ELTRA 元素分析仪在航空工业行业的应用


航空航天工业是致力于飞行器与航天器设计、制造及运营的关键领域。该行业通过实现全球快速交通和贸易,在跨国运输体系中发挥着核心作用;在国防领域,为军队提供先进战机、导弹等关键装备;同时引领太空探索事业,推动卫星通信与科学发现的发展。 为满足性能、安全与可靠性的高标准要求,航空航天工业始终依托尖端技术与持续创新。所用材料必须具备低磨损特性,并能适应各种气候条件;整机机械载荷能力需确保可承受频繁起降作业。除安全性外,经济性同样至关重要:不仅要求燃油消耗尽可能降低,采购成本也需控制在合理范围内

航空航天领域应用材料

航空航天工业采用多种先进材料,每种材料均根据其满足特定性能指标的能力进行遴选,这些指标包括强度、重量、耐温性及耐久性:

钛合金:

钛及其合金以高强度、轻量化、耐腐蚀及耐高温特性著称,普遍应用于喷气发动机、起落架以及需要高性能的关键结构部件。

铝合金:

铝合金因其优异的强度重量比、耐腐蚀性及经济性而被广泛应用,主要用作飞机的机身结构材料,包括机身与机翼部件。

镁合金:

主要应用于减重至关重要的部位,但由于耐腐蚀性与可燃性方面的技术挑战,其应用范围相对有限。

高温合金:

这类通常以镍或钴为基体的材料,被广泛应用于必须承受极端温度与应力的发动机部件。

复合材料:

碳纤维增强聚合物因其轻质高强的特性正得到日益广泛的应用。这类复合材料被用于飞机的机翼、机身及内饰部件等多个部位,可有效提升燃油效率并减轻结构重量。

陶瓷和玻璃:

用于航天器热防护系统,以及需要兼具透明性与抗热震性能的舷窗等部件。

聚合物与塑料:

凭借轻质与多功能特性,聚合物与塑料被广泛应用于飞机内饰部件、绝缘系统及线缆敷设。

以波音787飞机为例,其制造过程涉及多种先进材料:



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

航空航天工业中的钛及其合金

钛是地壳中含量第十位的元素。钛及其合金凭借卓越的机械性能,在航空航天领域具有特殊应用价值:首先,其密度比钢低60%,属于轻质材料,可有效降低燃料消耗;其次,优异的耐热性与耐腐蚀性确保了发动机安全与长久使用寿命;第三,低脆性和低热膨胀系数使其能与碳纤维增强塑料(CFRP)实现良好结合。钛材主要应用于飞机机体结构、发动机等关键技术部位[1][2]。 尽管优势显著,但需注意氧、氮、氢三种气体会对钛材机械性能产生不利影响。液态钛在制备过程中对这些气体的高亲和性更增加了风险——随着氧浓度上升,材料会硬化并更易产生裂纹[3];氢浓度超标则会引发氢脆现象,导致钛材延展性丧失及表面剥落[4]。 鉴于氧、氮、氢浓度对钛合金性能的重大影响,精确测定这些元素含量已成为钛制品质量控制的关键环节。

ELTRA跻身全球元素分析仪制造商前列。

由于航空航天工业在极端环境下面临严峻挑战——无论是高空作业还是太空真空环境——所有部件和系统都必须经过严格的测试与认证流程,以确保其万无一失地运行。元素分析在验证工程材料是否具备所需特性方面起着关键作用。 ELTRA GmbH作为行业领先的分析仪器制造商,四十余年来始终专注于高精度元素分析仪的研发与生产。其产品系列涵盖各类材料中碳、硫、氮、氧、氢含量的测定仪器,同时以热重分析仪著称,该设备可精确检测材料在特定温度或加热过程中的重量变化。这些分析仪已成为航空航天、冶金、水泥、采矿、电池制造等需要精准材料成分分析的行业不可或缺的工具。

飞机部件原材料中的氧/氮/氢分析

在航空航天材料的化学分析中,氧、氮、氢三种气体的测定至关重要,这些元素对材料性能具有显著影响。 ELTRA生产的ELEMENTRAC ONH-p型氧氮氢分析仪采用惰性气体熔融法,可检测浓度范围从百万分之一至百分数的气体含量。该设备的脉冲电极炉能将钛等金属样品在高达3000°C的温度下熔化,通过检测释放的氢、氮元素气体以及氧气与石墨坩埚中碳反应转化生成的二氧化碳(用于测定氧含量)完成分析。为确保测量可靠性,需在样品中添加镍、锡等助熔剂以降低熔点,保证气体元素完全释放,从而实现优异的测量重复性。 该仪器全面符合国际标准,操作界面简洁易用,适合各类专业人员使用。可处理粉末、颗粒、线状、片状等任意固体形态样品,典型样品重量约为100毫克。对于钢/铁基样品(无需助熔剂),最大样品量可增至1000毫克。

TYPICAL MEASUREMENT RESULTS OF THE ONH-P


O / N / H concentration in titanium samples

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 86.50
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%

碳/硫分析仪 CS-i

因为碳和硫元素的含量大大影响材料如钢铁和钛的硬度和可加工性,其精确的元素分析对航空航天工业中的应用及其重要。 在温度高达2000°C的高频感应炉里,样品在纯氧气氛中被熔融,四个独立的红外检测池与灵活的测量范围可精确测定碳和硫的含量。

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O/N/H Analysis in Raw Materials for Aircraft Components

Raw materials used in aircraft components need to fulfill a number of requirements. To verify the requested material properties and ensure maximum safety, each component is submitted to thorough testing. Part of the quality control process involves testing of mechanical properties, like tensile strength, or elasticity but also the determination of the chemical composition. One important part of chemical analysis of materials used in the aerospace industry is always the measurement of the gases oxygen (O), nitrogen (N) and hydrogen (H) which have a significant influence on the material properties.

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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