UÇAK KONSTRÜKSİYON MALZEMELERİ

Yapısal malzeme seçim faktörleri:
- Mukavemet
- Hafiflik
- Katılık
- Tokluk
- Korozyon direnci
- Yorulma
- Isıl özellikler
- Imalat özellikler
- Elde edilebilirlik
- Maliyet

Uçak Konstrüksiyon Malzeme Grupları

- Ahşap
- Çelik
- Alüminyum alaşımları
- Titanyum alaşımları
- Elyaf takviyeli kompozitler
Mesela uçak motor kompresörlerinin ilk kademelerinde titanyum alaşımları kullanılır. Daha
sıcak kademelerde nikel esaslı alaşımlar veya çelikler kullanılır.

6.1 Uçak Malzemelerinin Tarihçesi

İlk nesil uçakları ahşap ve yelken bezinden (canvas) imal edilmişlerdi.
Ladin ve huş ağacı en çok kullanılan kerestelerdi:
Çekme Mukavemeti
(MPa)
Özgül Ağırlık
kg/cm2
Young Modülü (MPa)
Ladin 70 0,4 9000
Huş ağacı 100 0,63 14250
Bunların mukavemet/ağırlık oranları modern ısıl işlemli alüminyum alaşımları ile rekabet etse
de doğal ahşabın bir takım dezavantajları vardır:
- Nem absorbsiyonu nedeniyle biçim ve boyutları değişir.
- İleri derecede anizotropi: Elyaf yönündeki Young modülünün elyafa dik yöndekine
oranı 150:1. Kayma modülü ve Poisson oranı için bu oranlar, sırasıyla, 20:1 ve 40:1
mertebesindedir.
Kontraplakın ve sentetik reçine yapıştırıcıların geliştirilmesi ana kirişlerin (spar) ve kabukların
mukavemetçe iyileştirilmelerini sağlamıştır. Anizotropi elimine edilmiş veya en azından
kontrol edilmiştir. Ancak 1. Dünya savaşı sırasında askeri uçak inşaası için çok sayıda ağaca
ihtiyaç duyulduğundan ahşapın en ciddi sınırlandırılması ortaya çıkmıştır. En uygun çeşitler
deniz aşırı ülkelerden ithal edilmekteydi. Bunlar büyük hacimlerde nakliye gerektirmekdeydi.
Halbulki yiyecek ve asker nakli asıl gereksinim duyulan şeydi. Gelecekte ortaya çıkacak
benzer kritik durumlardan kaçınmak için Havacılık Bakanlığı 1924’de yapının ana taşıyıcı
parçalarında ağaç kullanımını yasakladı. Ahşap uzun yıllar önemli bir uçak yapı malzemesi
olmaya devam ettiği halde bu karar açıkcası uçak inşaatında alternatif metalik malzemelerin
kullanımını hızlandırdı. Gerçekte, 1939‐45 savaşı esnasında özellikle başarılı yüksek
performanslı bir uçak de Havilland Mosquito, tamamıyla ahşaptan inşa edildi.
Uçak inşaatında ahşap devri sona erdi. Artırılmış kanat yükleri ve günümüz türbojet uçakların
kompleks yapısal formları ahşabın uygulanamayacağı yüksek gerilme yığılmalarına sebep
olur. Ahşabın anizotropisi tasarımcılar için zor problemler ortaya çıkarmakta, ayrıca ahşap
uçak, metal uçaktan daha tamir‐bakım gerektirmekteydi.
Daha önce belirtildiği gibi nemin biçim ve boyutlarda ciddi etkilere sebep olması nedeniyle
özellikle tropikal şartlarda kullanımı uygun değildi. Karıncaların saldırısı da ayrı bir problemdi.
