ELTRA Elementaranalyse in der Luftfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist ein wichtiger Sektor, der sich auf die Entwicklung, Herstellung und den Betrieb von Flugzeugen und Raumfahrzeugen konzentriert. Sie spielt eine Schlüsselrolle im globalen Transportwesen, indem sie schnelles Reisen und Handel auf der ganzen Welt ermöglicht. Im Verteidigungsbereich stellt sie wichtige Werkzeuge wie fortschrittliche Flugzeuge und Raketen für militärische Zwecke bereit. Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist auch führend in der Weltraumforschung und unterstützt die Satellitenkommunikation und wissenschaftliche Entdeckungen. Um die hohen Standards in Bezug auf Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erfüllen, setzt die Luft- und Raumfahrtindustrie auf die neuesten Technologien und ständige Innovation. Die verwendeten Materialien sollten verschleißarm und robust gegenüber unterschiedlichen klimatischen Bedingungen sein. Darüber hinaus muss die mechanische Belastbarkeit des gesamten Flugzeugs hoch genug sein, um eine große Anzahl von Start- und Landevorgängen zu ermöglichen. Neben den Sicherheitsaspekten spielen auch wirtschaftliche Faktoren eine Rolle. So sollte der Treibstoffverbrauch möglichst gering sein und die Anschaffungskosten sollten im Allgemeinen in einem erschwinglichen Rahmen liegen.

Materialien für Luft- und Raumfahrtanwendungen

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden verschiedene fortschrittliche Materialien verwendet. Jedes dieser Materialien wird auf der Grundlage seiner Fähigkeit ausgewählt, bestimmte Leistungskriterien zu erfüllen, darunter Festigkeit, Gewicht, Temperaturbeständigkeit und Haltbarkeit:

Titanlegierungen:

Titan ist bekannt für seine hohe Festigkeit, sein geringes Gewicht und seine Korrosions- und Hochtemperaturbeständigkeit. Titan wird häufig in Düsentriebwerken, Fahrwerken und kritischen Strukturbauteilen verwendet, bei denen eine hohe Leistung erforderlich ist.

Aluminiumlegierungen:

Aufgrund ihres hervorragenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihres günstigen Preises sind sie weit verbreitet. Aluminiumlegierungen werden hauptsächlich in den Flugzeugzellenstrukturen von Flugzeugen verwendet, einschließlich Rumpf- und Flügelkomponenten.

Stahllegierungen:

Hochfester Stahl wird für Komponenten verwendet, die Langlebigkeit und Robustheit erfordern, wie z. B. Fahrwerke, Befestigungselemente und bestimmte Strukturteile. Edelstahl wird auch wegen seiner Korrosionsbeständigkeit verwendet.

Magnesiumlegierungen:

Wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen Gewichtseinsparungen von entscheidender Bedeutung sind, ist jedoch aufgrund von Problemen mit Korrosion und Entflammbarkeit weniger verbreitet.

Superlegierungen:

Diese Materialien, die in der Regel auf Nickel oder Kobalt basieren, werden in Motorkomponenten verwendet, die extremen Temperaturen und Belastungen standhalten müssen.

Verbundwerkstoffe:

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) werden aufgrund ihrer leichten und hochfesten Eigenschaften immer häufiger eingesetzt. Diese Verbundwerkstoffe werden in verschiedenen Teilen von Flugzeugen, wie Flügeln, Rümpfen und Innenraumkomponenten, verwendet, um die Treibstoffeffizienz zu verbessern und das Gewicht zu reduzieren.

Keramik und Glas:

Wird in Wärmeschutzsystemen, wie sie in Raumfahrzeugen zu finden sind, sowie in Fenstern und anderen Komponenten verwendet, die Transparenz und Beständigkeit gegen Wärmeschocks erfordern.

Polymere und Kunststoffe:

Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Vielseitigkeit werden sie in Innenausstattungskomponenten, Isolierungen und Verkabelungen eingesetzt.

