航空宇宙・精密航空機部品の市場トレンド

時代は変わりました。今日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。非重要構造材料の大部分（パネルや美観内装）は、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るようになりました。一方、エンジン部品と精密航空機部品の重要コンポーネントでは、より良い燃費のために低重量と高耐熱性が同時に重視され、航空宇宙材料ミックスに新しい、または以前は加工が非現実的だった金属が導入されています。

産業界でユニークな航空宇宙製造

航空宇宙製造は、特に航空エンジンの生産において、他の大量生産部門の中でユニークです。エンジンは飛行機で最も複雑なコンポーネントで、最も多くの個別部品を含み、最終的に燃料消費を決定します。最大3,800°F（2,100°C）の温度ポテンシャルを持つリーンミックスエンジンの登場により、これらの新素材へ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られる材料を見つけることは課題となっています。

これらの温度要件を満たすために、耐熱超合金（HRSA）が材料方程式に導入されています。これにはチタン合金、ニッケル合金、セラミックスなどの非金属複合材料が含まれます。これらの材料は、従来のアルミニウムより加工が難しく、歴史的に工具寿命が短く、プロセス安全性が低いことを意味します。

航空宇宙部品の加工には高いプロセスリスクもあります。35,000フィートの巡航高度ではエラーの余地が存在しないため、航空宇宙の公差はほぼ他のどの業界よりも精密です。このレベルの精度には時間がかかります。各コンポーネントにより長い加工時間が必要となり、スクラップは時間投資を考慮すると相対的に高コストになります。また、他の業界と比較して、航空宇宙コンポーネントの受注は少量多品種で納期が長いことが多く、生産性、スループット、収益性のスケジューリングを困難にしています。

石油・ガス業界以外では、高温・高圧・耐食性要件を持つ業界はありませんが、航空宇宙材料自体がコンポーネント設計に影響を与えます。製造しやすさのための設計（DFM）は、コンポーネント機能とその製造要件の両方を考慮した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の技術です。このアプローチは、航空宇宙コンポーネント設計と精密航空機部品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荷重と耐温性に耐える必要があり、一部の材料はそれほど保持できないためです。材料とコンポーネントの設計は、一方が他方に続くのではなく、互いに駆動し合っています。この材料と設計の関係は、次世代材料を研究する際に特に重要です。これらすべての理由から、航空機メーカーは互いに異なります。彼らの材料レンジがユニークなのも不思議ではありません。

新しい材料ランドスケープ

標準的な航空機用アルミニウム（6061、7050、7075）と従来の航空機用金属（ニッケル718、チタン6Al4V、ステンレス15-5PH）は依然として航空機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譲りつつあります。明確にするために、これらの新しい金属が常に新しいわけではありません。一部は数十年前から存在しています。むしろ、工作機械、工具技術、ウェーハコーティングが難削合金に対処できるほど進歩したため、実用的な製造用途に新しく登場したのです。

航空機におけるアルミニウムの量は減少していますが、その使用が完全に消えているわけではありません。実際、アルミニウムは復活しており、特にCFRPへの移行がコスト面や効果面で非現実的であったケースで顕著です。しかし、再び登場するアルミニウムは、あなたの父親の時代のアルミニウムではありません。例えば、チタンアルミニド（TiAl）とリチウムアルミニウム（Al-Li）は1970年代から存在していましたが、21世紀に入ってから航空分野で地位を得るようになりました。

ニッケル合金のような耐熱特性を持ちながら、TiAlは600°C（1,112°F）までの温度で強度と耐食性を維持します。しかし、TiAlは加工が容易で、Ti6Al4Vなどのα-βチタンと類似の加工特性を示します。より重要なのは、TiAlがニッケル合金の半分の密度であるため、航空エンジンの推力重量比を改善できることです。例えば、従来は高密度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コンプレッサーブレードが、現在TiAl基合金から機械加工されています。ゼネラル・エレクトリック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での材料の初の大規模使用で、この場合ボーイング787ドリームライナーです。

航空宇宙産業へのアルミニウムのもう一つの再導入は、7050と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、リチウムの添加はより低い密度と重量でアルミニウムを強化し、航空材料の進化の2つの触媒となっています。Al-Li合金の高強度、低密度、高剛性、損傷許容性、耐食性、溶接親和性は、商用ジェット機体で従来のアルミニウムより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。この合金はスペースXファルコン9宇宙ロケットの燃料と酸化剤タンクにも採用され、NASAのロケットと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、航空分野で比較的新しい金属で、高強度、軽量、良好な耐食性を示します。以前使用されていたステンレス合金より強くて軽くなければならない主要構造コンポーネントが、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、最近まで非常に加工が困難な材料でした。実用的な加工を可能にするために広範な研究開発が行われ、トリプル5-3は最近、前述のTi6Al4Vのようなより伝統的なチタン合金と類似の加工一貫性により、非常に予測可能であることが証明されました。2つの材料の違いには、類似の工具寿命を達成するために異なる切削データを使用する必要があります。しかし、オペレーターが適切なパラメータを設定すれば、トリプル5-3マシンを予測可能にできます。トリプル5-3の鍵は、少し遅い操作と工具パスと冷却システムの最適化により、工具寿命と安全性の良好なバランスを達成することです。

ファスナー、シャーシ、シリンダーなどの特定の構造コンポーネントには生の強度が必要で、軽量化はそれほど優先されません。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優れた機械的特性を、全体的な耐食性という追加メリットとともに提供します。これにより、カドミウムメッキとその後の関連処理の必要性を排除できます。

コンポジット材料の躍進

複合材料も航空宇宙材料パイの成長する部分を占めています。これらは重量と燃料消費を削減しながら、取り扱い、設計、成形、修理が容易です。かつては軽量構造部材やキャビンコンポーネントのみと考えられていましたが、航空宇宙コンポジットの範囲は今や真に機能的なコンポーネント（翼と胴体のスキン、エンジン、着陸装置）にまで拡大しています。

また重要なのは、複合要素は金属部品の場合は機械加工と接合が必要な複雑な形状に成形できることです。プリフォームド複合コンポーネントは軽量で強靭なだけでなく、飛行機上の重いファスナーとジョイント（潜在的な故障点）の数を削減します。このように、複合材料は可能な限り一体型設計を活用し、アセンブリ全体の部品数を削減するグローバルトレンドを推進しています。

精密部品・航空宇宙コンポーネントに関するさらなる情報

• 航空宇宙産業向け機械加工部品
• 精密部品の加工方法