İlk tümüyle metal uçak 1915’te Almanya’da Junkers tarafından inşa edildi. Kullanılan metaller
demir ve çelikti. Çeliğin avantajı yüksek elastik modülü, yüksek çekme mukavemetiydi. Ancak
özgül ağırlığı çok yüksekti. Alüminyumunkinin üç katı, ahşabınkinin on katı kadardır.
Tasarımcılar 1930’larda çeliği en ince formlarında kullanmaya zorlandılar. İnce plağın
burkulmaya karşı stabilitesini sağlamak için sparlar için.
karmaşık kesit şekilleri oluşturuldu. Malzeme için genel ölçüler 33‐16 SWG idi. (yaklaşık 0,25
mm ‐ 1,63 mm)
DTD 137 Spesifikasyonu %0,5 karbon % 1,5 Manganezli çelik.
DTD 54 A nikel krom çeliği
DTD 46A %12 krom çeliği
1909’da Alfred Wilm Almanya’da %3,5 bakır, % 0,5 Magnezyum, silikon ve demir ihtiva eden
bir alüminyum alaşımını tevafuken keşfetti. Bu gayri ihtiyarı kirlilikler 480o C civarındaki su
vermezden sonra malzemeyi kendiliğinden sertleştirmiştir. Bu malzemenin patent hakları
Durener Metall Werke tarafından alınmış ve alaşım Duralumin ismi altında pazarlanmıştır.
Alaşımın çekme mukavemeti uzaması en az % 15’tir.
İlk defa 1917’de Junkers tarafından ana yapısal malzeme olarak kullanılan duralimunun
geliştirilmesine ilaveten üç temel neden alüminyum alaşımlarının çeliklerle yer
değiştirmesine katkıda bulunmuştur. Bunlar ısıl işlem prosesinin daha iyi anlaşılması, bir çok
kesitlerde ekstrüsyonların kullanılması ve korozyona daha büyük direnç sağlayan saf
alüminyum kaplamaların kullanılması. 1938’e kadar üç alüminyum alaşımı grubu uçak inşaatı
sahasında baskın olmuş ve gerçekte, bunlar önemlerini günümüze kadar korumuştur. Gruplar
ısıl işlem altında güçlendirme için kendi kapasitelerine sahip olarak onların kimyasal
kompozisyonlarıyla ayrılırlar.
1‐ DURALUMİN: % 4 bakır, %0,5 Magnezyum, %0,5 Manganez, ‘0,3 Silikon, %0,2 demir
ve kalanı alüminyum.
2‐ “Y” alloy; %1‐2 nikel ilavesi, daha yüksek magnezyum ve bakır, silikon ve demirin
miktarlarında mümkün varyasyonlar.
Üç grup yapısal malzemeden, yani ahşap, çelik ve alüminyum alaşımından, yalnız ahşap
yapısal olmayan bölümler, döşemeler ve mefruşatlar için tabaka haricinde artık önemli
değildir. Çoğu modern uçak, mesela concorde hala 20. yüzyılın ilk kısmında geliştirilen yüksek
mukavemetli alüminyum alaşımlarının modifiye edilmiş formlarından imal edilmiştir. Çelikler
yüksek mukavemet, yüksek katılık ve aşınma direnci gerektiren yerlerde kullanılmaktadır.
Diğer malzemeler, titanyum ve 1950’lerde ilk defa kullanılan elyaf takviyeli kompozitler, hava
–uzay yapılarının konstrüksiyonunda giderek genişleyen kullanım alanları bulunmaktadır.
Bütün bunların detayı ve diğer bazı ilave malzemeler şimdi ayrıntılarıyla incelenmektedir.

