1

M

ATERIAŁY

S

TOSOWANE

W

LOTNICTWIE

W procesie projektowania jednym z decydujących czynników związanych z wymaganiami dotyczącymi

bezpieczeństwa i niezawodności jest przede wszystkim wybór odpowiednich materiałów. Zebrane
doświadczenia z eksploatacji podobnych typów samolotów, jaki chcemy zbudować oraz wpływ silnej
konstrukcji miedzy producentami powoduje, że konstruktorzy są zmuszeni dobierać odpowiednie kształty i
wymiary geometryczne elementów konstrukcyjnych korzystając z nowych materiałów oraz technologii
przyczyniających się do zaostrzenia kryteriów oceny poszczególnych typów samolotów.

Materiały i ich wymagania

Jednym z podstawowych kryteriów wyboru materiału jest jego odporność na korozje naprężeniową oraz

wykonanie elementów o określonej wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej przy ich jak najmniejszej masie.
Korozja naprężeniowa powstaje w wyniku jednoczesnego działania naprężenia rozciągającego i środowiska
korozyjnego. W elementach płatowca naprężenie rozciągające są wprowadzane w procesie produkcyjnym,
montażowym. Naprężenia te powstają również, jako wynik oddziaływania obciążeń masowych na postoju lub w
locie w następstwie obciążeń aerodynamicznych.

Głównymi materiałami konstrukcyjnymi stosowanymi w budowie statków powietrznych są metale i

ich stopy oraz materiały kompozytowe. Podstawowymi właściwościami mechanicznymi pozwalającymi
porównywać materiały konstrukcyjne pod względem ich, jakości są: wytrzymałość doraźna, granica
plastyczności oraz wartość modułu sprężystości wzdłużnej lub postaciowej

Wytrzymałość doraźna

materiału decyduje o odporności konstrukcji na zniszczenie spowodowane

powstaniem w materiale przełomu (dekohezji), granica plastyczności - o odporności konstrukcji i na
odkształcenia trwałe, a wartość modułu sprężystości - o odporności na odkształcenia sprężyste i utratę
stateczności oraz częstotliwość drgań własnych wyrobu. Zazwyczaj pokrycia samolotów usztywnione
podłużnicami (skorupy) projektuje się tak, żeby przy 100% (maksymalnym) obciążeniu obliczeniowym
pracowały sprężyście, w zakresie 100-150% obciążenia trac1ły stateczność, a powyżej l50% obciążenia ulegały
zniszczeniu.

Plastyczność

to znaczy zdolność do trwałego odkształcania się materiału pod wpływem wysokich

obciążeń, poprzedzającego pęknięcie materiału (jego dekohezję). Cecha ta jest niezbędna nie tylko w procesie
kształtowania wyrobów z materiałów metodami przeróbki plastycznej, ale również w procesie użytkowania
wyrobów, gdzie zabezpiecza je przed gwałtownym zniszczeniem w wypadku przekroczenia granicy
plastyczności lub przed kruchym pęknięciem. Miarą odporności materiału na kruche pękanie jest wartość
krytycznego współczynnika intensywności naprężeń. Plastyczność materiału powoduje zmniejszenie wartości
naprężeń lokalnych (ich bardziej równomierny rozkład), zmniejszając tym samym zagrożenie pęknięciem

Udarność

to odporność materiału na obciążenia dynamiczne. Stosunkowo wysoka udarność powinna

charakteryzować materiały przeznaczone na części obciążane dynamicznie. Właściwości elastyczne materiałów
metalicznych są zazwyczaj odwrotnie proporcjonalne do ich właściwości wytrzymałościowych. Kształtowanie
właściwości mechanicznych metali i ich stopów wymaga wiec kompromisu pomiędzy ich wytrzymałością i
plastycznością.

Twardość

to odporność na odkształcenia trwałe pod wpływem skupionych sił działających na małą

powierzchnię materiału. Określona twardość musi charakteryzować zwłaszcza części lub ich wybrane
powierzchnie, które współpracują z innymi częściami, przekazując lub przejmując skupione obciążenia, np. zęby
kół zębatych, czopy wałów itp. Twardość określonego gatunku materiału jest proporcjonalna do jego granicy
plastyczności.

Żarowytrzymałość

to zdolność do przenoszenia obciążeń w wysokiej temperaturze i posiadając ją stale

zawierające chrom, nikiel, molibden, wolfram, niob, wanad, kobalt, tytan w dużym stopniu zależy ona od
rodzaju struktury osnowy, stanowiącej zwykle roztwór stały. Stale austenityczne są bardziej żarowytrzymałe od

2

stali ferrytycznych. Zwiększenie żaroodporności stali ferrytycznych osiąga się przez wprowadzenie molibdenu
wolframu, czyli pierwiastków podwyższających temperaturę rekrystalizacji.

Żaroodporność

– odporność stali na korozyjne działanie gorących gazów lub powietrza w

temperaturze powyżej 550 C – przez wprowadzenie pierwiastków tworzących na powierzchni zwartą warstwę
ochronną tlenków. Są nimi chrom, aluminium oraz krzem. W lotnictwie stosowane są stale chromowo-
aluminiowo – krzemowe.

