ELTRA Analizzatori elementari per il settore aerospaziale

L'industria aerospaziale è un settore cruciale che si concentra sulla progettazione, la produzione e la gestione di aerei e veicoli spaziali. Svolge un ruolo fondamentale nel trasporto globale, consentendo spostamenti e scambi commerciali rapidi in tutto il mondo. Nel settore della difesa, fornisce strumenti essenziali come aerei e missili avanzati per uso militare. L'industria aerospaziale guida anche gli sforzi di esplorazione dello spazio, contribuendo alle comunicazioni satellitari e alle scoperte scientifiche.

Per soddisfare gli elevati standard di prestazioni, sicurezza e affidabilità, l'industria aerospaziale si affida alla tecnologia più avanzata e all'innovazione costante. I materiali utilizzati devono essere poco usuranti e resistenti alle diverse condizioni climatiche. Inoltre, la capacità di carico meccanico dell'intero aeroplano deve essere sufficientemente elevata per un gran numero di procedure di partenza e di atterraggio. Oltre agli aspetti di sicurezza, entrano in gioco anche i fattori economici. Il consumo di carburante, ad esempio, deve essere il più basso possibile e, in generale, i costi di acquisto devono essere accessibili.

Materiali rilevanti per le applicazioni aerospaziali

L'industria aerospaziale utilizza una varietà di materiali avanzati. Ognuno di essi viene selezionato in base alla sua capacità di soddisfare specifici criteri di prestazione, tra cui la forza, il peso, la resistenza alle temperature e la durata:

Leghe di titanio:

Conosciuto per l'elevata forza, il peso ridotto e la resistenza alla corrosione e alle alte temperature. Il titanio è comunemente utilizzato nei motori a reazione, nei carrelli di atterraggio e nei componenti strutturali critici in cui sono richieste prestazioni elevate.

Leghe di alluminio:

Ampiamente utilizzate per il loro eccellente rapporto forza-peso, la resistenza alla corrosione e l'economicità. Le leghe di alluminio sono utilizzate principalmente nelle strutture della cellula degli aerei, compresi i componenti della fusoliera e delle ali.

Leghe di acciaio:

L'acciaio ad alta resistenza è utilizzato nei componenti che richiedono durata e resistenza, come i carrelli di atterraggio, gli elementi di fissaggio e alcune parti strutturali. L'acciaio inossidabile è utilizzato anche per la sua resistenza alla corrosione.

Leghe di magnesio:

Utilizzato in applicazioni in cui il risparmio di peso è fondamentale, anche se meno comune a causa dei problemi di corrosione e infiammabilità.

Superleghe:

Tipicamente a base di nichel o cobalto, questi materiali sono utilizzati nei componenti dei motori che devono resistere a temperature e sollecitazioni estreme.

Compositi:

I polimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) sono sempre più utilizzati per le loro proprietà di leggerezza e alta resistenza. Questi compositi sono utilizzati in varie parti degli aerei, come ali, fusoliere e componenti interni, per migliorare l'efficienza del carburante e ridurre il peso.

Ceramica e vetro:

Utilizzato nei sistemi di protezione termica, come quelli presenti sulle navicelle spaziali, nonché nelle finestre e in altri componenti che richiedono trasparenza e resistenza agli shock termici.

Polimeri e materie plastiche:

Impiegati nei componenti interni, nell'isolamento e nel cablaggio, grazie alle loro proprietà di leggerezza e versatilità.

Per fare un esempio, per costruire un aereo Boeing 787 si utilizzano i seguenti materiali:

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

Il titanio e le sue leghe nell'industria aerospaziale

Il titanio è il decimo elemento più frequente sulla terra. Grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche, il titanio e le sue leghe sono particolarmente adatti alle applicazioni aerospaziali. Innanzitutto, la densità è inferiore del 60% rispetto all'acciaio, il che rende il titanio un materiale leggero. Il peso ridotto consente di ridurre il consumo di carburante. In secondo luogo, la buona resistenza al calore e alla corrosione garantisce una lunga durata e la sicurezza del motore. In terzo luogo, il basso infragilimento e la bassa espansione termica consentono di combinare il titanio e le sue leghe con il CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastics). Il titanio e le leghe di titanio sono utilizzati principalmente nelle parti tecnicamente critiche di un aeroplano, come le cellule o i motori.[1],[2]

Nonostante tutti questi vantaggi, occorre considerare che i gas ossigeno, azoto e idrogeno possono influire negativamente sulle proprietà meccaniche del titanio. Un ulteriore rischio è rappresentato dall'elevata affinità del titanio liquido con questi gas durante il processo di preparazione. Con l'aumento della concentrazione di ossigeno, il materiale diventa più duro e più suscettibile alle cricche [3]. Un'ulteriore concentrazione di idrogeno può avere un ulteriore impatto sulla qualità del prodotto a causa dell'infragilimento da idrogeno [4]. Con l'aumento del contenuto di idrogeno, il titanio perde dapprima la sua duttilità, che può essere seguita da scagliatura della superficie del titanio.

