Uçak Yapılarında Kompozit Malzeme Kullanımı

Teknolojik arayışlar her geçen gün malzeme biliminin önemini gittikçe arttırmakta, tüm sektörlerde yeni arayışlar içerisinde mutlaka malzeme biliminin gerekleri ön plana alınması bir zorunluluk haline gelmektedir.

Şüphesiz imalat sektöründe bu konu daha fazla önem arz etmekte ve konunun en ince detayına kadar araştırılması yapılmaktadır. Amaç hedeflenen ve günümüzde ideal olarak kabul edilen uzay teknolojisinin her alanda gereği gibi uygulanmasını sağlamak olmalıdır. Diğer yandan çoğu ülkeler, gelişmişliklerini değerlendirirken uzay teknolojisine sahip olma varlıkları ile ölçebilmektedirler. Şüphesiz uzay teknolojisin uygulandığı uygulamaların başında risk faktörünün belki de en fazla olduğu uçak endüstrisi gelmektedir. Bu endüstri temelde incelendiğinde etkili faktörlerin başında malzeme konusunun büyük rol oynadığı görülmektedir. Bilindiği gibi uçak endüstrisinde kullanılan malzemelerden beklenen özellikler, yüksek mukavemet, düşük yoğunluk ve kolay işlenebilirliktir.
 

Genelde bir sistem oluşturulurken öncelikle sistemi oluşturan unsurlar ve bu unsurları etkisinde bırakan faktörler ele alınır. Konuya bu açıdan bakıldığında uçak yapımında kullanılacak malzemelerin seçiminde;
 

–Dizayn mukavemetinin ağırlığa oranı

–Yorulma karakteristikleri

–Çatlak yayılması davranışı

–Baskın arıza tipleri

–Hasar ve korozyon toleransı

–Mevcut imalat kolaylıkları

–Malzemenin maliyeti

–İmalat maliyeti

–Pazar gerekleri
 

faktörleri önemli rol oynamaktadır. Gerekli mukavemet değerlerine sahip, düşük yoğunlukta malzemeler seçildikten sonra onlara konstrüksiyonda istenilen şekillerin verilebilmesi, ancak uygun kaynak yönteminin ve buna bağlı olarak ısıl işlemlerin uygulanabilmesi için mümkün olabilmektedir. Üretici firma, kaynak yapılabilecek parçanın hangi tip kaynak yöntemi ile, hangi tip elektrot ve ilave metalin kullanılacağını ve hangi akım miktarı ve kaynak hızı ile yüzey temizleneceğini ve diğer gerekli bilgileri formlarla belirtirler.

Uçak endüstrisinde günümüzde en önemli konu malzemenin doğru olarak seçilip bir bütün yapı içersinde değerlendirilmesidir. Uçak malzemelerini öncelikle, metal esaslı ve kompozit malzemeler olarak iki grupta incelemek mümkündür. Paslanmaz çelikler, nikel alaşımları, titanyum alaşımları ve alüminyum alaşımları yaygın olarak kullanılan metal esaslı uçak malzemeleridir. Kompozit malzemeler; metalik, organik veya inorganik esaslı yapı bileşenlerinin kombinasyonundan oluşur. Matris, fiberler partiküller, pullar, tabakalar başlıca yapı bileşenleri olup, fiberler, partiküller, pullar, tabakalar kompozitin iç yapısını oluştururlar. Kullanılan matris malzemesine göre kompozit malzemeler, yüksek rijitlik ve mukavemetleri, bazı uygulamalarda mükemmel yorulma ömürleri, yüksek korozyon ve erozyon dirençleri nedeniyle birçok endüstri kolunda tercih sebebidir.  Son 30 yılda reçine ve fiber teknolojisinde büyük gelişmeler sağlanarak geliştirilen kompozit malzemelerde, konvansiyonel malzemelerin elastisite modüllerine ulaşılmıştır. Bu nedenle kompozit malzemeler; kaplamalar, takviye parçalarının kontrol yüzeyleri ve flaplarda kullanım alanları bulmuşlardır.

