Khi hành khách thoải mái ổn định chỗ ngồi ở độ cao 30.000 feet, ít ai nghĩ đến những vật liệu tuyệt vời làm nên ngành hàng không hiện đại. Kim loại cấp máy bay tạo nên xương sống vô hình của ngành hàng không, được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và an toàn.

Nhôm là nền tảng của ngành hàng không thương mại, chiếm phần lớn cấu trúc của hầu hết các máy bay. Kim loại đa năng này mang lại sự cân bằng tối ưu về các đặc tính cần thiết cho chuyến bay.

Với mật độ chỉ 2,7 g/cm³ — khoảng một phần ba so với thép — nhôm giúp tiết kiệm trọng lượng đáng kể. Máy bay Boeing 787 Dreamliner là minh chứng cho lợi thế này, với nhôm chiếm hơn 50% khung máy bay, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu so với các vật liệu nặng hơn.

Nhôm tự nhiên tạo ra một lớp oxit bảo vệ (Al₂O₃) chống lại sự suy thoái của môi trường. Các nhà sản xuất máy bay tăng cường đặc tính này thông qua quá trình anot hóa, tạo ra các lớp oxit dày hơn cho các bộ phận tiếp xúc với độ ẩm, nước muối và bức xạ UV.

Khả năng gia công tuyệt vời của kim loại này cho phép chế tạo các bộ phận phức tạp thông qua nhiều quy trình khác nhau:

• Dòng 2xxx (hợp kim đồng): Các ứng dụng cường độ cao như tấm vỏ
• Dòng 7xxx (hợp kim kẽm): Các bộ phận kết cấu quan trọng
• Dòng 5xxx (hợp kim magie): Bình nhiên liệu và hệ thống đường ống

Mặc dù ít phổ biến hơn nhôm, thép không gỉ cung cấp sự gia cố quan trọng ở những khu vực chịu ứng suất cao, nơi độ bền là quan trọng nhất.

Với độ bền kéo và độ cứng vượt trội, thép không gỉ xuất hiện trong các bộ phận chịu tải như ống kết cấu và các bộ phận cố định quan trọng phải chịu được ứng suất cơ học đáng kể.

Một số hợp kim thép không gỉ duy trì sự ổn định cấu trúc ở nhiệt độ cực cao, làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các bộ phận động cơ và hệ thống xả gặp nhiệt độ vượt quá 1.000°F.

Kim loại được ưa chuộng trong ngành hàng không vũ trụ này kết hợp sự nhẹ nhàng của nhôm với độ bền tương đương thép, mang lại tỷ lệ sức bền trên trọng lượng vô song.

Các máy bay chiến đấu hiện đại như F-22 Raptor sử dụng hợp kim titan trong hơn 40% khung máy bay của chúng. Khả năng chống ăn mòn và ổn định nhiệt độ cao của kim loại này cũng làm cho nó trở nên hoàn hảo cho các cánh quạt máy nén và các bộ phận động cơ đòi hỏi khắt khe khác.

Các phát triển đang diễn ra tập trung vào:

• Giảm chi phí để áp dụng rộng rãi hơn
• Hợp kim nhiệt độ cao được tăng cường
• Kỹ thuật hàn được cải thiện

Với mật độ cao nhất trong số các kim loại phổ biến (19,3 g/cm³), tungsten phục vụ các chức năng chuyên biệt nhưng quan trọng.

Đối trọng tungsten được đặt chiến lược trên toàn bộ cấu trúc máy bay giúp giảm thiểu rung động, nâng cao sự thoải mái cho hành khách và giảm hao mòn cơ học.

Điểm nóng chảy phi thường (3.422°C) và áp suất hơi thấp của kim loại này làm cho nó không thể thiếu đối với các vòi phun tên lửa và các ứng dụng nhiệt độ cực cao khác.

Các công nghệ mới nổi hứa hẹn sẽ định hình lại việc chế tạo máy bay:

• Hợp kim nhôm-lithium mang lại khả năng giảm trọng lượng 10%
• Hợp kim entropy cao với độ bền vượt trội
• Vật liệu composite ma trận kim loại kết hợp nhiều ưu điểm vật liệu

Bốn kim loại này — mỗi loại có đặc tính riêng biệt — cùng nhau tạo nên sự an toàn, hiệu quả và độ tin cậy định nghĩa ngành hàng không hiện đại. Khi khoa học vật liệu tiến bộ, việc sử dụng tối ưu chúng sẽ tiếp tục đẩy ranh giới của kỹ thuật hàng không vũ trụ.