6.1.1 Alüminyum Alaşımları

Hava‐Uzay Yapılarının konstrüksiyonunda kullanılan üç alüminyum grubu:
(i) Nikelsiz durulaminler
(ii) Y alaşımlarının türevleri
(iii) Alüminyum‐çinko‐magnezyum grubu her bir gruptan alaşımlar uçak çerçeve
yapısı, kaplaması ve diğer gerilmeli elemanlarda yaygın olarak kullanılır.
Alaşımın seçimide etkin olan faktörler:
- Mukavemet
- Sükeklilik
- İmalat kolaylığı (mesela ektrüzyon ve dövmede)
- Korozyon direnci
- Koruyucu işleme elverişlilik
- Yorulma mukavemeti
- İç gerilmeler nedeniyle ani kırılma özelliği göstermemesi
- Yük altında hızlı çatlak yayılmasına direnç göstermesi
Açıkcası, farklı tip uçaklar farklı gereksinimlere sahiptir. Mesala bir askeri uçaklar yüz
saatlerle ölçülen nisbeten kısa bir ömre sahiptirler. Sivil uçaklar ise 30000 saat veya daha
fazla gerekli ömre sahiptir. Dolayısıyla askeri uçaklar sivil uçaklarla aynı derecede yorulma ve
korozyon direnci gerektirmez.
Ne yazık ki, bir alüminyum alaşımının bir özelliği iyileştirilirken, diğer bazı istenen özellikleri
feda edilmek zorunda kalınmaktadır. Mesela, alüminyum‐çinko‐magnezyum alaşımının
oldukça yüksek olan statik mukavemeti, çubuklarda, dövülmüş malzemelerde ve saçlarda ısıl
işlemden sonra iç gerilme kalıntıları nedeniyle yüksüz halde ani çatlak oluşumu özelliği
yıllarca eşlik etmiştir. Kompozisyondaki varyasyonlarla bu problem büyük ölçüde elimine
edilmiş fakat, bunun yanında diğer mahzurlar kendini göstermiştir. İlk Viscount servisi dövme
ve çekmelerde çok sayıda gerilme‐korozyonuyla karşı karşıya kalmıştır. 1953’de problem o
kadar ciddi boyutlara ulaşmıştır ki, birçok alüminyum‐çinko‐manganezden yapılmış parça
alüminyum‐bakır (Alloy L65) alaşımıyla değiştirilmiş ve gelecek tasarımlarda kullanımı
yasaklanmıştır. Ancak, alüminyum‐çinko‐magnezyum alaşımlarının gerilme korozyonu
direncinde ilerlemeler yakın tarihlerde İngiliz, Amerikan ve Alman araştırmacılar tarafından
gerçekleştirilmiştir. İngiliz ve Amerikanlar krom ve manganez katılmasına karşı çıkmışlar ve %
1 bakır katmanın faydalı olduğu kanaatine varmışlardır. Almanya’da gümüş ilavesinin çok
faydalı olduğu bulunmuştur. Döküm tekniklerinde geliştirilmiş kontrol gerilme korozyonu
direncine daha fazla ilerlemeler getirmiştir. Alüminyum‐çinko‐magnezyum‐bakır
alaşımlarındaki gelişimi, ki bunlar 7000 serisi diye adlandırılır. Alüminyum alaşımları için
beklenen yüksek mukavemet, iyi yorulma çatlak büyümesi direnci ve tatminkar tokluk
gereklerini karşılamaktadır.
Duralimun alaşımları çinko içeren alaşımlara nazaran daha düşük statik mukavemete sahiptir.
Fakat yorulma mülahazalarının özel öneminin bulunduğu yapısal basımlarda tercih edilirler.
Mesela çekme yorulma yüklerinin baskın olduğu kanatların alt yüzeyleri Duralimunun doğal
olarak yaşlandırılmış versiyonunun, tamamen ışıl işlemli formlarına göre yorulma ömrü ve
çatlak yayılma dirençleri bakımından önemli avantajları olduğunu tecrübeler göstermektedir.
Ayrıca daha yüksek yüzdeli magnezyum ilavesi ile 2024 serisi elde edilmiştir. (Alüminyumbakır
alaşımları 2000 serisini oluşturur. Bu alaşım çeşitli önemli, fakat birbirleriyle bazen
çatışan, mekanik özelliklere sahiptir.
Alüminyum‐magnezyum‐silikon alaşımları ucuzluğu nedeniyle son yıllarda ilgi odağı
olmuştur. Kaynak edilebilirlik özelliği vardır. İmalat maliyetini azaltma yeteneği varır. ISO
6013 alaşımı gibi çeşitleri 2000 serisi alaşımlar gibi yüksek kırılma tokluğu ve çatlak yayılma
direncine sahiptir.