Kompozit malzemelerin imalata uygunluğu, bakım maliyetini düşük ve mekanik  özelliklerinin iyi olması uçak tasarımında büyük avantaj sağlar. Sivil uçakların yapı elemanlarında kullanılacak kompozitlerin maliyetinin hesaplanması; yalnızca malzemenin maliyeti esasına dayandırılmamalıdır. Maliyet hesabı; direkt işletme giderleri ve yatırımın geri dönüşü gibi iki faktörün göz önünde bulundurulmalarını da gerektirir.

Kompozitlerin uygulama örneklerine göz atarsak; F-16’larda, yatay ve dikey stabilize’nin yanı sıra, kontrol yüzeyleri de karbon-epoksi’dir. Boeing 757 ve 767’lerde; kontrol yüzeyleri karbon- epoksi motor kaportaları karbon/aramid-epoksidir. Airbus A320 uçaklarında, spoilerlerde, aileronlarda, kuyruk takımlarında, silindirik motor kılıflarında, karbon takviyeli kompozitler kullanılmıştır.
 

Gaz türbinli motorların dizaynında temel hedef performansı artırmak, ağırlığa karşı thrust oranını artırmak, yakıt tüketimini azaltmak ve direk çalışma maliyetlerini (DOC, direct operating cost) minimuma indirmektir. Bu işlemler aerodinamik yapı ve malzemelerde yapılan  iyileştirmelerle sağlanabilir.

Gaz türbinli motorlarda kullanılacak malzemeleri şu özellikleri taşıması istenir: 

* Malzeme ve üretim maliyetinin düşük olması. Bu işlem , motor yenileme maliyetleri ile uzun dönem bakım maliyetlerini azaltmak için istenir.

* Düşük ağırlıklı malzemeler uçağın toplam ağırlığını azaltır böylece verim artmış olur.

* Fiziksel, termal ve mekanik özelliklerin iyi olması. Bu işlem, kompresörde daha yüksek basınç oranları ve türbinde daha yüksek çalışma sıcaklıkları elde edilmesini sağlar.
 

Bugünkü motor dizaynları hala  geleneksel metalurjik yaklaşıma bağlıdır ve alüminyum titanyum, nikel tabanlı alaşımlarda sürdürülen geliştirme birkaç sınırlı motor performansı iyileştirmeleriyle sonuçlanmaktadır. Gelecek yüzyılın motorları için güvenirlik , sertlik, mukavemet, yüksek sıcaklık kabiliyeti gereksinimleri sağlanmalıdır.

Uçaklarda kullanılan alüminyum alaşımları başlıca iki ana gruba ayrılır:

*2000 serisi alaşımlar: Bu alaşımlarda aluminyum dışındaki ana malzeme bakırdır. (ağırlık %4’e kadar kullanılır. Mukavemetini artırmak için magnezyumda eklenir.)

* 7000 serisi alaşımlar: Alüminyumdan sonraki ana elaman çinkodur. Ayrıca az miktarda bakır ve magnezyum mukavemeti artırmak için eklenmiştir. Bunlara şekil verdikten sonra temperleme denen ısıl işlemler uygulanır ve sertleştirilir.

Son geliştirilen modern yolcu uçaklarında; Boeing-777 uçağının gövdesinde, B737’nin 600/700/800 serilerinde kanat alt yüzeylerinde üstün özellikli alüminyum kullanılmaktadır.   
 

 Uçak motoru üreten firmalar, kompozit yapılı kapıların alüminyum olmasını tercih ederler; hedef ise %25 motor ağırlığından kazanmaktır. Prosedürde ise alüminyum petek yapılı kompozit kaplama, sandviç kullanımına rastlanmaktadır. Alüminyum petek yapı, alevin motorun çelik desteklerini etkilemesini önlemektedir. Optimum dayanıklılık ve uygun maliyet ile yüksek özgül modüllere ulaşabilmek için , kaplamalarda karbon fiber kullanımı tercih edilmiştir.

Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım, metal malzeme yerine kompozit malzeme kullanımı konusudur. Uçak yapısında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlerdir. Genellikle epoksi matris içinde sürekli elyaflar kullanılır.
 

Uçak yapılarında alüminyum alaşımlar gibi konvansiyonel malzemelerin yerini alan kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukavemet özelliğine sahiptirler. Uçak yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile ifade edilen, özgül mekanik özellik değerleri karşılaştırıldığında bor / epoksi ve karbon / epoksi kompozitlerin konvensiyonel malzemelerden önemli farklarla üstün oldukları görülmektedir.
 

