Haben Sie sich jemals gefragt, was moderne Raumfahrzeuge so effizient und langlebig macht? Magnesiumlegierungen mit ihren bemerkenswerten Eigenschaften revolutionieren die Luft- und Raumfahrttechnik. In diesem Artikel wird untersucht, wie diese leichten und dennoch festen Werkstoffe die Leistung von Raumfahrzeugen verbessern, den Kraftstoffverbrauch senken und den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten. Der Leser erfährt die wichtigsten Vorteile und Anwendungen von Magnesiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrt und erhält Einblicke in die Gründe, warum sie in dieser anspruchsvollen Branche unverzichtbar sind.
Seit den Anfängen des 20. Jahrhunderts ist die Menschheit von der Erforschung des Weltraums fasziniert, und die großen Weltmächte investieren massiv in diesen transformativen Bereich.
Die Erforschung des Weltraums durch den Menschen hat ein beispielloses Wachstum erlebt, das von der fortschrittlichen Satellitenherstellung bis zu bahnbrechenden bemannten Raumfahrtmissionen reicht. Während wir bemerkenswerte Meilensteine erreicht haben, hat die Branche weiterhin mit gewaltigen Herausforderungen zu kämpfen, und viele wichtige Technologien befinden sich noch im Anfangsstadium ihrer Entwicklung.
Eine der größten Hürden in der Luft- und Raumfahrttechnik ist die Auswahl der optimalen Materialien. Die Wahl der Werkstoffe hat einen großen Einfluss auf die Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz von Raumfahrzeugen und spielt somit eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung des Weges der Weltraumforschung.
Dieser Artikel beleuchtet die modernsten Metalllegierungen, die für die Luft- und Raumfahrt geeignet sind, wobei der Schwerpunkt auf Magnesiumlegierungen liegt. Durch rigorose Forschung und umfangreiche Tests haben sich Magnesiumlegierungen zu einer Schlüsselkomponente im Werkstoffportfolio der Luft- und Raumfahrt entwickelt.
Wir werden uns mit den extremen Umweltbedingungen befassen, denen Raumfahrzeuge im Vakuum des Weltraums ausgesetzt sind, die außergewöhnlichen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen erforschen und erläutern, warum diese Legierungen in der Luft- und Raumfahrt zunehmend zum bevorzugten Material für die Herstellung von Raumfahrzeugen werden.
Unsere Diskussion wird die einzigartige Kombination aus hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, ausgezeichneten thermischen Eigenschaften und hervorragenden elektromagnetischen Abschirmungseigenschaften von Magnesiumlegierungen umfassen. Wir werden auch auf die neuesten Fortschritte in der Metallurgie von Magnesiumlegierungen eingehen, einschließlich neuer Legierungselemente und Verarbeitungstechniken, die ihre Weltraumtauglichkeit weiter verbessern.
Begeben wir uns auf diese technische Reise, um die entscheidende Rolle von Magnesiumlegierungen bei der Erschließung der Grenzen der Weltraumforschung zu verstehen.
Magnesium ist eines der leichtesten Metalle, die in der Industrie verwendet werden, und infolgedessen haben die entwickelten Magnesiumlegierungen die geringste Dichte unter den industriellen Metalllegierungen erreicht.
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Deutschland begann in den 1980er Jahren mit der industriellen Produktion von Magnesiumlegierungen und setzte sie erstmals in den 1930er Jahren im Automobilbau ein. Die Sowjetunion folgte diesem Beispiel und setzte Magnesiumlegierungen Mitte der 1930er Jahre in der Flugzeugproduktion ein.
Aufgrund des raschen Anstiegs der Nachfrage hat jede Weltmacht der Entwicklung, Erforschung und Verwendung von Magnesiumlegierungen durch verschiedene Forschungsprojekte große Bedeutung beigemessen.
Magnesiumlegierungen haben mehrere Vorteile, darunter eine geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und geringes Gewicht. Herkömmliche Verarbeitungsmethoden können jedoch zu einer schlechten Plastizität führen, weshalb verschiedene Gießverfahren sind für verschiedene Anwendungen entwickelt worden.