Özel Formlar

Hiduminium RRS8: Concorde için ana yapısal malzeme (CM001) 1939‐45 savaşında gaz
türbini motorlarının dövme parçalarının imalinde kullanılan malzemenin concorde
uçaklarının yüksek sıcaklık, sürünme, yorulma ve çekme test programlarında kullanıldı.
CM001 bir bütün olarak mukavemet/yorulma kurakteristiklerinin geniş bir sıcaklık aralığında
diğer alüminyum alaşımlarından daha iyi olduğu bulundu.
Alüminyum‐Lityum alaşımları: En iyi alaşımlardır.
AL 8090 (U). GKN Westland Helikopterlerinin en yeni dizaynı EH101’in ona gövde yapısında
kullanıldı. Ayrıca Euro fighter 2000 (Typhoon) de kullanılacak.
AL 2095 F16’ların gövde çerçevelerinde kullanıldı. (2124’ün yerine geçti.) Yorulma ömrü
artırıldı ve ağırlık azaltıldı.
Alüminyüm‐Lithyum alaşımları başarıyla kaynaklanabilmekte, yüksek kırılma tokluğuna
sahiptirler ve çatlak yayılma dirençleri yüksektir.

6.1.2 Çelik

1930’larda ince cidarlı kutu kesit sporlar çelikten yapıldı. Yüksek özgül ağırlık en büyük
dezavantaj yüksek çekme mukavemeti, yüksek katılık ve yüksek aşınma direnci işlenen
parçalarda hala tercih ediliyor. Bunlar arasında iniş takımı menteşe destekleri, kanat‐kök
bağlantıları, bağlama elemanları ve raylar çelikle çok yüksek çekme mukavemetlerine
ulaşmak hiç de zor değildir, ancak diğer özellikler feda edilmiş olur. Örneğin imalat zorluğu
vardır. Bu tür zorlukları yenmek için 1961’de maryaşlama (maryaşlandırma) çelikleri
geliştirildi. Karbon ya tamamen elimine edildi veya çok cüzi hale getirildi. Karbon gevrekliğe
ve çapılmaya yol açmaktadır. Talaşlı imalatı zordur ve soğuk biçim verme pratik değildir.
Kaynaklı imalat da ya imkansızdır ya da çok pahalıdır. Maryaşlama çeliklerin sertleştirilmesi
nikel, kobalt ve molibdenyum gibi elementlerin ilavesiyle sağlanır. Bu tip çeliğin % 0,2 ikaz
gerilmesi nominal olarak 1400 N/mm2’ dir.
Maraging çeliklerin konvansiyonel düşük alaşımlı çeliklere göre üstünlükleri:
- Yüksek kırılma tokluğu ve çentik mukavemeti
- Daha basit ısıl işlem
- Sertleşme sırasında çok daha düşük hacim değişimi ve çarpılma
- Kaynak yapmak çok daha basit
- Talaşlı imalatı daha kolay
- Gerilme korozyonuna/hidrojen gerçekleşmesine daha iyi direnç
Diğer taraftan, fiyatı da konvansiyonel çeliklerin üç katı veya daha fazladır. Bu konvansiyonel
çelikten komplek bir parçanın imalatıyla gelen maliyet artışından çok daha fazladır.
KULLANIMI: Uçak tutma kancaları, Roket motor muhafazası, helikopter iniş takımları, dişliler,
fırlatma koltukları ve çeşitli yapısal dövmeler yukarıdakine ilaveten paslanmaz çelik yüksek
sıcaklık etkilerin maruz kalan süper ve hipersonik deneysel ve araştırma uçaklarının
konstrüksiyonunda uygulama alanı bulmuştur.
Bristal 188 birincil yapısal malzeme (Bu uçak kinetik ısınma etkilerinin araştırması için
geliştirilmiştir.)
X‐15 Amerikan roket uçak’ta kullanılmıştır.5‐6 Mach mertebesinde hızlara sahiptir.