Uçaklarda kullanılan malzemelerin en gelişmişi titanyumdur. Aynı mukavemete sahip çelikten %44 daha hafiftir, ısıya direnci çok yüksek olup korozyona dayanımı mükemmeldir. Fakat, işlenme, şekil verme zorlukları ve de pahalılığı nedeniyle uçakların çok kritik yük taşıyan bağlantılarında, motorların etrafında ‘ısı kalkanı’ olarak ve jet motorlarının yüksek ısı gören bölümlerinde ve türbin palelerinde kullanılır.

Düşük yoğunluğa sahip kompozit yapıların uçak tasarımında kullanılması ile metal yapıya oranla ağırlık kazancı sağlanmıştır. Şekil 1’de gelişen teknoloji ile birlikte, uçak tasarımında kompozit malzeme kullanımındaki artış verilmektedir (Margolis , 1986).

Uçak tasarımında ilk olarak kullanılan kompozitler cam elyaf kompozitlerdir. 1944’lerde cam elyaf reçineli kompozit plakalar ağaç çekirdeğin yüzeylerine yapıştırılarak  sandviç paneller şeklinde kullanılmıştır (Phillips,1987). Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960’larda başlamıştır(ABD’de bor elyaflar, İngiltere’de ise grafit elyaflar).
 

Grafit/epoksi kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727’lerin gövde kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 ağırlık kazancı sağlamıştır (Brooks,  etal,1980). Boeing 737’lerin aerodinamik frenleri grafit/epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981’den itibaren 22000 uçuş saatlik kullanımları esnasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır. Bu uçaklarda kompozit kullanımıyla %15’lik bir ağırlık kazancı sağlanmıştır (Noton, 1974).
 

Boeing uçaklardaki ana iniş takımları kapakları karbon fiber kompozitlerden üretilmiştir. Burun iniş takımları kapakları hibrid kompozitlerden üretilmiştir.

Spoiler iç malzeme olarak petek yapılardan oluşturulmuştur. Üst kısım kevlar epoksi ile iç malzeme nomex petek yapı malzemedir. İstikamet dümeni karbon/epoksilerden oluşturulmuştur. Dikey dengeleyici hibrid kompozitlerde ve can fiber kompozitlerden imal edilmiştir. Petek yapılar spoilerde, kanatçıklarda, flaplarda ve hava frenlerinde genelde nomex petek yapı kullanılmıştır. Yatay ve dikey dengeleyicilerde grafit/epoksi ve hibrid kompozit kullanılmış olup kanatlarda ve motor kapaklarında hibrid kompozit kullanılmamıştır. 
 

Airbus uçaklarda kompozit kaplama uygulamaları; A310 , A300-600 modelleri ile başlamıştır. Airbus 310-300’ün önemli ana elemanları kompozit malzeme ile üretilen ilk uçak denilebilir.
 

Kompozit malzemeler sağladığı özelliklerle ağırlık ve üretim maliyetleri ikincil yapılarda korozyonda korumada ve hayati yorulma potansiyelleri çok iyidir.

Kompozit malzemeler, gelişen teknoloji ve imalat yöntemlerine yönelik yapılacak çalışmalarla, gelecekte yüksek mukavemet elamanı olarak kullanılacak olan malzemelerin başında gelecektir. Bu çalışma sürecinde temel olarak ele alınacak üç tip özellik vardır. Bunlar; yoğunluk, yüzey düzgünlüğü ve ekonomikliktir. Yüksek sıcaklık, kompozitlerinin gelişimi, yapısal düzgünlüğüne sahip elyafların ve birbirleri ile daha uyumlu çalışan matrislerin gelişimine paralel bir ilerleme kaydetmektedir.
 

Düşük maliyetli elyafların ve malzeme işleme tekniklerinin geliştirilmesi ile kompozitlerin kullanım alanları daha da yaygınlaştırmaktadır. Polimerlerin ve metal matrislerin işlenme teknikleri konusunda yapılan çalışmalar kompozitlerin gelişimine hız katmaktadır. Fakat gelişmelerin büyük bir kısmının seramik matrislere yönelik olacağı düşünülmektedir.

 

 

Kaynak: Ders notları, kişisel notlar, internet

Yorum Yaz