Zum Beispiel werden die folgenden Materialien für den Bau eines Boeing 787-Flugzeugs verwendet:

Material					Used in % by weight
Composites					50
Aluminium					20
Titanium					15
Steel					10
Other					5

Titan und seine Legierungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Titan ist das zehnthäufigste Element auf der Erde. Dank ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften eignen sich Titan und seine Legierungen besonders gut für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Erstens ist die Dichte im Vergleich zu Stahl um 60 % geringer, was Titan zu einem leichten Material macht. Das geringe Gewicht führt zu einem geringeren Treibstoffverbrauch. Zweitens sorgt eine gute Hitze- und Korrosionsbeständigkeit für eine lange Lebensdauer und Triebwerkssicherheit. Drittens ermöglichen die geringe Versprödung und die geringe Wärmeausdehnung die Kombination von Titan und seinen Legierungen mit kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Titan und Titanlegierungen werden hauptsächlich in technisch kritischen Teilen eines Flugzeugs wie Flugzeugzellen oder Triebwerken verwendet.[1],[2] Trotz all dieser Vorteile muss berücksichtigt werden, dass die Gase Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff die mechanischen Eigenschaften von Titan negativ beeinflussen können. Ein weiteres Risiko ist die hohe Affinität von flüssigem Titan zu diesen Gasen während des Herstellungsprozesses. Mit zunehmender Sauerstoffkonzentration wird das Material härter und anfälliger für Risse [3]. Eine zusätzliche Wasserstoffkonzentration kann die Produktqualität durch Wasserstoffversprödung weiter beeinträchtigen [4]. Mit zunehmendem Wasserstoffgehalt verliert das Titan zunächst seine Duktilität, was zu Abplatzungen der Titanoberfläche führen kann. Angesichts des erheblichen Einflusses der Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffkonzentrationen auf die Materialeigenschaften von Titan und seinen Legierungen ist eine präzise Messung dieser Elemente für die Qualitätskontrolle bei Titanprodukten von entscheidender Bedeutung.

ELTRA zählt zu den weltweit führenden Herstellern von Elementaranalysatoren

Aufgrund der Herausforderungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in extremen Umgebungen zu arbeiten, sei es in großen Höhen oder im Vakuum des Weltraums, sind strenge Test- und Zertifizierungsverfahren erforderlich, um sicherzustellen, dass alle Komponenten und Systeme einwandfrei funktionieren. Die Elementaranalyse ist entscheidend, um zu überprüfen, ob die für die Konstruktion verwendeten Materialien die erforderlichen Eigenschaften besitzen. Die ELTRA GmbH ist ein führender Hersteller mit über 40 Jahren Erfahrung in der Herstellung von hochpräzisen Elementaranalysatoren. Die Produktpalette umfasst Instrumente zur Messung des Kohlenstoff-, Schwefel-, Stickstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffgehalts in verschiedenen Arten von Materialien. Darüber hinaus ist ELTRA für seine thermogravimetrischen Analysatoren bekannt, die zur Beurteilung des Gewichtsverlusts bei bestimmten Temperatur- oder Heizprozessen eingesetzt werden. Diese Analysatoren sind unverzichtbare Werkzeuge in Branchen, die eine genaue Analyse der Materialzusammensetzung erfordern, wie z. B. Luft- und Raumfahrt, Metallurgie, Zement, Bergbau, Batterieproduktion und viele andere Bereiche.