Płatowce samolotów latających z dużymi prędkościami narażone są na nagrzewanie aerodynamiczne i

wymusza to stosowanie odpowiednich materiałów przy ich budowie, np. stopów tytanu. Części silników
lotniczych, zwłaszcza turbinowych, pracujące w zakresie wysokiej temperatury są narażone między innymi na
pełzanie. Dobór materiałów na takie części odbywa się na podstawie porównania ich czasowej wytrzymałości na
pełzanie oraz czasowej granicy wytrzymałości na pełzanie.

O przydatności materiałów do ich zastosowania w konstrukcjach lotniczych w coraz większym stopniu

zaczynają decydować nie tylko ich właściwości wytrzymałościowe, ale również właściwości użytkowe
(eksploatacyjne), takie jak: wytrzymałość zmęczeniowa odporność na ścieranie, odporność na kruche pękanie,
odporność na działanie karbu, odporność na rozwój (propagację) pęknięć, odporność na korozję zawłaszcza
naprężeniową), odporność na erozję, żaroodporność itp. Mają one decydujący wpływ na niezawodność zespołu,
w którym występuje ta część, a więc i na bezpieczeństwo lotów oraz na ich trwałość. Zestaw cech określających
właściwości wytrzymałościowe oraz możliwości eksploatacyjne wyrobu nazywa się wytrzymałością
konstrukcyjną.

STAL

Stal to stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i obrabialny cieplnie o zawartości węgla

nieprzekraczającej 2%, co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych
zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego.
Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt, występuje w postaci kulkowej w
otoczeniu ziaren ferrytu.

Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych składników stopowych

zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen,
azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu zwane są zanieczyszczeniami.

Największe zastosowanie w budowie samolotów, śmigłowców i ich napędów znajduje podgrupa stali

stopowych nazywana stopowymi stalami konstrukcyjnymi. Stale stopowe konstrukcyjne dzieli się na:



Stale do nawęglania



Stale do ulepszania cieplnego



Stale do azotowania



Stale sprężynowe



Stale do budownictwa



Stale łożyskowe.

Dużą grupę materiałów użytych w lotnictwie stanowią też stale na osnowie niklu zawierające chrom w

ilości 20% oraz dodatki. Wzrost żaroodporności powoduje aluminium, a żelazo ze względu na najmniejszą
przyczepność utlenionych warstw zawierających tlenki żelaza zmniejsza żaroodporność. Żaroodporność stopów
na osnowie niklu zmniejszają domieszki ołowiu, cyny, siarki, antymonu, bizmutu, talu, telluru i dlatego ich
zawartość powinna być możliwie najmniejsza.

Stopy EI-437, EI-437B, EI-437A stosowane są głównie do produkcji łopatek, dysków oraz wałów turbin

gazowych. Części wykonane z tych stopów mogą pracować przez długi czas w temperaturze do 900 C.

3

Stop kobaltowo – niklowo – chromowy – stosowany do wyrobu łopatek turbin pracujących w temperaturze

800 C, łopatek turbin gazowych i odlewów części silników lotniczych.

Stale kobaltowo – chromowe i kobaltowo – chromowo – niklowe posiadają dobre właściwości

żarowytrzymałości w temperaturze powyżej 650 C. Temperatura starzenia tych stopów wynosi 600 – 900 C
mogą być one stosowane na części silników lotniczych pracujących w temperaturze ok. 950 C.

Na osnowie metali wysokotopliwych mogą pracować przy dużych obciążeniach i w temperaturze >1100 C,

dlatego też stopy na osnowie chromu, molibdenu, niobu i wolframu znalazły zastosowanie w szeroko pojętej
produkcji lotniczej.

STALE I STOPY STOSOWANE DO BUDOWY PŁATOWCA



Stale węglowe konstrukcyjne wyższej, jakości



Stale konstrukcyjne stopowe do ulepszenia cieplnego zawierające chrom, mangan, krzem i nikiel



Stale stopowe o specjalnych właściwościach

Stale niskowęglowe do 0,25% C

Stosowane do wykonania części przez gięcie, tłoczenie i kucie na zimno. Wykonuje się z nich elementy

mechanizmów elektromechanicznych, podzespołów i zespołów spawanych a także śruby, nakrętki, podkładki
zwężone końcówki rur itp. Z drutu wykonuje się zwykle nity i kołki. Części wykonane z tej stali montuje się w
samolotach bez ich uprzedniej obróbki cieplnej.

Stale średniowęglowe (0,25 – 0,65% C)

Części obrobione mechanicznie o niezbyt dużej wytrzymałości (śruby, nity, podkładki i nakrętki)

Stale wysokowęglowe (powyżej 6,5% C)

Do ciągnionego drutu na zimno i obrabianego cieplnie, z którego wykonuje się sprężyny spiralne

INWAR – zawiera 36% Ni i do 0,1%C – charakteryzuje się bardzo małym współczynnikiem liniowej

rozszerzalności cieplnej. Wykorzystywany jako wzorzec w budowie przyrządów , a także do produkcji części
mechanizmów zegarowych, ciśnieniomierzy i przyrządów, które powinny zachować stałe rozmiary niezależnie
od temperatury.

