航空宇宙部品および精密航空機部品市場

時が変わった。現在建設中の典型的なジェット機は、わずか 20% の純アルミニウムで構成されています。重要ではない建築材料のほとんど (パネルや美的インテリア) は、現在、さらに軽量な炭素繊維強化ポリマー (CFRP) とハニカム材料で構成されています。一方、エンジン部品と精密航空機部品の重要な部品では、燃料効率を向上させるために、軽量化と耐熱性の向上が同時に重視され、新しい金属や以前は機械加工が不可能だった金属が航空宇宙材料の混合に取り入れられています。

航空宇宙業界で唯一無二

航空宇宙製造は、特に航空エンジンの製造において、他の大量生産部門の中でも独特です。エンジンは飛行機の中で最も複雑なコンポーネントであり、個々のコンポーネントが最も多く含まれており、最終的に燃料消費量を決定します。最大 3,800 ° F (2,100 ° C) の温度ポテンシャルを持つ希薄混合エンジンの出現により、これらの新しい材料の需要が増加しました。現在の超合金の融点が約 1,850°C (3,360°F) であることを考えると、より高い温度に耐えることができる材料を見つけることは困難になります.

これらの温度要件を満たすために、チタン合金、ニッケル合金、およびセラミックなどの一部の非金属複合材料を含む、耐熱超合金 (HRSA) が材料方程式に導入されています。これらの材料は従来のアルミニウムよりも機械加工が難しいようで、これは歴史的に工具寿命が短く、プロセスの安全性が低いことを意味します.

また、航空宇宙部品の機械加工には高いプロセス リスクがあります。 35,000 フィートの巡航高度では誤差の許容範囲が存在しないため、航空宇宙の公差は他のほとんどの業界よりも正確です。このレベルの精度には時間がかかります。時間の投資を考慮に入れると、各コンポーネントにはより長い機械加工時間が必要であり、パーツごとに時間がかかるため、スクラップは比較的高価になります。また、他の業界と比較して、航空宇宙コンポーネントの注文は、多くの場合、少量生産と長いリード タイムで構成されているため、生産性、スループット、および収益性のスケジューリングが困難になります。

高温、高圧、および腐食の要件もある石油およびガス以外の他の業界とは異なり、航空宇宙材料自体がコンポーネントの設計に影響を与えます。製造可能性設計 (DFM) は、コンポーネントの機能とその製造要件の両方を考慮して、バランスの取れたアプローチでコンポーネントを設計するエンジニアリング技術です。このアプローチは、航空宇宙コンポーネントの設計、航空宇宙コンポーネントおよび精密航空機コンポーネントの設計にますます適用されています。これらのコンポーネントは、特定の負荷と温度耐性に耐える必要があり、一部の材料はそれだけを保持できるためです。材料とコンポーネントの設計は、次々とではなく、互いに推進し合っています。この素材とデザインの関係は、次世代の素材を研究する上で特に重要です。これらすべての理由から、航空メーカーは互いに異なります。彼らの素材の範囲が独特であることも不思議ではありません.

新しい素材の風景

標準的な航空用アルミニウム - 6061、7050、および 7075 - と従来の航空用金属 - ニッケル 718、チタン 6Al4V、およびステンレス 15-5PH - は、依然として航空で使用されています。しかし、これらの金属は現在、コストと効率を改善するために設計された新しい合金に領域を与えています.はっきりさせておくと、これらの新しい金属は必ずしも新しいものではなく、何十年も前から存在していたものもあります. .

