Havacılıkta En Yaygın Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri
- Furkan Sağlam
- 5 gün önce
- 6 dakikada okunur
Malzemeler üretimin olduğu her sektörde olduğu gibi havacılık sektöründe de önemli bir çalışma disiplinidir. Havacılıkta kullanılan malzemeler tasarım limitlerini ve üretim yöntemlerini belirlemede önemli bir alan olmuştur. Ayrıca hava aracı tipi, kullanım amacı, verimlilik, performans ve uçuş güvenliği gibi konuları doğrudan etkilediği için malzeme önemli bir araştırma konusudur.
Bir uçak yapısı veya motor bileşeni için en iyi malzemeyi seçmek, havacılık mühendisi için önemli bir görevdir. Herhangi bir yeni uçağın başarısı veya başarısızlığı kısmen en uygun malzemelerin kullanılmasına bağlıdır.
Özellikle uçak gövde yapılarında ve jet motoru bileşenlerinde kullanılan malzemeler, uçakların başarılı tasarımı, inşası, sertifikasyonu, işletimi ve bakımı için kritik öneme sahiptir. Malzemeler, uçağın ilk tasarım aşamasından uçağın üretimine ve sertifikasyonu, uçuş operasyonları ve bakımı ve son olarak kullanım ömrü sonunda bertarafına kadar uçağın tüm yaşam döngüsü boyunca etkilidir.
Malzemeler uçağın hemen hemen her yönünü etkiler, başlıca etkileri:
-uçağın satış fiyatı
-mevcut uçağın yapısal yükseltme maliyeti
-gövde, yapısal bileşenler ve motorlar için tasarım seçenekleri
-uçağın yakıt tüketimi (hafifletme)
-uçağın operasyonel performansı (hız, menzil ve faydalı yük)
-motorların gücü ve yakıt verimliliği
-gövde ve motorların hizmet içi bakımı (muayene ve onarım)
-gövde ve motorların emniyeti, güvenilirliği ve operasyonel ömrü
-uçağın kullanım ömrü sonunda bertarafı ve geri dönüşümüdür.
Gelişmiş malzemeler, uçakların yapısal verimliliğini ve jet motorlarının tahrik verimliliğini iyileştirmede önemli bir role sahiptir. Uçaklar için önemli olan malzeme özellikleri arasında yoğunluk gibi fiziksel özellikler, sertlik, mukavemet ve tokluk gibi mekanik özellikler, korozyon ve oksidasyon gibi kimyasal özellikler, ısı kapasitesi, termal iletkenlik gibi termal özellikler ve iletkenlik gibi elektriksel özellikler bulunur. Bu özellikleri ve neden önemli olduklarını anlamak, son yüzyılda uçak teknolojisinin ilerlemesi için önemli olmuştur.
Havacılıktaki kritik gereksinim yüksek mukavemet ve düşük ağırlığa sahip malzemeler geliştirmek ve böylece geliştirilen sistemin ağırlığını azaltmaktır. Ağırlığın azaltılmasıyla daha düşük yakıtlarla daha uzun mesafelere ulaşmak hedeflenmektedir.
Havacılıkta Kullanılan Malzemeler
Tek bir malzeme nadiren uçak yapısı ve motorunun ihtiyaç duyduğu tüm özellikleri sağlayabilir. Bunun yerine, maliyet, performans ve güvenlik arasında en iyi dengeyi elde etmek için malzeme kombinasyonları kullanılır. Malzemelerin performans özellikleri ve maliyeti arasında büyük farklar vardır.
Örneğin, alüminyum ve çelik en ucuz olanlardır; kompozitler en hafif olanlardır; çelikler en yüksek sertliğe ve mukavemete sahiptir; ve nikel alaşımları yüksek sıcaklıkta en iyi mekanik özelliklere sahiptir. Sonuç olarak, uçaklar belirli yapı veya motor bileşeni için en uygun olan çeşitli malzemeler kullanılarak inşa edilir.
İlerleyen başlıklarda havacılıkta en yaygın kullanılan 7 malzeme tipi incelenecektir. Malzemelerin genel özelliklerinden bahsedilecektir. Unutulmamalıdır ki bahsedilecek olan malzemeler üzerine gelecekte birçok alternatif malzeme geliştirilecektir. Havacılık malzemeleri günümüzde olduğu gibi gelecekte de geniş bir akademik çalışma alanı olacaktır.
1-Alüminyum
Alüminyum, çoğu uçak yapısı için tercih edilen malzemedir. Yüksek mukavemetli alüminyum alaşımı, özellikle 2000 yılından önce inşa edilenler olmak üzere birçok ticari yolcu uçağı ve askeri uçağın gövde, kanat ve destekleyici yapıları için en çok kullanılan malzemedir.