PLATYNIT – rozszerzalność – zawartość 46% Ni i ok. 0,1%C – ma taki sam współczynnik

rozszerzalności liniowej jak platyna czy szkło i dlatego jest stosowany do wtapiania szkło żarówek i lamp
elektronowych. Podobny KOWAR o zawartości 29% Ni, 18% Co i max 0,1%C

ELINWAR – stały współczynnik zmiany sprężystości w szerokim zakresie temperatur, zawartość

36%Ni, 8% Cr i max 0,4%C, budowa sprężyn zegarkowych, części przyrządów od których wymaga się stałych
własności sprężystych.

MARAGING jest to rodzaj stali w którym podstawowym mechanizmem umacniania jest wydzielanie

faz międzymetalicznych w osnowie typu martenzytycznego z końcowym procesem starzenia. Stale tego typu
zachowują dobre właściwości plastyczno-wytrzymałościowe w szerokim zakresie temperatur pracy. Niektóre
gatunki stali maraging mogą pracować niezawodnie nawet do 600°C. Do najbardziej znanych stali tego typu
należą stale zawierające 20-25% Ni z dodatkami 1,3-1,6%Ti, 0,15-0,30% Al, 0,3-0,5% Nb. Wadą stali mariging
jest ich wysoka cena, w porównaniu do niskostopowych stali wysokowytrzymałych, w związku z tym
zastosowanie ogranicza się jedynie do specjalnych zastosowań takich jak:



Elementy silników rakietowych,



Przeguby skrzydeł o zmiennej geometrii,



Wały turbin gazowych,

4

STALE ŻAROODPORNE

H23N18

HN38WT

Ep 126



0,18% C



23,5% Cr



18,5% Ni



0,09% C



21,5% Cr



37,5% Ni



3,0% W



0,95% Ti



0,10% C



20,5% Cr



27,5%Ni



5,4% W



3,4% Mo



1,0% Nb

Wyroby komór spalania i rur

żarowych pracujących w temp. 900

C, aparatów kierujących turbin

gazowych i sprężarek, łopatek

kierujących silników

turbośmigłowych. Przy znacznych

różnicach grubości ścianek,

skłonna jest do pęknięć przy

dużych wahaniach temperatury.

Wyroby rur żarowych, komór

spalania, komór rozpylaczy i

pokryć. Przewidziana jest, jako

materiał zastępczy w miejsce

stopów na osnowie niklu, bardzo

plastyczna w wysokiej

temperaturze i cechuje się dużą

żarowytrzymałością.

Wykonanie komór rozpylaczy,

elementy nośne, pokrycia wręg i

innych części pracujących w temp.

700 – 1000 C, można kształtować

plastycznie na zimno lub na gorąco.

STALE ŻAROWYTRZYMAŁE

4M15N7G7F2HC

1H12N2WMF

4H12N8G8MFB



0,42% C



7,0% Mn



1,20% Si



15,0% Cr



7,0% Ni



0,8% Mo



1,7% V



0,13% C



11,5% Cr



1,65% Ni



1,8% W



4,20% Mo



0,24% V



0,36% C



8,5% Mn



0,55% Si



12,5% Cr



8,0% Ni



1,25% Mo



1,4% V



0,12% Ti



0,15% Nb

Do

wykonywania

mało

obciążonych

łopatek

turbin

gazowych, elementów łącznych,
tarcz i obudowy turbin, części
aparatów kierujących, kołnierzy,
kół, krzywek i innych części
zespołu turbina – sprężarka

Do wyrobu bardzo obciążonych
części silników, w tym tarcz,
łopatek a także innych części
sprężarek

pracujących

w

temperaturze do 600 C i średnio
spawalna wszystkimi metodami.

Do produkcji tarcz turbin, przesłon,
obręczy, kół nośnych i elementów
mocujących,

turbin

gazowych

silników turboodrzutowych i turbo
śmigłowcowych

a

dobrą

wytrzymałość i niewrażliwość na
działanie

karbu

tarcz

turbin

uzyskuje się w wyniku starzenia
stopniowego.

Stale Cr – Mn – Si – szerokie zastosowanie w produkcji odpowiedzialnych części kutych i spawanych

jak półwyrób do prętów, kształtowników rur oraz do wyrobu elementów płatowca o złożonym kształcie tj.
dźwigarów skrzydła, drążków kadłuba

5

Stale odporne na korozję

Wysokochromowe od 12-18% Cr – elementy złączne (śruby, nakrętki i sworznie), podkładki, małe koła

zębate, łopatki turbin, części gaźników i wtryskiwaczy paliwa, sprężyny części osprzętu hydraulicznego.

Stale Cr- Ni – części samolotów wytwarzanych z blach lub taśm walcowanych na zimno, spawanych

punktowo tzn. dysze i części kolektorów gorących gazów turbosprężarki, kolektory i rury wydechowe, części
dyfuzora, zbiorniki paliwa, elementy konstrukcji i podwozia, elementy hydrauliczne w obwodzie sterowania.