O/N/H-Analyse in Rohstoffen für Flugzeugkomponenten

Ein wichtiger Teil der chemischen Analyse von Materialien, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, ist immer die Messung der Gase Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Wasserstoff (H), die einen erheblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften haben. Der O/N/H-Analysator ELEMENTRAC ONH-p2 von ELTRA verwendet die Inertgasfusion, um die gewünschten Gase in einem breiten Konzentrationsbereich vom niedrigen ppm-Bereich bis zu 2 % zu messen. Der Elektrodenofen, auch Impulsofen genannt, des ONH-p2 schmilzt die Titanprobe (z. B.) bei Temperaturen von bis zu 3000 °C und misst den freigesetzten Wasserstoff und Stickstoff in ihrer elementaren Form sowie Sauerstoff als Kohlendioxid. Das Kohlendioxid entsteht durch die Reaktion des Sauerstoffs aus der Titanprobe mit dem Kohlenstoff eines Graphittiegels. Um eine zuverlässige Messung von O/N/H zu gewährleisten, werden der Probe Flussmittel wie Nickel oder Zinn hinzugefügt. Diese senken den Schmelzpunkt und gewährleisten eine vollständige Freisetzung der eingebetteten Gase sowie eine gute Wiederholbarkeit der O/N/H-Messungen. Das ELEMENTRAC ONH-p2 erfüllt alle internationalen Standards und ist für akademische und nicht-akademische Mitarbeiter gleichermaßen einfach zu bedienen. Das ELEMENTRAC ONH-p2 verarbeitet Proben in jeder festen Form wie Pulver, Granulat, Drähte oder kleine Platten. Typische Probengewichte liegen bei ca. 100 mg. Die Probenmenge kann für Stahl- und eisenbasierte Proben, für die keine Flussmittel erforderlich sind, auf bis zu 1000 mg erhöht werden.

Weitere Informationen

Sauerstoff / Stickstoff / Wasserstoff Analysator ELEMENTRAC ONH-p 2

Typische Messergebnisse des ONH-p2

O/N/H-Konzentrationen in Titanproben

Weight (mg)	Hydrogen (ppm)	Weight (mg)	Oxygen (ppm)	Nitrogen (ppm)
101.6	10.2	119.4	1150.6	95.8
101	11.1	115.7	1114.3	86.5
100.8	10.1	117.8	1159.5	104.7
101.8	9.9	123.1	1149.7	98.9
102	9.3	116.4	1205.1	97.7
100.5	12	116.4	1206.7	105.1
102.1	11.3	112.4	1183.0	101.5
104.7	9.5	118.5	1180.6	106.0
103.7	10.9	116.3	1120.3	93.8
103.9	10.5	118.0	1171.1	107.4
Average Value	10.480	-	1171,1	100.4
Deviation / Relative Deviation (%)	0.847 / 8.08%	-	37.9/3.2%	6.6/6.6%

Aufgrund des großen Einflusses, den der Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt eines Rohmaterials auf sicherheitsrelevante Teile in einem Flugzeug hat, ist eine zuverlässige Messung der Elementkonzentrationen unerlässlich. Der Verbrennungsanalysator ELEMENTRAC ONH-p2 von ELTRA mit seinem leistungsstarken Elektrodenofen und den Breitbanddetektoren eignet sich perfekt für die Messung dieser Gase in niedrigen, mittleren und hohen Konzentrationen in Stahl-, Aluminium- und Titanproben.

Kohlenstoff / Schwefel Analysator CS-i

Da die Elemente Kohlenstoff und Schwefel wesentlich die Härte und Verarbeitbarkeit von Werkstoffen wie Stahl und Titan beeinflussen ist die präzise Bestimmung der Elementkonzentration im Flugzeugbau essentiell.

Der leistungsfähige Induktionsofen des Kohlenstoff / Schwefel Analysators CS-i verbrennt eine anorganische Probe bei mehr als 2000 °C im Sauerstoffstrom während präzise Infrarotmesszellen die sichere Bestimmung von Kohlenstoff und Schwefel gewährleisten.

Weitere Informationen

Kohlenstoff / Schwefel Analysator ELEMENTRAC CS‑i

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_{[1] Denis Bergoint in lightweightdesign 06/2013: (Produktions- und Fertigungstechnik)}
_{[2] Ikuhiro Inagaki, Nippon steel & Sumitomo metal technical report No 106; July 2014}
_{[3] https://news.berkeley.edu/2015/02/05/oxygen-titanium/}
_{[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_embrittlement}