6.1.3 Titanyum

1980’lerde titanyum kullanımı önemli ölçüde artmıştır. Özellikle savaş uçaklarının inşasında.
Bu artış 1990’larda devam etmiştir. Savaş uçaklarında titanyum alaşımının oranı alüminyum
alaşımınınki ile aynı mertebelere gelmiştir. Titanyum alaşımları yüksek spesifik özelliklere
sahiptir. İyi bir yorulma mukavemeti/çekem mukavemeti oranı (sınırlı bir yorulma limiti için)
mevcuttur. 400o‐500o C’lerde bile önemli ölçüde mukavemeti vardır. Korozyon direnci iyidir.
Ancak özellikleri tuzlu ortamda sıcaklık ve gerilmeden olumsuz etkilenir. Diğer dezavantajları
nisbeten yüksek yoğunluğudur. Bundan dolayı alaşımın yaygın kullanılması ağırlık artışına yol
açar. Ayrıca yüksek ana ve yüksek fabrikasyon maliyetleri alüminyum ve çeliğinin yaklaşık
yedi katıdır.
Bunlara rağmen;
- Corcorde çerçeve yapısında ve motorlarında
- Tornado kanatının taşıyıcı kutu kirişinde kaynaklanabilir orta mukavemette titanyum
alaşımı
- F15 ve F22 Amerikan savaş uçaklarında yaygın şekilde
- Boeing 777 yolcu uçağının kuyruk asemblesinde
Diğer kullanım alanları flap ve slat rayları ve iniş takımı parçaları gibi dövülerek imal edilmiş
parçalardır.

6.1.4 Plastikler

Sade plastik malzemelerin özgül ağırlıkları 1 civarındadır. Ahşaptan bir hayli ağırdırlar.
Mukavemetleri alaşımınki ile yakındır. Diğer taraftan özgül ağırlıkları alüminyum alaşımlarının
yarısından azdır. Bu malzemeler düşük gerilmeli parçalarda veya pencere olarak kullanılır.
Boyutları mukavemetten ziyade kulanım gereklerince belirlenir. Bunlar ayrıca elektrik
yalıtımında kullanılır.

6.1.5 Cam

Uçak kabinleri yüksek irtifada basınçlandırılır. Pencere camları orta yüzeylerine dik
yüklenirler. Sade ve tabakaları plak veya ısıl‐makavemetli plaklar halinde kullanılır. Uçaklarda
kullanılan plak camların elastisite modülü 70 000 ‐ 75 000 N/mm2 arasındadır. Bunların
eğilmedeki kırılma modülü 45 N/mm2’dir. Isıl mukavemetli plağın kırılma modülü bunun 4,5
katı civarındadır.

6.1.6 Kompozit Malzemeler

Cam veya karbon elyaflar: Yüksek mukavemetli
Plastik veya epolesi reçine: Mekanik ve kimyasal olarak koruyucu Fiberler sürekli veya
süreksiz olabilir. Ana malzemelerinden çok daha yüksek mukavemetlidirler.
Karbon fiber 2400 N/mm2 çekme mukavemeti
400.000 N/mm2 elastisite modüler
- Kompozit tabakanın özellikleri yöne bağlı (anizotrop)
- Katmanlamayla ana yük yönlerinde fiber yönleri denk getirilir.
Kompozit malzemelerin gelişiminin ilk sathalarında cam ely aflur epolesi reçine içinde
kullanıldılar. Bu cam takviyeli plastik (GRP) rodamlarda ve helikopter palalarında kullanıldı.
Sabit kanatlı uçakların parçalarında kullanımı düşük katıldığı nedeniyle sınırlı olmuştur.
1960’larda kevlar bir aramid malzeme olarak geliştirildi. Camla aynı mukavemetteydi ancak
daha katıydı. Kevlar kompozitler toktur fakat basmaya karşı zayıftırlar ve işlenmeleri zordur.
Dolaysıyla ikincil yapılarda kullanılmışlardır. Boron elyaf kompozitler USA’da geliştirildi ve
bunlar birincil yapılar için yeterli mukavemet ve katılığa sahip ilk kompozitlerdir.
Bu kompozitler şimdi yerini karbon elyaf takviyeli kompozitlere (CFRP) bırakmıştır. Bunların
özellikleri baron kompozitlere yakındır. Fakat çok daha ucuzdur.
GFRP’nın modülü GRP’ninkinin üç katı Kevlar kompozitin yazısı, Alüminyum alaşımının iki
katıdır. Mukavemeti Alüminyum alaşımınınkinin 3 katı, GRP’nin kiyle yaklaşık aynı, Kevlar
kompozitlerden biraz azdır. Ancak GFRP’ler kırılgan bir malzemedir ve dolayısıyla yüksek
gerilme konsantrasyonlu bölgelerde plastik akma oluşturmaz.