Derzeit spielen Magnesiumlegierungen in verschiedenen Forschungsbereichen eine entscheidende Rolle. In der Automobilindustrie werden sie in vielen entwickelten Ländern für Komponenten wie Richtungssteuerung, Getriebegehäuse, Instrumententafel, Motorhaube, Rahmen, Türen und andere verwendet.
Im Bereich der elektronischen Kommunikation eignen sich Magnesiumlegierungen aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften ideal für die Verwendung in leichten und dünnen Produkten und lassen auf die Entwicklung ultraleichter und ultradünner Produkte hoffen. Viele häufig verwendete elektronische Komponenten wie Kameras, Fernsehgeräte, Laptops, Plasmabildschirme und Mobiltelefone werden aus Magnesiumlegierungen hergestellt.
Im medizinischen Bereich eignen sich Magnesiumlegierungen aufgrund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und ihrer chemischen und physikalischen Stabilität hervorragend für die Verwendung als klinische medizinische Implantate.
Magnesiumlegierungen spielen auch in vielen anderen Bereichen eine wichtige Rolle und ihr Wert ist unermesslich.
Werkstoffe für Raumfahrzeuge müssen hervorragende Alterungs- und Korrosionsschutzeigenschaften aufweisen, den extremen Bedingungen im Weltraum standhalten und sich an diese anpassen können und ein stabiles Überleben des Raumfahrzeugs im Weltraum ermöglichen. Die grundlegenden Anforderungen an diese Materialien sind hohe Dichte, Festigkeit und Steifigkeit.
Die Verwendung von Magnesiumlegierungen kann den Treibstoffverbrauch senken, die Flugstrecke verbessern und die Flugzeit verlängern. Außerdem benötigen Flugzeuge höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit und müssen in der Lage sein, statischen und wechselnden Belastungen standzuhalten, die durch verschiedene Faktoren wie Start und Landung, Flugmanöver und Böen verursacht werden. Daher ist die Ermüdungsbeständigkeit von Flugzeugwerkstoffen von großer Bedeutung.
Aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer spezifischen Festigkeit, ihrer geringen Dichte, ihrer guten Wärmeleitfähigkeit und anderer hervorragender Eigenschaften erfüllen die Werkstoffe aus Magnesiumlegierungen die Anforderungen an Werkstoffe für die Luft- und Raumfahrt.
Japan, die Vereinigten Staaten, Großbritannien und andere Weltmächte erhöhen ihre Investitionen in die Erforschung von Magnesiumlegierungen. Derzeit erhöhen alle Länder der Welt ihre Produktion von Magnesiumlegierungen.
China steht weltweit an erster Stelle, was die Magnesiumressourcen, -herkunft und -ausfuhr angeht, und verfügt über die größten Reserven an Magnesiummetall. Allerdings gibt es noch viele Herausforderungen bei der industriellen Produktion und Herstellung von Magnesiumlegierungen in China.
Die Produktionstechnologie für Magnesiumlegierungen in China ist relativ veraltet, was zu niedriger Produktivität, hohem Energieverbrauch und geringerem wirtschaftlichen Wert führt. Auch der Exportanteil von Magnesiumlegierungen in China ist gering, da fast alle Exporte nach ausländischen Marken hergestellt werden.
Die Schlüsseltechnologien und -ausrüstungen, die bei der Herstellung und Verarbeitung von Magnesiumlegierungen zum Einsatz kommen, werden selten selbst entwickelt, sondern es werden stattdessen ausländische Spitzentechnologien und -ausrüstungen verwendet.
Materialien, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, müssen häufig die Anforderungen an Ultrahochtemperatur, Hochtemperatur und Hochvakuum erfüllen. Unter extremen Bedingungen wie hohem Druck, starker Korrosion und Gewicht müssen die Werkstoffe ein minimales Volumen und eine minimale Masse aufweisen und dennoch ihre funktionalen Anforderungen erfüllen.
Einige Materialien müssen in der Atmosphäre oder im Weltraum über einen längeren Zeitraum wartungsfrei betrieben werden, weshalb sie eine hohe Zuverlässigkeit und Qualitätssicherung aufweisen müssen.
Die Leistungsanforderungen an Materialien für die Luft- und Raumfahrt variieren je nach Arbeitsumgebung.