STOPY TYTANU

Pierwiastek metaliczny, tytan, jest znany z jego

wysokiej wytrzymałości mechanicznej w stosunku do
niskiego ciężaru. Jest stosunkowo lekki (gęstość 4507
kg/m³), o dużej wytrzymałości mechanicznej, przy
wysokiej czystości jest ciągliwy (zwłaszcza w atmosferze
redukcyjnej). Charakteryzuje się wysoką temperaturą
topnienia: 1649 °C, (co czyni ten metal użytecznym, jako
materiał ogniotrwały). Jest błyszczący, posiada biały,
metaliczny kolor. Handlowy tytan o czystości 99, 2%
posiada

wytrzymałość

na

rozciąganie

434 MPa,

porównywalną z rozciągalnością stopów stali, jednak jest
lżejszy od nich o 45%. Tytan jest cięższy aluminium, o
60%, ale charakteryzuje się ponad dwukrotnie większą wytrzymałością mechaniczną niż najpopularniejszy stop
Al: 6061-T6. Pewne stopy tytanu (np.: Beta C) posiadają wytrzymałość na rozciąganie ponad 1380 MPa (spada
ona przy podgrzaniu powyżej temperatury 430 °C). Posiada wysoką twardość (jednak nie tak wysoką jak
niektóre hartowane stale), trudno się obrabia mechanicznie. Metal posiada dwie odmiany alotropowe: Ti-α –
krystalizujący w układzie heksagonalnym do temperatury 882 °C; powyżej tej temperatury występuje Ti-β –
krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Pojemność cieplna Ti-α gwałtownie wzrasta
wraz z podgrzewaniem, po przekroczeniu temperatury 882 °C i przemianie w Ti-β pojemność cieplna kształtuje
się na stałym poziomie

Stopy tytanu wprowadzono do produkcji lotniczej po II wojnie światowej. Potrzeby lotnictwa znacznie

wpłynęły na przyspieszenie badań nad tym materiałem. Prognozy rozwoju lotnictwa wojskowego wskazywały
na potrzebę zwiększania prędkości samolotów bojowych. Przed konstruktorami stanęła konieczność rozwiązania
problemu bariery cieplnej. Stopy aluminium z powodzeniem pozwoliły rozwiązać te problemy w statkach
powietrznych latających z prędkościami ~2 Ma. Chęć zwiększenia tej prędkości do 3Ma wymagała zastosowania
nowych materiałów konstrukcyjnych. Materiałami takimi mogły być pewne gatunki stali, ale ze względu na
Durą gęstość stale nie są chętnie Stosowane w budowie płatowców. Materiałami znacznie lżejszymi od stali, a
jednocześnie mogącymi pracować w zakresie wyższej temperatury niż stopy aluminium oraz wykazującymi
dobre właściwości wytrzymałościowe są stopy tytanu.

Tytan wykazuje dużą odporność na korozję atmosferyczną i chemiczną (odporny jest między innymi na

działanie wody morskiej kwasu azotowego, solnego i kwasów organicznych). Mimo ze tytan należy do metali
aktywnych chemicznie, powłoka tlenkowa TiO

2

, bardzo dobrze zabezpiecza go przed korozją. Najlepszą

odporność na korozję wykazuje czysty tytan. Gdy tytan styka się z innymi metalami, może podlegać korozji
elektrolitycznej i wtedy zabezpiecza się go przed nią metodą anodowania (pasywacji anodowej). Tytan jest
metalem trudnym metalurgicznie i technologicznie ze względu na duże powinowactwo z tlenem i azotem.

Procesy topnienia, odlewania i spawania należy prowadzić w gazach obojętnych (He, Ar), ewentualnie

w próżni. W temperaturze wyższej od 600.C gazy atmosferyczne intensywnie dyfundują do tytanu, powodując
jego kruchość. W związku z tym spawanie tytanu, chociaż możliwe, wymaga specjalnych zabezpieczeń.
Właściwości mechaniczne tytanu silnie zależą od stopnia jego czystości. Tytan najwyższej czystości praktycznie

6

pozbawiony domieszek jest bardzo plastyczny o właściwościach zbliżonych do czystego żelaza. Zwiększanie
ilości zanieczyszczeń w tytanie zawsze prowadzi do podwyższenia jego wytrzymałości i twardości. Pierwiastki
występujące w stopach tytanu można podzielić na dwie grupy



Tlen, azot, węgiel, i wodór – powodują wzrost wytrzymałości, przy jednoczesnym bardzo dużym
zmniejszeniu plastyczności



Aluminium, molibden, wanad, wolfram, mangan, chrom, cyna, żelazo, cyrkon, tantal i inne

Na osnowie obu odmian alotropowych Ti-α oraz Ti-β występuje w stopach tytanu odpowiednio roztwór

α i roztwór β. Występowanie roztworu β w wysokich temperaturach a roztworu α w niskich stwarza możliwość
obróbki cieplnej stopów tytanu. Praktyczne stosowane stopy tytanu można w zależności od struktury podzielić
na trzy grupy



