêng của kim loại magie là 1,74 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 651oC.
Magie được ứng dụng làm vật liệu kết cấu chủ yếu ở trong các hợp kim. Ưu điểm của chúng là
nhẹ, có khả năng thấm tốt, nên các hợp kim của magie được chú ý khai thác trong công nghiệp hàng
không, vũ trụ, ví dụ như hệ MgZn6Zr0,5, ở 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 cùng đa dạng, phong phú. Tùy theo các nguyên tố ổn định
hai dạng thù hình α [lập phương xếp chặt], β [lập phương tâm diện].
1. Hợp kim titan α
Ngoài Al, còn có một số nguyên tố hòa tan xen kẽ như cacbon, nito, oxi. Hợp kim anpha có độ
bền chống dão khá tốt [đếm 650oC], chống oxi hóa đến 1100oC, nhưng nhiệt biến dạng nguội kém
và không thể hóa bền bằng nhiệt luyện được.
2. Hợp kim titan α-β
Hợp kim hình thành khi tổ hợp các nguyên tố ổn định α và β theo một tỉ lệ nhất định.Sau khi
nhiệt luyện, hóa bền, giới hạn bền lớn, độ dẻo dai ở mức cho phép, làm việc tốt đến nhiệt độ 550oC.
Đây là dạng hợp kim của titan được dung nhiều hơn cả.
3. Hợp kim titan β
Loại hợp kim này chịu được biến dạng ở nhiệt độ thường khá tốt, sau tôi và hóa già có độ bền
cao. Nhược điểm của chúng lầ độ bền nóng nhỏ [