Raumfahrzeuge sind der aerodynamischen Erwärmung in Hochtemperaturumgebungen, Gastriebwerken und der Sonneneinstrahlung ausgesetzt, was zu einer langen Verweildauer in der Luft führt, manchmal mit bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit.
Materialien, die in diesen Umgebungen eingesetzt werden, müssen eine hohe Temperaturbeständigkeit, Kriechfestigkeit, thermische ErmüdungsfestigkeitLuft- und Oxidationsbeständigkeit sowie thermische Korrosionsbeständigkeit gegenüber korrosiven Medien, mit stabilen Strukturen, die über einen längeren Zeitraum bei hohen Temperaturen arbeiten können.
Raketentriebwerke können Temperaturen von über 3000°C und Geschwindigkeiten von mehr als 10 Mach erreichen. Wenn sich das Raketentriebwerk mit dem festen Raketentreibstoffgas und den Feststoffpartikeln vermischt, tritt der Kopf der ballistischen Rakete mit Geschwindigkeiten von über 20 Mach-Zahlen wieder in die Atmosphäre ein, was manchmal zu einer Partikelerosion führt.
Daher sind Hochtemperaturumgebungen im Bereich der Raumfahrttechnik in der Regel mit hohen Temperaturen und schnellen Luftströmungen sowie mit Partikelerosion verbunden. In Fällen, in denen Materialien zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden müssen, werden Hochtemperatur- und Hochviskositätsmaterialien in Kombination mit physikalischen Eigenschaften wie Wärme und Sublimation verwendet.
Hohe Temperaturen und Sonneneinstrahlung verursachen Temperaturschwankungen auf den Oberflächen von Satelliten und Luftschiffen im Weltraum, die eine Temperaturkontrolle und Isolierbeschichtungen erfordern, um niedrige Temperaturen für natürliche und Niedertemperaturtreibstoffe aufrechtzuerhalten.
Wenn man in der Stratosphäre mit Unterschallgeschwindigkeit fliegt, sinkt die Oberflächentemperatur der Flugzeuge auf etwa 50°C. Am Polarkreis können die Temperaturen im Winter unter 40 °C liegen. Um Versprödung zu vermeiden, müssen die Bauteile mit Metall- oder Gummireifen versehen werden. Bei Flüssigkeitsraketen werden flüssiger Sauerstoff (Siedepunkt -183 °C) und flüssiger Wasserstoff (Siedepunkt -253 °C) als Treibstoff verwendet, was noch härtere Umgebungsbedingungen für die Materialien schafft.
Die meisten metallische Werkstoffe und Polymerwerkstoffe werden unter diesen Bedingungen spröde, aber durch die Entwicklung oder Auswahl geeigneter Werkstoffe wie Reinaluminium und Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Tieftemperaturstahl, Polytetrafluorethylen, Polyimid und Perfluorpolyether können die Auswirkungen verschiedener Medien und atmosphärischer Umgebungen auf die Korrosion und Alterung von Werkstoffen, die Temperaturbelastbarkeit und Dichtungsprobleme von Strukturen gemildert werden. Dazu gehören Kraftstoffe (wie Benzin und Kerosin), die mit Werkstoffen der Luft- und Raumfahrt und Raketentreibstoffen in Berührung kommen, sowie verschiedene Schmier- und Hydrauliköle.
Weiterführende Lektüre: Arten von Aluminium und Aluminiumlegierungen
Die meisten Materialien sind anfällig für starke Korrosion, sowohl durch metallische als auch durch nichtmetallische Stoffe.
Unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung in der Atmosphäre dehnen sie sich aus und werden durch Wind und Regen weiter abgetragen.
Schimmelbildung kann den Alterungsprozess von Polymermaterialien erheblich beschleunigen, wenn sie über einen längeren Zeitraum in unterirdischen, feuchten Umgebungen gelagert werden.
Um für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie geeignet zu sein, müssen die Materialien eine gute Korrosions-, Alterungs- und Schimmelbeständigkeit aufweisen.
Zu den einzigartigen Merkmalen der Weltraumumgebung gehören das Hochvakuum (1,33 x 10 MPa) und die kosmische Strahlung.