Stopy jednofazowe o strukturze roztworu α



Stopy jednofazowe o strukturze roztworu β



Stopy dwufazowe o strukturze roztworu α+ β

Stopy jednofazowe o strukturze roztworu α

Do stopów o strukturze roztworu α zaliczamy stopy tytanu z aluminium, które jest jedynym dodatkiem

stopowym stabilizującym fazę α. Dodatek aluminium zwiększa wytrzymałość stopów tytanu, a dzięki małemu
ciężarowi własnemu zmniejsza także ciężar właściwy. Istotna wada jest pogarszanie zdolności stopów do
odkształceń plastycznych na zimno i na gorąco. Toteż praktyczna zawartość aluminium w stopach α jest
ograniczony do 5-8%. Wszystkie te stopu cechuje dobra spawalność i żarowytrzymałość. Nie podlegają
ulepszającej obróbce cieplnej poza wyżarzaniem rekrystalizującym i odprężającym. Stopy α umacnia się jedynie
przez zgniot



BT5

-tytan-aluminium (5%)



OT4

-tytan-aluminium(3,5%)-mangan (1,5%)

Stopy jednofazowe o strukturze roztworu β

Stopy te można uzyskać przez odpowiednią zawartość pierwiastków stabilizujących fazę β (wanad,

molibden, tantal, niob) albo przez przechładzanie z obszaru stabilnej fazy α w wyższych temperaturach Stopy β
cechuje bardzo wysoka wytrzymałość (zwłaszcza po obróbce cieplnej), są spawalne zarówno w stanie
wyżarzonym jak i starzonym.



BT15

-tytan-aluminium(3%)-molibden(7%)-chrom(11%)



TC6

-tytan-aluminiuym (3%)-molibden(5%)-wanad(6%)-chrom(11%)

Stopy dwufazowe o strukturze roztworu α+ β

Do stopów dwufazowych o strukturze α+ β zaliczamy stopy tytanu z określoną zawartością składników

stabilizujących fazę β, jak wanad, molibden, cyna, żelazo, chrom i magnez. Mają one wyższą wytrzymałość niż
stopy jednofazowe. Są dobrze przerabiane plastycznie, jak również można je obrabiać cieplnie. Z uwagi na
właściwości większość praktycznie stosowanych stopów tytanu należy do tej grupy. Mają one wysokie
właściwości wytrzymałościowe, które maleją wprawdzie z podwyższaniem temperatury. Jednakże w zakresie
temperatur, do 500oC stosunek ich wytrzymałości do ciężaru właściwego jest większy niż stali.



BT6

-tytan-aluminium(6%)-wanad(4,5%)



BT3-1 -tytan-aluminium(6%)-molibden(2,5%)-chrom(2%)-krzem(0,3%)-żelazo(0,5%)

Ogólne zastosowanie Stopów tytanu

7

Stopy tytanu stanowią perspektywiczny materiał dla samolotów przyszłości. Z uwagi na największy

współczynnik wytrzymałości do ciężaru właściwego, wysoką odporność na korozję i wysoką temperaturę
topnienia wykorzystywane są w przemyśle lotniczym, morskim, kosmicznym oraz w pociskach.

2/3 Produkowanego tytanu zużywane jest, jako stop z aluminium, wanadem i innymi dodatkami, w

silnikach lotniczych i pokryciach samolotów. Stopy tytanu używane są do produkcji większości elementów
głowic wirników w śmigłowcach. W turbinowych silnikach lotniczych ze stopów tytanu wykonuje się: łopatki
sprężarek i wentylatorów, zewnętrzne kanały wylotowe dwuprzepływowych silników odrzutowych, osłony
ognioodporne, armaturę, kołki i śruby np. śruby wykonane ze stopów tytanu mają wytrzymałość śrub
wykonanych ze stopowych stali konstrukcyjnych do ulepszania cieplnego, a są o 4O% lżejsze.

We współczesnych samolotach wykonuje się ze stopów tytanu najbardziej obciążone elementy siłowe:

dźwigary, kesony skrzydeł, wzmocnione zebra i wręgi. W samolotach latających z dużymi prędkościami
również pokrycia, a zwłaszcza krawędzie natarcia. W płatowcach stosuje się również tytanowe nity o
podwyższonej wytrzymałości na ścinanie, którymi zastępuje się cięższe nity stalowe. Wysokociśnieniowe
przewody w instalacjach hydraulicznych mogą być również wykonywane ze stopów tytanu. Płyty tytanowe
stosuje się jako opancerzenie samolotów a zwłaszcza śmigłowców bojowych. W śmigłowcach ze stopów tytanu
wykonuje się często głowice piast wirników nośnych. Ze stopów tytanu wykonuje się również podwozia
samolotów i śmigłowców Zastępując nimi tradycyjne materiały takie jak stale.SR-71 "Blackbird" był jednym z
pierwszych samolotów wykonanym w dużym stopniu ze stopów tytanu, torując jednocześnie drogę do
zastosowań tytanu w samolotach pasażerskich. Zastąpienie stopów aluminium stopami tytanu umożliwia
zmniejszenie całkowitej masy samolotu o 20-25%. Stop 6AL-4V znalazł się w około połowie wszystkich
zastosowań tytanu związanych z przemysłem lotniczym.

STOPY ALUMINIUM

Aluminium krystalizuje w sieci A1, a więc cechuje się dużą plastycznością. Ma temperaturę topnienia

660,4

o

C, temperaturę wrzenia 2060

o

C. Mała gęstość 2,7 g/cm

3

(3 razy mniejsza niż żelaza) kwalifikuje ten

metal do grupy metali lekkich. Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu występowaniu w przyrodzie (ok.
7%) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym. Aluminium cechuje się dobrym przewodnictwem cieplnym
i elektrycznym (gorszym jednak niż miedź), stąd jego zastosowanie na przewody elektryczne.

Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al

2

O

3

, która chroni je przed dalszym utlenianiem. Jest

odporne na działanie wody, wielu kwasów organicznych, związków azotowych. Natomiast nie jest odporne na
działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci.
Wytrzymałość czystego wyżarzonego aluminium jest niska. Twardość i wynosi 15 – 30 HB; może jednak być
umacniana przez zgniot.

Własności wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy,

które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium
cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego,
który jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury, dzięki
czemu w niskich temperaturach mają większą udarność niż stal. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.

Stopy aluminium dzieli się na:



Odlewnicze (PN-EN 1706: 2001)



Do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3: 2005)

Do odlewniczych zaliczamy stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków

stopowych (5 - 25%), np. z krzemem (silumin); z krzemem i magnezem, z krzemem, miedzią, magnezem i
manganem, z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem i inne. Cechują się one dobrą lejnością i
małym skurczem.

8

Stopy do przeróbki plastycznej zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź (do

ok. 5%), magnez (do ok. 6%) i mangan (do 1, 5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan. Niektóre stopy
aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu, po którym ich własności wytrzymałościowe nie są
gorsze niż wielu stali.

Najnowszy stop, dzięki któremu można spawać aluminium, to alumilut. Niektóre stopy aluminium nadają

się zarówno do odlewania, jak i przeróbki plastycznej.

Duraluminium (skrótowo: dural) to ogólna nazwa stopów metali, zawierających głównie glin, oraz dodatki

stopowe: zwykle miedź (2.0-4.9 %), Mangan (0.3-1.0 %), Magnez (0.15-1.8 %). Często także krzem, żelazo i
inne w łącznej ilości ok. 6 do 8%, przeznaczony do przeróbki plastycznej. Gęstość duraluminium to ok. 2,8
g/cm³ (przy 2,7 dla czystego glinu). Po poddaniu stopu przesycaniu, a następnie starzeniu (utwardzanie
wydzieleniowe lub inaczej dyspersyjne) posiada on wysoką wytrzymałość mechaniczną: wytrzymałość doraźna
ponad 400 MPa. Najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym. Wadą durali jest
niewielka odporność korozyjna. Zastosowanie: m.in. w lotnictwie do części konstrukcyjnych, niegdyś także do
ram naziemnych pojazdów sportowych, itp. Rozróżnia się także dural cynkowy, który ma większą zawartość
cynku 5-7% oraz miedź, magnez i mangan.

Magnale to ogólna nazwa stopów metali zawierających głównie aluminium, któremu towarzyszy

domieszka magnezu w ilości od 3 do 30%. Dodatkowo stopy te mogą zawierać niewielką domieszkę miedzi.
Magnale są stopami o gęstości niższej od aluminium, za to o wyższej odporności na korozję, np. gęstość przy
10% magnezu wynosi 2,55 g/cm³, przy gęstości aluminium równej 2,7. Zastosowanie: części silników,
konstrukcje lotnicze.

Hydronalinium jest to stop aluminium zawierający 2-5% magnezu i 0,1-0,4% manganu do obróbki

plastycznej. Posiada dobrą odporność na korozję wody morskiej, stąd jego zastosowanie w przemyśle
okrętowym i chemicznym.

Awional stop aluminium do obróbki plastycznej. Zawiera ok. 4% miedzi oraz niewielkie ilości magnezu,

manganu i siarki. Stosowany jest głównie, jako materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym. Silumin, alpaks
popularny w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, odporny na korozję stop odlewniczy o dobrej lejności.
Zawiera ok. 87% glinu i 12% krzemu, z domieszkami miedzi, magnezu, manganu i niklu.

Ogólne Zastosowanie Stopów aluminium

Z odlewniczych stopów aluminium wykonuje się między innymi: głowice cylindrów silników tłokowych, tłoki,
kadłuby: skrzynek napędów, pomp paliwowych i hydraulicznych, agregatów instalacji hydraulicznych i
pneumatycznych. Odlewanie jest najtańszą metodą wytwarzania części o skomplikowanych kształtach, a
ograniczenie tej metody wytwarzania wynika głównie z mniejszej wytrzymałości odlewów w porównaniu z
częściami uzyskiwanymi metodą przeróbki plastycznej, np. metodą kucia lub walcowania. Dlatego prowadzi się
badania w celu uzyskania materiałów odlewniczych o wysokich właściwościach wytrzymałościowych. Takimi
odlewniczymi stopami aluminium są nieprodukowane w kraju stopy zawierające dodatkowo beryl.
Produkowany w Rosji stop BAЛ5 zawierający 0, 4% berylu osiąga R

m

= 350 MPa, a więc właściwości

wytrzymałościowe zbliżone do właściwości stopów kujnych. Z materiałów takich wykonuje się między innymi
węzły, np. w Samolocie MiG-29 węzeł zawieszenia klapy skrzydłowej wykonany jest ze stopu BAЛ10

TWORZYWA SZTUCZNE

9

Zastępują coraz częściej tradycyjne materiały takie jak drewno, ceramika, metal, kauczuk naturalny, raz

stanowiące grupę zupełnie nowych materiałów, które nie mają swoich naturalnych odpowiedników powstają na
bazie polimerów syntetycznych lub naturalnych w wyniku reakcji chemicznej. Uzyskuje się je z produktów
chemicznej przeróbki węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego lub polimerów naturalnych, uzyskiwanych przez
chemiczną modyfikację produktów pochodzenia naturalnego (celuloza, kauczuk, białko). Zwykle zawierają
określone dodatki: barwniki lub pigmenty, katalizatory, napełniacze, zmiękczacze (plastyfikatory),
antyutleniacze, antypireny, itp.

