Uçak kompozit yapılarında erozyon direncinin incelenmesi
Investigation of erosion resistance in aircraft composite structures
Yazar: ORHAN BAYDIR
Danışman: DOÇ. DR. SELİM GÜRGEN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Havacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Kompozit yapılar = Composite structures

Özet:
Günümüzde yüksek performanslı, düşük maliyetli ve emniyetli daha hafif uçakların tasarlanması ve üretilmesi öncelikli hedef olmuştur. Bu isterler doğrultusunda yeni üretim yöntemleri ve yeni malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Uçak performansı artırmak amacıyla yapısal ağırlığının azaltılması için (yaygın olarak kullanılan çelik, alüminyum vb. yerine) paslanmaz çelikler, alaşımlar ve kompozit malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Geleneksel uçak malzemelerine göre yüksek mukavemet, rijitlik, darbe ve yorulma dayanımı, ısıl iletkenlik ve korozyon direnci kompozit malzemelerde daha iyidir. Havacılığın temeli olan emniyetin sağlanması elzem olup, sektörde kullanılan malzemelerin işletme şartlarından (nemli, tozlu, sıcak, soğuk vb.) kaynaklanan etkilerden dolayı zamana bağlı olarak özelliklerini kaybetmesi ile hasarlar/kazalar meydana gelebilmektedir. İstenmeyen kaza ve hasara neden olan etkenlerin biride aşınmadır.
Çalışma şartlarına bağlı olarak uçak ve uçak parçalarında birçok farklı aşınma çeşitleri ile karşılaşılmaktadır. Bunlardan biri olan erozif aşınma yani katı parçacıkların bir yüzey üzerine sürekli çapması sonucu meydana getirdiği aşınmadır. En basit örnek uçağa çarpan yağmur damlacıkları (havadaki toz zerrecikleri) erozif aşınmaya neden olabilmektedir. Katı parçacık erozyon aşınmasında; parçacık boyutu, tipi, şekli, çarpma açısı, hızı, parçacık aşındırıcı malzemenin sertliği, akış oranı ile malzeme özellikleri, çevresel etkiler en temel parametrelerdir.
Uçak kumanda yüzeylerinde kaplama malzemesi olarak kullanılan kompozit malzemenin erozif aşınma direncin arttırmak ve aşınma durumunun incelemesi için örnek malzeme olarak belirlenmiştir. Bu çalışmada iki kat karbon ve bir kat S-glass kumaşı ile imalat aşamasında reçine içerisine, reçine ağırlık oranının %0, %1, %3 ve %5'i kadar silika katılarak kompozit numune malzemeler elde edilmiştir. Deney için hazırladığımız numunelerimizi 30º, 60º, 90º çarpma açılarında ve 60º açıda iki kat süre ile katı partikül aşınma deneyine tabi tutulmuştur. Her bir numune için erozyon oranları hesaplanmış ve numunelerin yüzey hasarları taramalı elektron mikroskopu ve endoskopik kamera ile incelenerek görüntülenmiştir. Deneyler neticesinde reçine içerisine eklenen silica malzemesinin, çarpma açısının ve uygulama süresinin erozyon oranına etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Yapılan çalışma neticesinde reçine içerisine katkı olarak eklenen silikanın kompozit malzemenin erozyon direncini arttırdığı, en çok aşınmanın düşük partikül çarpma açısında (30º) olduğu, aşınma süresi ile aşınma miktarının orantılı olarak attığı ve numunelerin sünek ve yarı sünek aşınma davranışını sergilediği görülmüştür.

Abstract:
Today, the primary goal is to design and produce high-performance, low-cost and safe lighter aircraft. In line with these requirements, new production methods and new materials are needed. In order to increase aircraft performance, stainless steels, alloys and composite materials have begun to be used to reduce structural weight (instead of the commonly used steel, aluminum, etc.). Compared to traditional aircraft materials, high strength, rigidity, impact and fatigue resistance, thermal conductivity and corrosion resistance are better in composite materials. It is essential to ensure safety, which is the basis of aviation, and damages/accidents may occur when the materials used in the sector lose their properties over time due to the effects of operating conditions (humid, dusty, hot, cold, etc.). One of the factors that cause unwanted accidents and damage is wear.
Depending on operating conditions, many different types of wear are encountered on aircraft and aircraft parts. One of these is erosive wear, that is, the wear caused by the continuous impact of solid particles on a surface. The simplest example is rain droplets (dust particles in the air) hitting an airplane and can cause erosive wear. In solid particle erosion wear; Particle size, type, shape, impact angle, speed, hardness of the particle abrasive material, flow rate and material properties, environmental effects are the most basic parameters.
It was determined as a sample material to increase the erosive wear resistance of the composite material used as a coating material on aircraft control surfaces and to examine the wear condition. In this study, composite sample materials were obtained by adding two layers of carbon and one layer of S-glass fabric and silica into the resin at the rate of 0%, 1%, 3% and 5% of the resin weight during the manufacturing phase. The samples we prepared for the experiment were subjected to solid particle abrasion testing at 30º, 60º, 90º impact angles and twice as long at 60º angle. Erosion rates were calculated for each sample and surface damage of the samples was examined and visualized with a scanning electron microscope and endoscopic camera. As a result of the experiments, it was aimed to examine the effects of the silica material added into the resin, impact angle and application time on the erosion rate.
As a result of the study, it was seen that silica added to the resin as an additive increased the erosion resistance of the composite material, the most wear occurred at low particle impact angle (30º), the wear time and wear amount increased proportionally, and the samples exhibited ductile and semi-ductile wear behavior.