Im Hochvakuum, metallische Werkstoffe kommen bei der Reinigung der Oberfläche in engen Kontakt miteinander, wodurch sich der molekulare Diffusionsprozess beschleunigt, was zu einer "Kaltverschweißung" führt.
Hochvakuum und kosmische Strahlung können zu Nichtmetallische Werkstoffe sich schnell zu verflüchtigen und zu altern.
In einigen Fällen kann dies zu einer Verunreinigung der optischen Linsen durch flüchtige Stoffe und zum Versagen von Dichtungen aufgrund von Alterung führen.
Materialien für den Einsatz im Weltraum werden in der Regel durch Simulationen und Tests auf dem Boden ausgewählt und entwickelt.
Das Ziel bei der Entwicklung von Flugzeugen ist es, Materialien zu wählen, die so leicht wie möglich sind und dennoch absolute Zuverlässigkeit, Sicherheit und eine gewisse Lebensdauer bieten. Dies ist für die Anpassung an die Weltraumumgebung erforderlich.
Wenn Luftfahrzeuge wie Raketen oder Flugkörper nur für kurze Zeit eingesetzt werden, ist die Leistungsfähigkeit der Materialien begrenzt.
Um die Materialstärke voll auszunutzen und Sicherheit zu gewährleisten, wird bei metallischen Werkstoffen das "Konstruktionsprinzip der Schadenstoleranz" angewendet. Dies erfordert, dass die Werkstoffe nicht nur eine hohe spezifische Festigkeit, sondern auch eine hohe Bruchzähigkeit aufweisen.
Für die unter simulierten Bedingungen verwendeten Werkstoffe werden Daten wie Rissinitiierungsdauer und Risswachstumsrate ermittelt und die zulässige Risslänge und die entsprechende Lebensdauer berechnet.
Organische, nicht-metallische Materialien müssen zur Bestimmung ihrer Lebensdauer und Versicherungsdauer natürlichen und künstlich beschleunigten Alterungstests unterzogen werden. Dies ist eine wichtige Grundlage für Design und Produktion.
Die Verringerung der Treibstoffbelastung ist seit langem ein drängendes Problem in der Luft- und Raumfahrtindustrie, das die ständige Suche nach leichten und dennoch robusten Materialien vorantreibt.
Unter den verfügbaren technischen Metalllegierungen zeichnen sich Magnesiumlegierungen durch ihre außergewöhnlich niedrige Dichte von etwa 1,8 g/cm³ aus, was etwa zwei Drittel der Dichte von Aluminium (2,7 g/cm³) und nur ein Viertel der Dichte von Stahl (7,85 g/cm³) entspricht. Dieser bemerkenswerte Dichtevorteil macht die Anwendung von Magnesiumlegierungen in Luft- und Raumfahrtstrukturen nicht nur möglich, sondern äußerst vorteilhaft.
Magnesiumlegierungen haben das niedrigste spezifische Gewicht aller Konstruktionslegierungen und ermöglichen eine erhebliche Gewichtsreduzierung bei Bauteilen, die traditionell aus Aluminium oder Stahl hergestellt werden, ohne die mechanische Integrität zu beeinträchtigen. Ihre hohe spezifische Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) ermöglicht die Konstruktion von Teilen, die ihre Leistung beibehalten oder sogar verbessern, während sie gleichzeitig ihr Gewicht drastisch reduzieren.
Infolgedessen haben Magnesiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrt eine breite Anwendung gefunden, die von Flugzeuginnenräumen und Sitzkomponenten bis hin zu Getrieben und Triebwerksgehäusen reicht. Durch diese umfassende Nutzung wird nicht nur das Gesamtgewicht der Flugzeugstruktur erheblich reduziert, sondern auch die für ein bestimmtes Einsatzprofil erforderliche Treibstoffmenge deutlich verringert.
Die Auswirkungen des Einsatzes von Magnesiumlegierungen auf die Leistung von Flugzeugen sind vielfältig. Durch die Verringerung des Leergewichts des Flugzeugs wird eine höhere Nutzlastkapazität oder eine größere Reichweite ermöglicht. Außerdem führt der geringere Treibstoffverbrauch zu niedrigeren Betriebskosten und einer geringeren Umweltbelastung durch geringere CO2-Emissionen. Diese Vorteile tragen insgesamt zu einer höheren Effizienz des Flugzeugs, verbesserten Flugeigenschaften und einer größeren betrieblichen Flexibilität bei.