航空機のアルミニウムの量は減少していますが、その使用が完全になくなったわけではありません。実際、特に CFRP への移行が禁止されている、または効果がないことが判明した場合は、アルミニウムが復活します。しかし、再び現れるアルミはあなたのお父さんのアルミではありません。たとえば、1970 年代から存在していたチタン粘土 (TiAl) とリチウム アルミニウム (Al-Li) は、20 世紀の変わり目以降、航空分野での地位を獲得しただけです。

耐熱特性のニッケル合金と同様に、TiAl は 600 ° C (1,112 ° F) までの温度で強度と耐腐食性を保持します。しかし、TiAl は機械加工が容易であり、Ti6Al4V などの α-β チタンと同様の機械加工性を示します。さらに重要なことに、TiAl はニッケル合金の半分のサイズであるため、航空エンジンの推力重量比を改善できます。たとえば、従来は高密度のニッケル基超合金で作られていた低圧タービン ブレードと高圧圧縮機ブレードの両方が、現在では TiAl 基合金から機械加工されています。 General Electric はこの開発のパイオニアであり、GEnx エンジンで TiAl 低圧タービン ブレードを使用しています。これは、商用ジェット エンジン (この場合はボーイング 787 ドリームライナー) でこの材料を初めて大規模に使用したものです。

航空宇宙産業へのアルミニウムの別の再導入は、7050 および 7075 アルミニウムの特性を改善するために特別に設計された軽量 Al-Li に見られます。全体として、リチウムの添加によりアルミニウムが強化され、密度と重量が減少し、航空材料の進化の 2 つの触媒となります。 Al-Li 合金の高強度、低密度、高剛性、損傷耐性、耐食性、および溶接に適した性質により、商用ジェット機の従来のアルミニウムよりも優れた選択肢となっています。現在、エアバスは AA2050 を使用しています。一方、アルコアは AA2090 T83 と 2099 T8E67 を使用しています。この合金は、SpaceX Falcon 9 宇宙ロケットの燃料および酸化剤タンクにも使用されており、NASA のロケットおよびシャトル プロジェクトで広く使用されています。

チタン 5553 (Ti-5553) は、航空業界ではもう 1 つの比較的新しい金属であり、高強度、軽量、優れた耐食性を示します。以前に使用されていたステンレス鋼合金よりも強く軽量でなければならない主要な構造部品は、このチタン合金の理想的な適用ポイントです。トリプル 5-3 として知られるこの素材は、最近まで機械加工が非常に困難でした。金属を機械加工に実用的なものにするために広範な研究開発が行われ、トリプル 5-3 は、前述の Ti6Al4V などのより伝統的なチタン合金と同様の機械加工の一貫性により、非常に予測可能であることが最近証明されました。 2 つの材料の違いにより、同様の工具寿命を実現するには、異なる切削データを使用する必要があります。しかし、オペレータが適切なパラメータを設定していれば、5 ～ 3 台の 3 倍の数のマシンを予測できます。 Triples 5-3 の鍵は、ツールの寿命と安全性のバランスをうまくとるために、操作を少し遅くし、ツール パスと冷却システムを最適化することです。

ファスナー、シャーシ、シリンダーなどの特定の構造部品は強度が必要であり、軽さは優先事項ではありません。このような場合、フェリウム S53 合金鋼は、300M や SAE 4340 などの従来の超高強度鋼と同等またはそれ以上の機械的特性を提供し、全体的な耐食性という利点が追加されています。これにより、カドミウム コーティングとその後の関連処理が不要になります。

複合材料が勢いを増す

複合材料は、航空宇宙材料のパイの成長を続けるチャンクも構成しています。それらは、取り扱い、設計、形状、および修理が容易であると同時に、重量を減らし、燃料消費を削減します。かつては軽量構造部材またはキャビン コンポーネントのみと考えられていた航空宇宙用複合材の範囲は、現在では真に機能的なコンポーネント (翼と胴体の外板、エンジン、着陸装置) にまで拡大しています。

また、複合要素は、金属部品の場合は機械加工と接着が必要な複雑な形状に成形できることも重要です。成形済みの複合コンポーネントは、軽くて強いだけでなく、飛行機の潜在的な障害点となる重いファスナーやジョイントの数を減らします。このように、複合材料は、可能な限り一体型設計を利用して、アセンブリ全体のコンポーネント数を削減するという世界的な傾向を推進するのに役立ちます.

精密部品と航空宇宙部品に関する詳細情報

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