Bei der Flugzeugwartung werden zahlreiche Metallteile für die Montage von Wartungsklappen am Flugzeugrumpf, Bordausrüstung, Komponenten und Zubehör benötigt. Als Rohmaterialien dienen in der Regel Kohlenstoffstahl und legierter Stahl. Ein zu hoher Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in den Stahlteilen und Rohmaterialien kann jedoch deren Leistungsfähigkeit erheblich beeinträchtigen. Beispielsweise verkürzt die häufige Wasserstoffversprödung die Lebensdauer von Stahlteilen.
Daher ist die genaue Messung des Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalts in Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl von entscheidender Bedeutung. Mit der rasanten Entwicklung der modernen Luftfahrt- und Stahlindustrie hat die Analyse von Gaselementen wie Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Stahlwerkstoffen zunehmend an Bedeutung für Flugzeugwartungsunternehmen gewonnen.
Als hochspezialisierte Analysetechnik wird die Sauerstoff-Stickstoff-Wasserstoff-Analyse im Allgemeinen von Flugzeugwartungsunternehmen mit Hilfe professioneller Sauerstoff-Stickstoff-Wasserstoff-Analysatoren durchgeführt, die den Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Kohlenstoffstahl- und legierten Stahlwerkstoffen schnell und genau messen können.
1. Gefahren von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl
Sauerstoff im Stahl liegt in Form verschiedener Oxideinschlüsse vor und verbindet sich zu nichtmetallischen Einschlüssen, wodurch die Kontinuität der Metallmatrix gestört und somit die mechanischen Eigenschaften des Stahls beeinträchtigt werden.
Zu den Gefahren von Stickstoff gehören die Verringerung der Alterungsbeständigkeit von Stahl, die Schwächung seiner Kaltverformbarkeit und seines plastischen Verformungsvermögens, die Verursachung von Versprödung in der wärmebeeinflussten Schweißzone und die Beeinträchtigung der Ziehbarkeit von Stahl.
Die Schädlichkeit von Wasserstoff besteht darin, dass sich in Stahlaggregaten gelöster Wasserstoff in Wasserstoffmoleküle umwandelt, was die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtert und zu Spannungskonzentrationen führt. Überschreitet die Spannung die Festigkeitsgrenze des Stahls, bilden sich im Inneren des Stahls winzige Risse, was gemeinhin als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird.
Es zeigt sich, dass ein zu hoher Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff die Eigenschaften von Bauteilen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl erheblich beeinträchtigt und daher kontrolliert werden muss. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Gehalt an Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Stahlbauteilen sowie in Werkstoffen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl präzise zu messen. Bei Bauteilen mit zu hohen Gehalten können Wärmebehandlungsverfahren wie die Wasserstoffentfernung durch Erhitzen eingesetzt werden, um die Wasserstoffversprödung zu beseitigen und die Stahleigenschaften wiederherzustellen. Dies verhindert, dass fehlerhafte Stahlbauteile mit hohem Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffgehalt in Flugzeugen verbaut werden, was andernfalls die Qualität der Flugzeugwartung und die Flugsicherheit gefährden würde.
2. Testprinzip
Das von Luftfahrtwartungsunternehmen zur quantitativen Analyse von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in Stahl, Gusseisen und Legierungswerkstoffen verwendete Instrument ist ein Sauerstoff/Stickstoff/Wasserstoff-Analysator (z. B. ONH‑2000), der sich durch hohe Genauigkeit und Messpräzision auszeichnet.
Der Sauerstoff-/Stickstoff-/Wasserstoffanalysator arbeitet nach dem Prinzip der Impulsheizung, der Reduktion unter Schutzgasatmosphäre und der Wärmeleitfähigkeits- sowie Infrarotdetektion. Beim Durchfließen eines starken elektrischen Stroms durch den Graphittiegel zwischen den oberen und unteren Elektroden steigt die Tiegeltemperatur rasch auf den vorgegebenen Wert an. In einer inerten Trägergasatmosphäre (Helium oder Stickstoff) wird der Sauerstoff in der Metallprobe in Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid umgewandelt, das mit Helium transportiert und anschließend von einem Infrarotdetektor gemessen wird. Stickstoff und Wasserstoff werden in molekularer Form freigesetzt, jeweils mit Helium bzw. Stickstoff transportiert und anschließend einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor zur quantitativen Analyse zugeführt.
Das System ist mit zwei unabhängigen Infrarot-Detektionszellen zur Messung niedriger bzw. hoher Sauerstoffkonzentrationen sowie einer Wärmeleitfähigkeits-Detektionszelle zur Wasserstoff- und Stickstoffanalyse ausgestattet. Der Pulsofen wird durch zirkulierendes Wasser gekühlt, und die Probe kann im Tiegel des Hochleistungs-Pulsofens auf über 2600 °C erhitzt werden. Während des Analysevorgangs kann automatisch zwischen niedriger und hoher Temperatur umgeschaltet werden. Zusätzlich wird Druckluft als Energiequelle für den Hebemechanismus des Pulsofens benötigt.