Tworzywa sztuczne w zależności od swego przeznaczenia dzieli się na



Konstrukcyjne do wytwarzania określonych wyrobów



Elastoplastyczne, czyli folie



Adhezyjne, czyli kleje



Powłokowe (farby lakiery)



Włóknotwórcze



Porowate (pianki i gąbki)



Specjalne (wymieniacze jonowe).

W zależności od rodzaju użytego polimeru tworzywa sztuczne dzieli się na:



Termoplastyczne - które można wielokrotnie przerobić w podwyższonej temperaturze,



Termoutwardzalne - które w podwyższonej temperaturze, po uformowaniu określonego kształtu, stają
się nietopliwe i nierozpuszczalne,



Chemoutwardzalne - które pod wpływem określonych czynników chemicznych usieciowują się
przestrzennie, przy czym stają się nietopliwe i nierozpuszczalne.

Tworzywa sztuczne na bazie wielkocząsteczkowych polimerów stanowią bardzo liczną grupę materiałową,

wyróżniającą się specyficznymi właściwościami wynikającymi z bezpostaciowej struktury. Ponadto w
odróżnieniu od materiałów metalicznych, takie procesy przetwórcze, jak odlewanie lub obróbka plastyczna
wpływają nie tylko na zmianę kształtu struktury, ale zazwyczaj powodują zmiany chemiczne związków
stanowiących podstawę tworzywa. Szczególne właściwości tworzyw sztucznych wynikają z tego, że zbudowane
są z makrocząsteczek Makrocząsteczka składa się z 200-10000 cząsteczek podstawowych połączonych ze sobą
łańcuchowymi wiązaniami atomowymi. Polimer zbudowany jest, więc z makrocząsteczek zawierających liczne,
powtarzające się regularnie grupy atomów (noszą one nazwę mery) jednego lub wielu rodzajów i nazywa się je
odpowiednio homopolimerami lub kopolimerami.

Cechami charakterystycznymi polimerów są:



Gęstość: 0.8 – 2,5 kg/dm

3



Odporność na czynniki chemiczne i wilgoć,



Mała przewodność cieplna i elektryczna,



Niska temperatura przerobu,



Możliwość powtórnego przerobu,



Zdolność merów i segmentów makrocząsteczek do licznych zmian konformacji (położenie),



Przeciętnie długotrwałe użytkowanie –80 -150, krótkotrwale do 300 C.



Mogą być przezroczyste lub całkowicie nieprzezroczyste

10

Wpływ masy cząsteczkowej M na własności polimeru

RODZAJE STRUKTUR POLIMERÓW

Struktura Amorficzna



Brak uporządkowania cząsteczek dalekiego zasięgu,



Cząsteczki ułożone w kłębek,



Najsłabsze oddziaływanie

międzycząsteczkowe,



Występuje w procesach topnienia i rozpuszczania,



W polimerach występuje w stanie szklistym

Struktura amorficzna ( bezpostaciowa) jest strukturą, w której nie
występuje żadne uporządkowanie dalekiego zasięgu ( tzn. brak
jakiejkolwiek symetrii translacyjnej). Łańcuchy przebiegają w
sposób przypadkowy, swobodny, bez oznak jakiegokolwiek
uporządkowania.

Struktura krystaliczna:



Występuje uporządkowanie cząsteczek bliskiego
zasięgu,



Duże oddziaływania międzycząsteczkowe,



Ścisłe ułożenie cząsteczek, na skutek, czego
powstaje krystalit.

Struktura krystaliczna ma istotny wpływ na właściwości polimerów zwiększając sztywność, twardość i
odporność na ścieranie, a zmniejszając rozpuszczalność, dyfuzję i pęcznienie.

Charakterystyka materiałów kompozytowych

Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy wzmacniające,

wypełniacze i lepiszcze stanowiące osnowę kompozytu) różniących się rodzajem lub składem chemicznym w
skali makroskopowej. Składniki materiałów kompozytowych zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie

11

Nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie.

Zwykle składniki te mogą być identyfikowane fizycznie i wykazują powierzchnie rozdziału między sobą.
Materiały kompozytowe są zwykle sztucznie wytwarzane dla uzyskania własności, które nie mogą być uzyskane
oddzielnie przez żaden z występujących składników. Materiały kompozytowe są stosowane nie tylko w celu
zapewnienia odpowiednich własności mechanicznych, lecz również elektrycznych, cieplnych, trybologicznych,
związanych. Z pracą w różnych środowiskach i innych.