Magnesiumlegierungen sind für ihre außergewöhnliche Kombination aus hoher spezifischer Festigkeit und geringer Dichte bekannt, was sie für fortschrittliche technische Anwendungen immer attraktiver macht.
Im Vergleich zu Aluminiumlegierungen und Stahl bieten Magnesiumlegierungen überlegene Eigenschaften in Bezug auf das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Sie weisen in der Regel eine Dichte auf, die etwa 35% niedriger ist als die von Aluminium und 75% niedriger als die von Stahl, wobei sie wettbewerbsfähige Festigkeitseigenschaften aufweisen.
Daher sind Werkstoffe aus Magnesiumlegierungen besonders wertvoll in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo die Gewichtsreduzierung entscheidend ist. Diese Legierungen können für die Herstellung kritischer Komponenten verwendet werden, die hohen Belastungen standhalten und gleichzeitig die Gesamtmasse minimieren müssen. Beispiele hierfür sind Strukturelemente von Raumschiffkabinen, Triebwerksgehäusen, Getriebegehäusen und Fahrwerkskomponenten. Der Einsatz von Magnesiumlegierungen in diesen Anwendungen kann zu erheblichen Gewichtseinsparungen, verbesserter Treibstoffeffizienz und erhöhter Nutzlastkapazität führen, ohne die strukturelle Integrität oder Leistung zu beeinträchtigen.
Magnesiumlegierungen weisen im Vergleich zu anderen Metalllegierungen überlegene Wärmemanagement-Eigenschaften auf, insbesondere bei Anwendungen zur Wärmeableitung.
Der Wärmegradient zwischen dem Boden und der Oberseite eines Kühlkörpers aus einer Magnesiumlegierung ist wesentlich steiler als derjenige, der bei Kühlkörpern aus anderen Legierungen zu beobachten ist. Dieser ausgeprägte Temperaturunterschied beschleunigt die Luftkonvektion innerhalb der Kühlerstruktur, wodurch die Gesamt-Wärmeableitungseffizienz erheblich verbessert wird.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Magnesiumlegierungen (typischerweise zwischen 51 und 156 W/m-K, je nach Legierungszusammensetzung) trägt zu diesem Leistungsvorteil bei. Darüber hinaus ermöglicht die geringe Dichte von Magnesium (ca. 1,8 g/cm³) die Konstruktion von Kühlkörpern mit größerer Oberfläche, ohne dass dadurch ein erheblicher Gewichtsverlust entsteht, was die Wärmeübertragungsfähigkeiten weiter verbessert.
Quantitativ gesehen zeigt ein Kühler aus einer Magnesiumlegierung unter isothermen Bedingungen eine etwa doppelt so hohe Wärmeableitungsrate wie ein entsprechender Kühler aus einer Aluminiumlegierung. Dies führt zu einer 50% kürzeren Zeit, die benötigt wird, um eine bestimmte Temperaturreduzierung zu erreichen. Dies macht Magnesiumlegierungen besonders attraktiv für Anwendungen, die ein schnelles Wärmemanagement erfordern, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in Hochleistungselektronik-Kühlsystemen.
Im elastischen Bereich weisen Magnesiumlegierungen ein einzigartiges mechanisches Verhalten auf, wenn sie Stoßbelastungen ausgesetzt werden. Ihre hohe spezifische Festigkeit und ihr relativ niedriger Elastizitätsmodul ermöglichen eine kontrollierte elastische Verformung, so dass diese Legierungen beträchtliche Mengen an Aufprallenergie absorbieren können, während die strukturelle Integrität erhalten bleibt. Diese Eigenschaft führt im Vergleich zu vielen anderen Konstruktionsmetallen zu hervorragenden schwingungsdämpfenden Eigenschaften.