Alüminyum, çoğu yolcu uçağının yapısal ağırlığının %70-80'ini ve birçok askeri uçak ve helikopterin %50'sinden fazlasını oluşturur, ancak son yıllarda fiber-polimer kompozit malzemelerin artan kullanımı nedeniyle alüminyum kullanımı düşmüştür. Alüminyum ve kompozit kullanımı arasındaki rekabet yoğun olsa da alüminyum önemli bir havacılık yapısal malzemesi olmaya devam edecektir.
Alüminyum, orta derecede düşük maliyeti; karmaşık şekillere sahip yapısal bileşenlere şekillendirilmesine ve işlenmesine olanak tanıyan kolay imalatı; hafifliği; ve iyi sertliği, mukavemeti ve kırılma tokluğu gibi çeşitli nedenlerle yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer havacılık malzemelerinde olduğu gibi, alüminyum alaşımlarının kullanımında da birkaç sorun vardır ve bunlar arasında korozyon ve yorulma nedeniyle hasara karşı duyarlılık bulunur.
Uçaklarda kullanılan birçok alüminyum türü vardır ve bunların özellikleri alaşım bileşimleri ve ısıl işlemleriyle kontrol edilir. Alüminyumun özellikleri belirli yapısal uygulamalar için uyarlanmıştır; örneğin, uçuş sırasında yüksek eğilme yüklerini desteklemek için üst kanat kaplamalarında yüksek mukavemetli alüminyum alaşımları kullanılırken, alt kanat kaplamalarında yüksek yorulma direnci sağlamak için diğer alüminyum türleri kullanılır.
2-Titanyum
Titanyum alaşımları, orta ağırlıkları, yüksek yapısal özellikleri (örn. sertlik, güç, tokluk, yorulma), mükemmel korozyon direnci ve yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerini koruyabilme yetenekleri nedeniyle hem uçak gövde yapılarında hem de jet motoru bileşenlerinde kullanılır. Farklı bileşimlere sahip çeşitli tipte titanyum alaşımları kullanılır, ancak en yaygın olanı hem uçak yapılarında hem de motorlarda kullanılan Ti–6Al–4V'dir.
Titanyumun yapısal özellikleri alüminyumdan daha iyidir, ancak daha pahalı ve daha ağırdır. Titanyum genellikle iniş takımları ve kanat-gövde bağlantıları gibi minimum yer kaplaması gereken en ağır yüklü yapılarda kullanılır. Çoğu ticari yolcu uçağındaki titanyumun yapısal ağırlığı tipik olarak %10'un altındadır ve Boeing 787 ve Airbus A350 gibi modern uçaklarda biraz daha yüksek miktarlar kullanılır.
Titanyumun kullanımı, yolcu uçaklarına göre daha yüksek mukavemetli malzemelere ihtiyaç duymaları nedeniyle savaş uçaklarında daha fazladır. Örneğin, titanyum F-15 Eagle ve F-16 Fighting Falcon'un yapısal kütlesinin %25'ini ve F-35 Lightning II'nin yaklaşık %35'ini oluşturur. Titanyum alaşımları modern jet motorlarının ağırlığının %25-30'unu oluşturur ve 400-500 °C'ye kadar çalışması gereken bileşenlerde kullanılır. Titanyumdan yapılmış motor bileşenleri arasında fan kanatları, düşük basınçlı kompresör parçaları ve egzoz bölümündeki tapa ve nozul tertibatları bulunur.
3-Magnezyum
Magnezyum, en hafif metallerden biri olduğu için 1940’lar ve 1950’lerde uçak yapımında yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak günümüzde yerini daha çok alüminyum alaşımları ve kompozit malzemelere bırakmıştır. Modern uçak ve helikopterlerde magnezyumun yapısal kullanım oranı genellikle %2'nin altındadır. Bu düşüşün başlıca nedenleri arasında magnezyumun daha yüksek maliyetli olması, alüminyum alaşımlarına kıyasla daha düşük mukavemet ve sertliğe sahip olması ile korozyona karşı yüksek hassasiyeti yer almaktadır. Bu nedenle bakım ve onarım ihtiyacı artmaktadır. Günümüzde magnezyum alaşımları çoğunlukla gaz türbini içermeyen motor parçalarında kullanılmakta olup, uygulama alanları arasında pistonlu motorlara sahip uçakların dişli kutuları ve helikopterlerin ana transmisyon muhafazaları yer almaktadır.