Materiały kompozytowe najczęściej zawierają włókna lub cząsteczki faz i są sztywniejsze i bardziej

wytrzymałe niż ciągła faza osnowy. Wiele elementów wzmacniających zapewnia także dobrą przewodność
cieplną i elektryczną oraz niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz/lub dobrą odporność na zużycie.
Zazwyczaj materiał kompozytowy składa się z dwóch faz: fazy wzmacniającej zwanej wypełniaczem lub
zbrojeniem i fazy wiążącej zwanej osnową lub spoiwem. Zadaniem fazy wzmacniającej jest wyraźna zmiana
właściwości fazy wiążącej, np.



Podwyższenie wytrzymałości,



Podwyższenie sztywności,



Podwyższenie żarowytrzymałości,



Podwyższenie odporności na ścieranie.



Ze względu na rodzaj osnowy kompozyty można podzielić na:



Polimerowe (syntetyczne):



Utwardzalne



Termoplastyczne,



Metaliczne,



Ceramiczne.



Ze względu na strukturę (budowę wewnętrzną) kompozytów można je podzielić na



Wzmacniane włóknami



Wzmacniane cząsteczkami



Wzmacniane wtrąceniami dyspersyjnymi,



Kompozyty In situ otrzymywane bezpośrednio ze stanu ciekłego przez ukierunkowaną krystalizację
eutektyk.

Materiały kompozytowe powstają przeważnie równocześnie z wytwarzaniem wyrobu. Producent

zaopatruje się w płynną żywicę wraz z niezbędnymi dodatkami (utwardzacz, katalizator, przyspieszacz, dodatki
tiksotropowe, antypireny itp.) oraz wzmocnienie. Wzmocnienie jest oferowane najczęściej w postaci:

Rovingu - utworzonego przez pasmo zawierające od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy pojedynczych

nieskręconych włókien, biegnących w przybliżeniu równolegle. Jeden z najgrubszych wytwarzanych obecnie
rovingów węglowych, oznaczony jako Fortafil 80k zawiera 80000 elementarnych włókien węglowych o
średnicy wynoszącej około 7 μm. Włókna szklane maja większy przekrój od węglowych - najczęściej ich
średnica wynosi około 8-15μm. Z rovingu wytwarza się maty, tkaniny, dzianiny i taśmy stosowane jako
wzmocnienie w elementach płytowych i powłokowych o strukturze warstwowej

Mat - najczęściej wykonuje się je z rovingu ciętego na odcinki o długości około 25-50 mm, które są

rozłożone w sposób chaotyczny w płaszczyźnie. W celu zapewnienia spójności maty, odcinki rovingu są
posklejane tzw. lepiszczem. Maty oznacza się symbolem CSM (Chopped Strandt Mat) . Wytrzymałość na
rozciąganie warstw wzmocnionych mat CSM jest nieduża (100-130 MPa).

12

Tkanin - ten rodzaj wzmocnienia jest często stosowany podczas wykonywania konstrukcji

powłokowych. Ze zwykłych tkanin szklanych wytwarza się kompozyty o wytrzymałoś na rozciąganie
wynoszącej około 200-400 MPa. W takich tkaninach włókna nie biegną prostoliniowo, co nie sprzyja pełnemu
wykorzystaniu ich właściwości mechanicznych. Pod tym względem lepsze SA tkaniny modułowe, zawierające
po kilka delikatnie zszywanych ze sobą warstw wzmocnionych jednokierunkowo. Nici łączące poszczególne
warstwy nie zaburzaj istotnie prostoliniowego ułożenia włókien, dzięki czemu można w większym stopniu
wykorzystać ich wytrzymałość i sztywność

Laminaty otrzymuje się je nasycając półpłynnym polimerem o niskiej masie cząsteczkowej (żywica)

odpowiednie materiały nadające tworzywu wytrzymałość mechaniczną, najczęściej tkaniny, papier, włókna
szklane itp. I prowadząc polimeryzację lub polikondensację dalej, aż do otrzymania wielkocząsteczkowego
polimeru o pożądanych cechach użytkowych. Często wykorzystuje się tu także procesy sieciowania polimerów o
budowie łańcuchowej. Laminaty odznaczają się bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną, porównywalną z
wytrzymałością metali, ale są od metali znacznie lżejsze i całkowicie odporne na korozję. Używa się je, jako
tworzywa konstrukcyjne do budowy kadłubów łodzi i samolotów, karoserii samochodowych, itp.

PODSUMOWANIE

Podsumowując, w obecnych konstrukcjach lotniczych używa się stopów stali, tytanu, aluminium i wielu

innych. W zależności od zastosowania danego stopu musi on posiadać odpowiednie cechy, które umożliwią mu
bezawaryjną prace w określonym środowisku. Jednak coraz częściej stopy te są zastępowane przez materiały
nazywane kompozytami, które posiadają podobne właściwości, przy czym cechuje je masa kilkukrotnie
mniejsza. Wszystko to pozwala na zmniejszenie masy samolotu, a więc zmniejszenie zużycia paliwa, rozwijanie
stosunkowo większych prędkości przy mniejszym ciągu silnika prędkości lotu czy zwiększenie zasięgu.