Die außergewöhnliche Energieabsorptionsfähigkeit von Magnesiumlegierungen führt zu einer hervorragenden Stoßdämpfung. Bei einem Aufprall baut die Mikrostruktur der Legierung die kinetische Energie durch elastische Dehnung effizient ab und verringert so die Stärke der sich durch das Material ausbreitenden Spannungswellen. Durch diesen Mechanismus werden Schwingungen erheblich gedämpft, was die allgemeine strukturelle Stabilität und den Komfort der Passagiere in Flugzeugen erhöht.
Darüber hinaus tragen die inhärenten Dämpfungseigenschaften von Magnesiumlegierungen zu ihrer bemerkenswerten Lärmminderung bei. Die Fähigkeit der Legierung, mechanische Energie durch interne Reibungsmechanismen in Wärme umzuwandeln, führt zu einer erheblichen Verringerung der akustischen Energieübertragung. Diese Eigenschaft dämpft sowohl den Körperschall als auch den Luftschall, was zu einer ruhigeren Kabinenumgebung und einer geringeren lärmbedingten Ermüdung der Flugzeugkomponenten führt.
Die Kombination aus überlegenen Stoßdämpfungs- und Geräuschdämpfungseigenschaften macht Magnesiumlegierungen für Luftfahrtanwendungen besonders wertvoll. Diese Eigenschaften erhöhen nicht nur den Komfort der Passagiere, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Abschwächung von Ermüdungserscheinungen in Flugzeugstrukturen und tragen damit erheblich zur allgemeinen Flugsicherheit und Langlebigkeit von Flugzeugkomponenten bei. Der Einsatz von Magnesiumlegierungen an strategischen Stellen kann zu einer verbesserten strukturellen Leistung, einem geringeren Wartungsbedarf und einer höheren Betriebseffizienz von Flugzeugen führen.
In den frühen 1900er Jahren wurde die Druckgusstechnologie erstmals auf Magnesiumlegierungen angewandt, was einen bedeutenden Fortschritt in der Leichtmetallumformung darstellte. Dieses Verfahren ermöglichte die schnelle Herstellung komplexer Formen mit hoher Maßgenauigkeit und glatter Oberfläche.
Herkömmliche Druckgussverfahren hatten jedoch Probleme bei der Herstellung von Bauteilen aus Magnesiumlegierungen mit hoher Integrität. Zu diesen Einschränkungen gehörten Oberflächenfehler wie Kaltverformungen und Fließlinien sowie interne Qualitätsprobleme wie Porosität und Lunker. Daher wurden umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen, um das Druckgussverfahren zu verbessern und die Gusstechnologie für Magnesiumlegierungen weiterzuentwickeln.
Magnesiumlegierungen verfügen über ein ausgezeichnetes Fließvermögen und eine niedrige latente Schmelzwärme, wodurch sie sich hervorragend für die Herstellung von Strukturteilen mit komplizierten Geometrien und dünnen Wandabschnitten eignen. Diese Eigenschaften in Verbindung mit der geringen Dichte von Magnesium (ca. 1,8 g/cm³, d. h. 35% leichter als Aluminium) machen es zu einem idealen Werkstoff für die Herstellung von Leichtbauteilen mit geringer bis mittlerer Tragfähigkeit. Zu den gängigen Anwendungen gehören Motorenkomponenten wie Ölwannen und Ventildeckel sowie Bremspedalhalterungen und Lenkradarmaturen. Jüngste Fortschritte bei den Druckguss- (HPDC) und Semi-Solid-Metal-Gießverfahren (SSM) haben den Einsatz von Magnesiumlegierungen in anspruchsvolleren strukturellen Anwendungen weiter ausgebaut.
Die Auswirkungen verschiedener Medien und atmosphärischer Bedingungen auf Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt äußern sich in erster Linie durch Korrosion und Zersetzung. Diese Werkstoffe sind einer Vielzahl von aggressiven Substanzen ausgesetzt, darunter Flugzeugtreibstoffe (z. B. Flugbenzin und Düsentreibstoff), Raketentreibstoffe (wie konzentrierte Salpetersäure, Stickstofftetroxid und Hydrazin), Schmiermittel und Hydraulikflüssigkeiten. Viele dieser Stoffe haben eine stark korrosive oder zersetzende Wirkung auf metallische und nichtmetallische Werkstoffe.
