Wo werden Aluminiumlegierungen in Flugzeugen eingesetzt?

Die Entwicklung von Aluminiumlegierungen war schon immer eng mit der Luftfahrt verbunden. Bereits im frühen 20. Jahrhundert wurde im Flugzeug der Gebrüder Wright ein Al-Cu-Mn-Gussteil für das Kurbelgehäuse des Motors verwendet. Die Entdeckung der Aushärtung bei Al-Cu-Mg-Legierungen im Jahr 1906 machte Aluminium-Kupfer-Legierungen zu praxistauglichen Hauptkonstruktionswerkstoffen für Flugzeugzellen.

Die Entwicklung von Legierungen für die Luftfahrt hat mehrere Phasen durchlaufen. In den 1950er Jahren standen Gewichtsreduzierung sowie eine höhere spezifische Steifigkeit und Festigkeit im Vordergrund. In den 1960er- und 1970er-Jahren verlagerte sich der Fokus auf Langlebigkeit und Schadetoleranz, was zu den T73- und T76-Behandlungen für 7xxx-Legierungen, die Legierung 7050 und hochreine Legierungen führte. Steigende Treibstoffpreise trieben in den 1980er Jahren eine weitere Gewichtsreduzierung voran. Seit den 1990er Jahren verbindet die Entwicklung Gewichtsreduzierung mit verbesserter Lebensdauer, Schadenstoleranz, Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Dicke Bleche mit geringer Eigenspannung ermöglichen zudem den Einsatz großer einteiliger Strukturen anstelle von Baugruppen aus vielen Einzelteilen, wodurch Gewicht eingespart und gleichzeitig die Konsistenz verbessert wird.

Aluminiumgusslegierungen für Flugzeuge

Moderne Flugzeuge enthalten etwa 1.500 bis 2.000 verschiedene Arten von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen. Je nach Einsatzbedingungen und Einbauort werden drei Grundgruppen ausgewählt:

• Hochfeste Gusslegierungen: Es handelt sich hauptsächlich um Al-Cu-Legierungen, die im Sandgussverfahren hergestellt werden. Sie werden für Rumpfteile, Triebwerksräume, Sitze und Steuerungssysteme verwendet und können häufig Aluminium-Druckschmiedeteile ersetzen.
• Hitzebeständige Gusslegierungen: Hochlegierte Al-Cu-Ni-Werkstoffe, die in der Nähe von Triebwerken und in Luftumwälzsystemen bei Temperaturen von etwa 200 bis 400 °C zum Einsatz kommen, wo die Beständigkeit gegen thermische Verformung von Bedeutung ist.
• Korrosionsbeständige Gusslegierungen: Al-Mg-Legierungen, die Festigkeit, Duktilität, Schlagzähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Schweißbarkeit vereinen. Sie eignen sich für Wasserflugzeugstrukturen, die korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind.

Knetaluminiumlegierungen für Flugzeuge

Zu den am häufigsten verwendeten Werkstoffen für Schmiedeteile in der Luftfahrt zählen Al-Cu-Legierungen der 2xxx-Reihe, Al-Zn-Legierungen der 7xxx-Reihe sowie Al-Li-Legierungen. Sie kommen häufig in Außenhäuten, Tragflächen, Rahmen, Bodenbalken und anderen tragenden Strukturen zum Einsatz.

Typische Anwendungsbereiche von Al-Cu-Legierungen

Die 2xxx-Serie war die erste Familie von wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen, die in der Luftfahrt breite Anwendung fand.

Typische Anwendungsbereiche von Al-Zn-Legierungen

Die kommerzielle 7xxx-Serie umfasst einige der festesten Aluminiumknetlegierungen. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, gute Korrosions- und Beschädigungsbeständigkeit sowie gute Zerspanbarkeit aus. Im Laufe von mehr als 90 Jahren hat sich die Entwicklung von der Optimierung einzelner Eigenschaften hin zu einer ausgewogenen Gesamtleistung entwickelt, während die Produktabmessungen erheblich zugenommen haben. Zu den nachfolgenden Produktfamilien gehören die Legierungen 7×75, 7×50/7010, 7055/7449 und 7136/7056.

Typische Anwendungsbereiche von Al-Li-Legierungen

Lithium ist das leichteste metallische Element, und seine maximale Löslichkeit in Aluminium beträgt 4,2%. Durch Zugabe von 1% Li zu einer Aluminiumlegierungsmatrix lässt sich die Dichte um etwa 3% verringern und der Elastizitätsmodul um etwa 5% bis 6% erhöhen. Im Vergleich zu herkömmlichen hochfesten 2xxx- und 7xxx-Legierungen bieten Al-Li-Legierungen eine geringe Dichte, einen hohen Elastizitätsmodul, eine hohe spezifische Festigkeit und einen hohen spezifischen Modul, eine geringe Ermüdungsrisswachstumsrate sowie gute Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen. Im Vergleich zu Verbundwerkstoffen bieten sie zudem Vorteile hinsichtlich Schlagzähigkeit, Duktilität und Reparaturfähigkeit.

Weitere in Flugzeugen verwendete Aluminiumlegierungen

Auch andere Serien haben spezielle Einsatzbereiche. Die Quelle nennt die Werkstoffe 3003 und 5052 als gängige Materialien für Behälter, Rohre und korrosionsbeständige Bauteile und führt 5052 als Werkstoff für Außenverkleidungen auf. In der detaillierten Anwendungstabelle werden die chinesischen Legierungsbezeichnungen 5A02 und 5A05 verwendet.