Data l'influenza significativa delle concentrazioni di ossigeno, azoto e idrogeno sulle proprietà dei materiali del titanio e delle sue leghe, la misurazione precisa di questi elementi è fondamentale per il controllo di qualità dei prodotti a base di titanio.

ELTRA si colloca tra i primi produttori mondiali di analizzatori elementari

A causa delle sfide che l'industria aerospaziale deve affrontare per operare in ambienti estremi, ad alta quota o nel vuoto dello spazio, sono necessarie rigorose procedure di collaudo e certificazione per garantire che tutti i componenti e i sistemi funzionino in modo impeccabile. L'analisi elementare è fondamentale per verificare che i materiali utilizzati nella costruzione possiedano le proprietà richieste.

ELTRA GmbH è un produttore leader con oltre 40 anni di esperienza nella produzione di analizzatori elementari di alta precisione. La gamma di prodotti comprende strumenti per la misurazione del contenuto di carbonio, zolfo, azoto, ossigeno e idrogeno in vari tipi di materiali. Inoltre, ELTRA è nota per i suoi analizzatori termogravimetrici, utilizzati per valutare la perdita di peso durante specifici processi di temperatura o riscaldamento. Questi analizzatori sono strumenti essenziali nei settori che richiedono un'analisi accurata della composizione dei materiali, come l'aerospace, la metallurgia, l'industria cementiera, l'industria mineraria, la produzione di batterie e molti altri.

Analisi O/N/H nelle materie prime per componenti aeronautici

Una parte importante dell'analisi chimica dei materiali utilizzati nell'industria aerospaziale è sempre la misurazione dei gas ossigeno (O), azoto (N) e idrogeno (H), che hanno un'influenza significativa sulle proprietà del materiale.

L'analizzatore O/N/H ELEMENTRAC ONH-p2 di ELTRA utilizza la fusione di gas inerti per misurare i gas richiesti in un ampio intervallo di concentrazione, dal basso livello di ppm fino al 2%. Il forno a elettrodi, chiamato anche forno a impulsi, dell'ONH-p2 fonde il campione, ad esempio il titanio, a temperature fino a 3000 °C e misura l'idrogeno e l'azoto rilasciati nella loro forma elementare e l'ossigeno come anidride carbonica. L'anidride carbonica si forma per reazione dell'ossigeno del campione di titanio con il carbonio di un crogiolo di grafite. Per garantire una misura affidabile di O/N/H, al campione vengono aggiunti flussi come il nichel o lo stagno. Questi riducono il punto di fusione e assicurano un rilascio completo dei gas incorporati e una buona ripetibilità delle misurazioni di O/N/H. L'ELEMENTRAC ONH-p2 è conforme a tutti gli standard internazionali ed è facile da usare per il personale accademico e non. L'ELEMENTRAC ONH-p2 elabora campioni di qualsiasi forma solida come polvere, granulato, fili o piccole piastre. Il peso tipico dei campioni è di circa 100 mg. La quantità di campione può essere aumentata fino a 1000 mg per i campioni a base di acciaio e ferro, per i quali non sono necessari flussi.

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Analizzatore Ossigeno / Azoto / Idrogeno ELEMENTRAC ONH-p 2

Risultati di misura tipici dell'ONH-p2

Concentrazioni di O / N / H nei campioni di titanio

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%

A causa del grande impatto che il contenuto di ossigeno, azoto e idrogeno di una materia prima ha sulle parti rilevanti per la sicurezza di un aereo, è indispensabile una misurazione affidabile delle concentrazioni degli elementi. L'analizzatore elementare ELEMENTRAC ONH-p2 di ELTRA, con il suo potente forno a elettrodi e i suoi rilevatori ad ampio spettro, è perfettamente adatto a misurare questi gas in concentrazioni basse, medie e alte in campioni di acciaio, alluminio e titanio.

Analizzatore Carbonio / Zolfo CS-i

Dato che il contenuto di carbonio e zolfo influenza la durezza e la lavorabilità di materiali come l'acciaio ed il titanio, la maggior parte delle applicazioni nel settore aerospaziale richiede un'analisi elementare precisa di tali elementi.

Mentre il potente forno ad induzione dell'analizzatore elementare CS-i fonde campioni inorganici in atmosfera d'ossigeno a temperature superiori a 2200°C, quattro celle ad infrarossi indipendenti con range di misura flessibile determinano con precisione il contenuto di carbonio e zolfo.

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Analizzatore Carbonio / Zolfo 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}

Trattamenti termici

HTF 1800°HB 1800°

GPC 1300°

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