Bei Polymerwerkstoffen kann der Alterungsprozess durch längere Einwirkung von Umweltfaktoren wie UV-Strahlung, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit beschleunigt werden. Insbesondere eine hohe Luftfeuchtigkeit und mikrobielles Wachstum in unterirdischen oder schlecht belüfteten Umgebungen können zu einer erheblichen Verschlechterung führen.
Folglich ist die Beständigkeit gegen Korrosion, Umweltschäden und mikrobiellen Befall eine entscheidende Eigenschaft für Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt. Dies gilt insbesondere für Magnesiumlegierungen, die aufgrund ihres niedrigen elektrochemischen Potenzials sehr reaktiv und anfällig für schnelle Korrosion sind.
Der Oberflächenschutz von Magnesiumlegierungen ist daher von größter Bedeutung. Während traditionell chemische Konversionsschichten verwendet wurden, hat sich seit den 1980er Jahren die anodische Oxidation aufgrund ihrer überlegenen Schutzeigenschaften und der Prozesskontrolle als bevorzugte Methode durchgesetzt.
Jüngste Forschungen zu Schutzatmosphären für das Gießen von Magnesiumlegierungen, insbesondere unter Verwendung von CO2+SF6-Gasmischungen, haben die Bildung eines Schutzfilms auf der Legierungsoberfläche ergeben. Dieser Film besteht aus einer primären MgO-Schicht, wobei F-Ionen als Vermittler zwischen dem MgO und dem flüssigen Mg wirken und MgF2 bilden. Diese zweischichtige Struktur erhöht die Kompaktheit und den schützenden Charakter des Films.
Aufgrund von Umweltbedenken im Zusammenhang mit SF6 (einem starken Treibhausgas) suchen Forscher jedoch aktiv nach alternativen Schutzgasen mit geringeren Umweltauswirkungen, die dennoch Fluor für einen wirksamen Schutz enthalten.
Es ist erwähnenswert, dass Magnesiumlegierungen zwar in vielen alkalischen Umgebungen sehr korrosionsanfällig sind, dass sie aber in bestimmten, für Raumfahrzeuge spezifischen alkalischen Bedingungen eine ausgezeichnete Stabilität aufweisen. Diese einzigartige Eigenschaft macht sie für bestimmte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wertvoll, vorausgesetzt, es werden geeignete Schutzmaßnahmen getroffen.
Magnesiumlegierungen weisen eine bemerkenswerte chemische Stabilität in verschiedenen organischen Verbindungen auf, insbesondere in Kohlenwasserstoffen wie Benzin und Kerosin. Diese Beständigkeit gegen Korrosion und Abbau in Kraftstoffumgebungen macht sie zu idealen Kandidaten für bestimmte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie.
Folglich finden Magnesiumlegierungen breite Anwendung bei der Herstellung von Kraftstofftanks für Benzin und Kerosin sowie bei kritischen Motorkomponenten, die mit diesen Kraftstoffen in Berührung kommen, wie z. B. Getriebe, Bremssysteme und Kraftstoffzufuhrkomponenten. Ihre geringe Dichte und ihr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis machen sie für diese Anwendungen noch geeigneter und tragen zu einer allgemeinen Gewichtsreduzierung und verbesserten Kraftstoffeffizienz bei.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie, sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich, hat Magnesiumlegierungen in großem Umfang eingesetzt. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der Bomber B-25 Mitchell, bei dem Magnesiumlegierungen eine entscheidende Rolle in der Konstruktion der Flugzeugzelle spielen. In der B-25 werden etwa 90 kg stranggepresste Teile aus Magnesiumlegierungen und über 200 kg Gussteile aus Magnesiumlegierungen verwendet. Dieser umfangreiche Einsatz von Magnesiumlegierungen trägt zur Leichtbauweise des Flugzeugs bei und erhöht seine Leistung und Reichweite.
