Lentokoneiden alumiinirakenteiden eliniän pidentäminen

Abstract

Lentokonerakenteet joutuvat käytössä jatkuvalle sykliselle kuormitukselle, mikä ajan myötä saa aikaan materiaalin väsymistä. Väsyminen voi johtaa kappaleen murtumiseen, mikä lentokoneiden tapauksessa voi olla hengenvaarallista. Tässä työssä perehdytään lentokoneen rakenteeseen, materiaalivalintoihin ja ennen kaikkea väsymisvaurioiden ehkäisyyn. Työ on kirjallisuuskatsaus, joka on tehty kahden tutkimuksen pohjalta. Tutkimuksissa esitetään kaksi menetelmää, joilla alumiinin väsymiskestävyyttä lentokonerakenteissa voitaisiin parantaa. Väsymismurtumien ehkäisyssä hyödynnetään usein materiaaliin aiheutettavia jäännösjännityksiä. Jäännösjännitykset jäävät materiaalin sisään kuorman poiston jälkeen ja ne voivat olla joko puristavia tai vetäviä. Rakenteen sisällä olevat puristusjännitykset painavat mikrorakennetta yhteen estäen särön etenemisen. Jäännösjännityksiä saadaan aikaan aiheuttamalla pientä paikallista pysyvää muodonmuutosta materiaalissa termisen tai mekaanisen muokkauksen avulla. Tässä työssä esiteltävistä menetelmistä toisessa muodonmuutos aiheutetaan laserkuumennuksen avulla ja toisessa mekaanisella pinnan työstämisellä paineistetun kuulan avulla. Tämä työ perustuu näihin kahteen tutkimukseen ja niistä saatuihin tuloksiin. Laserkuumennuksen tavoitteena on kuumentaa alumiinia paikallisesti sulattamatta sitä. Kuumennetulle alueelle syntyy vetojännityksiä ja vastaavasti ympäröivään materiaaliin puristusjännityksiä. Tarkoituksena on kuumentaa vain pieni alue kappaleesta, jolloin puristusjännitykset leviävät muualle kappaleeseen. Syvävalssauksen tutkimuksessa keskitytään menetelmän vaikutukseen laserpäällystettyyn kappaleeseen. Päällystys jää usein kappaleen heikoimmaksi osaksi, joten syvävalssauksen tarkoituksena on vahvistaa päällystettyjen osien väsymiskestävyyttä. Jäännösjännitykset saadaan aikaan pienellä kuulalla, jota painetaan nestemäisen paineen avulla materiaalin pintaan aiheuttaen siihen pieniä muodonmuutoksia. Molemmat tekniikat tuottavat hyviä tuloksia. Laserkuumennuksella saadaan aikaan jopa 300 % parannus väsymisikään. Kuumennuksen vaikutus yltää hyvin kauemmas kuumennetusta alueesta ja särön kasvunopeus on huomattavasti pienempi. Myös syvävalssauksen tulokset ovat merkittäviä, sillä käyttöikään saadaan jopa 500 % parannus referenssiin verrattuna. Päällysteestä pystytään siis tekemään selvästi kestävämpi. Tämän työn tulokset perustuvat vain näihin kahteen tutkimukseen, joten lisää tutkimuksia tarvitaan ennen kuin menetelmiä voidaan hyödyntää lentoteollisuudessa.