4-Çelik
Birçok endüstride yaygın olarak kullanılan malzemelerden olan çelik havacılık sektöründe de kullanılmaktadır. Çelik, yapı mühendisliğinde yaygın kullanılmasına rağmen uçaklarda yapısal malzeme olarak sınırlı (%5–10'dan az) kullanılır. Uçaklarda kullanılan çelikler, yüksek mukavemet, yorulma direnci, kırılma tokluğu ve alüminyuma kıyasla üç kat daha yüksek elastikiyet modülü gibi üstün mekanik özelliklere sahiptir. Bu nedenle, çelik özellikle iniş takımları ve kanat kutusu gibi yüksek mukavemet ve dar alan gerektiren kritik parçalarda tercih edilir. Ancak yüksek yoğunluğu (alüminyumdan 3 kat, titanyumdan %50 daha fazla) ve bazı türlerinin korozyon ve kırılganlık eğilimi nedeniyle yapısal kullanım miktarı sınırlıdır.
5-Süper Alaşımlar
Süper alaşımlar, jet motorlarında kullanılan nikel, demir-nikel ve kobalt alaşımlarından oluşan bir gruptur. Bu metaller mükemmel ısıya dayanıklılık özelliklerine sahiptir ve diğer havacılık yapı malzemelerinden çok daha yüksek sıcaklıklarda sertliklerini, mukavemetlerini, tokluklarını ve boyut kararlılıklarını korurlar. Süper alaşımlar ayrıca jet motorlarında yüksek sıcaklıklarda kullanıldığında korozyona ve oksidasyona karşı iyi bir dirence sahiptir.
En önemli süper alaşım türü, yüksek konsantrasyonda krom, demir, titanyum, kobalt ve diğer alaşım elementlerini içeren nikel bazlı malzemedir. Nikel süper alaşımları, 800-1000 °C sıcaklıklarda uzun süre çalışabilir, bu da onları gaz türbini motorlarının en sıcak bölümleri için uygun hale getirir. Süper alaşımlar, yüksek basınçlı türbin kanatları, diskler, yanma odası, art yakıcılar ve itme ters çeviriciler gibi motor bileşenlerinde kullanılır.
6-Elyaf-Polimer Kompozitler
Kompozit malzemeler, genellikle epoksi gibi bir polimer matris içinde karbon liflerinden oluşan, yüksek dayanım, sertlik ve yorulma direncine sahip hafif yapısal malzemelerdir. Alüminyumla birlikte, özellikle karbon fiber kompozitler modern uçak ve helikopterlerin gövde yapımında en yaygın kullanılan malzemelerdendir. Bu kompozitler, alüminyum alaşımlarına göre hem daha hafif hem de daha güçlü olmalarına rağmen, maliyetleri yüksektir ve darbeye karşı hassas olabilirler.
Karbon fiber kompozitler; kanat, gövde, kuyruk ve kontrol yüzeyleri gibi temel uçak bileşenlerinde yaygın olarak kullanılır. Ayrıca jet motorlarının soğuk kısımlarında, özellikle giriş fan kanatlarında ağırlık tasarrufu sağlamak amacıyla da tercih edilir. Bunun yanında, cam elyaflı kompozitler radom ve kaporta gibi yarı yapısal parçalarda, aramid elyaflı kompozitler ise yüksek darbe dayanımı gerektiren yerlerde kullanılır. Aramid elyaflı kompozitler özellikle kuş çarpma riski olan kanat ön kısımlarında kullanılmaktadır.
7-Elyaf-Metal Laminatlar
Elyaf-metal laminatlar (FML), ince metal levhalar ile elyaf takviyeli polimer katmanlarının birleşiminden oluşan hafif ve dayanıklı yapısal malzemelerdir. Bu yapı, tek parça metale göre daha hafif, daha güçlü ve daha yüksek yorulma direncine sahiptir. Ayrıca kompozitlere kıyasla daha iyi darbe dayanımı ve hasar toleransı sunar. En bilinen FML türü, alüminyum ve fiberglas katmanlarının birleşimiyle oluşan GLARE®’dir. FML’ler genel olarak yaygın kullanılmasa da, Airbus A380’in gövdesinde ve C-17 GlobeMaster III’ün kargo kapılarında kullanılmaktadır.
Uçak endüstrisi, özellikle hasarla uçmaları gerektiği gerçeği olmak üzere, belirtilen birçok nedenden dolayı çok daha katı gereksinimlere sahiptir. Bu yüzden malzeme davranışları oldukça yüksek yatırımlar yapılan havacılığın dinamiklerini belirleyen bir konudur.
Referanslar
Zhang, X., Chen, Y., & Hu, J. (2018). Recent advances in the development of aerospace materials. Progress in Aerospace Sciences, 97, 22-34.
Hicks, J.P. (1989). Business Technology: New Materials altering the aircraft industry. New York Times, December 20, 1989.
Aşık Yılmaz, A. E., & Civalek, Ö. (2025). A Brief Introduction to the Properties of Aerospace Materials. International Journal of Engineering and Applied Sciences, 17(1), 44-60. https://doi.org/10.24107/ijeas.1640337
Comments