Neben Flugzeugen finden Magnesiumlegierungen auch in modernen Raketensystemen und Satellitenkomponenten Anwendung. Das chinesische Boden-Luft-Raketensystem HQ (Hong Qi oder Rote Flagge) beispielsweise verwendet Magnesiumlegierungen in kritischen Strukturen wie dem Instrumentenraum, dem hinteren Teil und den Triebwerksaufhängungen. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, ihrer ausgezeichneten schwingungsdämpfenden Eigenschaften und ihres Wärmemanagements eignen sich die Legierungen besonders gut für diese anspruchsvollen Luft- und Raumfahrtanwendungen, bei denen Gewichtsreduzierung und thermische Stabilität von größter Bedeutung sind.
Magnesiumlegierungen weisen eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen auf und eignen sich daher gut für die extremen Umweltbedingungen, denen Raumfahrzeuge ausgesetzt sind. Diese Legierungen halten im Allgemeinen den thermischen Belastungen stand, die in der Luft- und Raumfahrt auftreten, von der großen Hitze beim Wiedereintritt in die Atmosphäre bis hin zur extremen Kälte im Weltraum.
Im Gegensatz zu einigen metallischen Werkstoffen, die in den Hochtemperaturbereichen des Weltraums erweichen oder schmelzen können, behalten Magnesiumlegierungen ihre strukturelle Integrität. Ihre Hochtemperaturbeständigkeit stellt sicher, dass sie den thermischen Belastungen während der verschiedenen Phasen des Raumflugs, einschließlich Start und Wiedereintritt, standhalten können.
Gleichzeitig weisen Magnesiumlegierungen eine hervorragende Tieftemperaturanpassungsfähigkeit und Wärmeisolationseigenschaften auf. Diese Eigenschaft ist entscheidend für den Schutz der inneren Komponenten von Raumfahrzeugen und gewährleistet deren normalen Betrieb im kalten Vakuum des Weltraums.
Die mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen sind bei hohen Temperaturen besonders bemerkenswert. Sie behalten ihre Festigkeit und Steifigkeit in Weltraumumgebungen bei und bilden eine solide Grundlage für die strukturelle Integrität bei Weltraummissionen.
In der Luft- und Raumfahrtindustrie sind die Materialanforderungen für die Produktion von Luft- und Raumfahrzeugen äußerst streng. Jedes Bauteil muss strenge Normen für Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit erfüllen. Während die Erfüllung dieser Anforderungen mit herkömmlichen industriellen Werkstoffen eine Herausforderung darstellen kann, sind die einzigartigen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen hervorragend auf die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtfertigung abgestimmt.
Magnesiumlegierungen finden in einem breiten Spektrum von Raumfahrzeugkomponenten Anwendung, von Strukturelementen bis hin zu Triebwerksteilen. Durch ihre geringe Dichte wird die Gesamtmasse von Raumfahrzeugen erheblich reduziert, was sich unmittelbar in einem geringeren Treibstoffbedarf und einer längeren Missionsdauer niederschlägt.
Die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit von Magnesiumlegierungen gewährleisten die Stabilität von Raumfahrzeugen und bieten eine hervorragende strukturelle Leistung im Weltraum. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, dass das Raumfahrzeug den Belastungen des Starts, des Manövrierens und möglicher Einschläge von Weltraummüll standhalten kann.
Die gute Bearbeitbarkeit und Formbarkeit von Magnesiumlegierungen unterstützt die Herstellung komplexer Raumfahrzeugkomponenten und ermöglicht komplizierte Konstruktionen, die Leistung und Funktionalität optimieren.
Das hohe Dämpfungsvermögen von Magnesiumlegierungen ermöglicht eine zuverlässige Unterdrückung von Vibrationen, die für den Schutz empfindlicher Geräte und den Komfort der Besatzung bei bemannten Missionen von entscheidender Bedeutung sind.
Aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Hochtemperaturleistung und ihrer guten Kompatibilität mit Aluminiumlegierungen (die in der Luft- und Raumfahrt häufig zusammen verwendet werden) haben Magnesiumlegierungen ein großes Potenzial für einen erweiterten Einsatz in der Raumfahrttechnik.
Die Kombination dieser herausragenden Eigenschaften - geringes Gewicht, hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, thermische Stabilität und Verarbeitbarkeit - macht Magnesiumlegierungen zu einem entscheidenden Werkstoff für die Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrt und für künftige Weltraummissionen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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