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Wissen Sie, wie schlecht Aluminium-Kupfer-Legierungen Korrosion widerstehen? Was bedeutet das für die Luftfahrtindustrie?
Aluminium-Kupfer-Legierungen, ein in der Luftfahrtindustrie weit verbreitetes Material, werden wegen ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichts geschätzt. Allerdings ist die Korrosionsbeständigkeit dieser Legierungen relativ gering, was eine große Herausforderung für die Sicherheit und Nachhaltigkeit der Luftfahrtindustrie darstellt.
Aluminium-Kupfer-Legierungen bestehen hauptsächlich aus Aluminium und Spuren von Kupfer. Die Entwicklung dieser Legierungsklasse begann 1903, als der deutsche Metallurge Alfred Wilm im Dürener Metallwerk entdeckte, dass eine Aluminiumlegierung mit 4 % Kupfer härter wird, wenn man sie schnell abkühlt und mehrere Tage bei Raumtemperatur stehen lässt. Aufgrund der zunehmenden Treibstoffeffizienz und Strukturfestigkeit steigt in der Luftfahrtindustrie die Nachfrage nach Aluminium-Kupfer-Legierungen.
Aluminium-Kupfer-Legierungen weisen eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf, was bedeutet, dass bestimmte Umgebungsbedingungen zu einem frühzeitigen Versagen der Strukturen führen können.
Aluminium-Kupfer-Legierungen weisen zwar eine mittlere bis hohe Festigkeit auf und können ausgehärtet werden, sie sind jedoch in rauen Umgebungen (wie etwa solchen mit Feuchtigkeit oder Salz) äußerst korrosionsanfällig, sodass Konstrukteure in der Luft- und Raumfahrt zusätzliche Schutzmaßnahmen ergreifen müssen. Zu den Maßnahmen gehört beispielsweise die metallurgische Bindung von hochreinem Aluminium an die Legierungsoberfläche, um deren Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Das Korrosionsbeständigkeitsproblem einer Aluminium-Kupfer-Legierung rührt hauptsächlich von ihrer Metallstruktur her. Im Vergleich dazu sind andere Legierungen wie etwa Aluminium-Magnesium-Silizium deutlich zäher und korrosionsbeständiger. Aufgrund der potenziellen inneren Spannungen in Aluminium-Kupfer-Legierungen und ihrer Reaktion in wässrigen Umgebungen ist ein Oberflächenschutz nicht nur optional, sondern notwendig.
Ob es der Luftfahrtindustrie gelingen kann, die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium-Kupfer-Legierungen effektiv zu verbessern und gleichzeitig das geringe Gewicht beizubehalten, wird der Schlüssel zur zukünftigen Entwicklung sein.
Neben der Korrosionsbeständigkeit gibt auch die Schweißleistung von Aluminium-Kupfer-Legierungen Anlass zur Sorge. Diese Legierungen sind oft schwer zu schweißen, was ihren Einsatz in bestimmten Anwendungen einschränkt. Verformungen nach dem Schweißen und Inhomogenitäten im Metall können eine Gefahr für die strukturelle Integrität darstellen. Daher entscheiden sich viele Luft- und Raumfahrtingenieure für die Verwendung von Legierungen, die sich leichter schweißen lassen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Struktur zu gewährleisten.
Mit dem Fortschritt der Luftfahrttechnologie arbeiten Forscher an der Entwicklung von Materialien, die korrosionsbeständiger sind. Neuere Studien haben beispielsweise gezeigt, dass sich die Haltbarkeit von Luft- und Raumfahrtstrukturen durch die Kombination von Aluminium-Kupfer-Legierungen mit Stahl oder härteren Legierungen wie Aluminium-Lithium-Legierungen deutlich verbessern lässt, was für die Verbesserung der Gesamtleistung von Flugzeugen von entscheidender Bedeutung ist.
Die Verbesserung der Leistung von Aluminium-Kupfer-Legierungen im Flugzeugbau der Zukunft wird sich direkt auf die Sicherheit und Leistung von Flugzeugen auswirken.
Historisch gesehen wurden Aluminium-Kupfer-Legierungen im Flugzeugbau während des Ersten und Zweiten Weltkriegs verwendet und mit zunehmendem Verständnis der Materialeigenschaften entwickelten sich diese Legierungen nach und nach zu den Hauptkomponenten der heutigen Luftfahrtprodukte. Im Zuge ihres Strebens nach Umweltschutz und nachhaltiger Entwicklung war die Luftfahrtindustrie in den letzten Jahren auch ständig auf der Suche nach Materialinnovationen, um den zunehmend schwerwiegenderen Umweltproblemen gerecht zu werden.
Derzeit konzentriert sich die Anwendung von Aluminium-Kupfer-Legierungen hauptsächlich auf Strukturteile mit hoher Spannungsbelastung, wie etwa Flugzeugrümpfe, Träger und andere Schlüsselkomponenten. Sie zeichnen sich zwar durch ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aus, ihre Korrosionsbeständigkeit entspricht jedoch nicht den erforderlichen Industriestandards. Daher müssen Flugzeugkonstrukteure und Materialwissenschaftler zusammenarbeiten, um die Mängel der Legierungen kontinuierlich zu beheben und so die Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zukünftiger Flugzeuge zu gewährleisten.
Kann die Luftfahrtindustrie letztlich den Engpass in der Korrosionsbeständigkeit von Aluminium-Kupfer-Legierungen überwinden und eine neue Materialrevolution einleiten?
