航空航天部件和精密飞机部件市场

时代变了。今天在建的典型喷气式飞机仅包含 20% 的纯铝。大多数非关键建筑材料——面板和美观的内饰——现在由更轻的碳纤维增强聚合物 (CFRP) 和蜂窝材料组成。同时，对于发动机部件和精密飞机部件的关键部件，同时强调更轻的重量和更高的耐温性以提高燃油效率，将新的或以前无法加工的金属带入航空航天材料组合。

航空航天在各行业中独树一帜

航空航天制造在其他大规模生产领域中是独一无二的，尤其是在航空发动机的生产方面。发动机是飞机上最复杂的部件，它包含最独立的部件，最终决定了油耗。温度潜力高达 3,800°F (2,100°C) 的稀薄混合发动机的出现有助于增加对这些新材料的需求。鉴于目前的高温合金的熔点约为 1,850°C（3,360°F），寻找能够承受更高温度的材料成为一项挑战。

为了满足这些温度要求，现在正在将耐热高温合金 (HRSA) 引入材料方程式，包括钛合金、镍合金和一些非金属复合材料，例如陶瓷。这些材料似乎比传统铝更难加工，这在历史上意味着更短的刀具寿命和更低的工艺安全性。

加工航空零件的过程风险也很高。由于在 35,000 英尺的巡航高度不存在误差范围，因此航空航天的公差比几乎任何其他行业都更加精确。这种精确度需要时间。考虑到时间投资，每个部件需要更长的加工时间，而每个部件的更多时间使废料相对昂贵。此外，与其他行业相比，航空航天部件订单通常包含短期数量和较长的交货时间，因此难以安排生产力、吞吐量和盈利能力。

与石油和天然气以外的任何其他行业不同，石油和天然气也有高温、压力和腐蚀要求，航空航天材料本身会影响部件设计。可制造性设计 (DFM) 是采用平衡方法设计组件的工程艺术，同时考虑到组件功能及其制造要求。这种方法越来越多地应用于航空航天部件设计，越来越多地应用于航空航天部件和精密飞机部件的设计，因为它们的部件需要承受一定的载荷和耐温性，而有些材料只能承受这么多。材料和组件的设计真的是相互驱动，而不是一个接一个。在研究下一代材料时，材料和设计之间的这种关系尤为重要。由于所有这些原因，航空制造商彼此不同。难怪他们的材料范围是独一无二的。

新的材料景观

标准航空铝 - 6061、7050 和 7075 - 以及传统航空金属 - 镍 718、钛 6Al4V 和不锈钢 15-5PH - 仍在航空中使用。然而，这些金属现在正在为旨在提高成本和效率的新合金提供领域。需要明确的是，这些新金属并不总是新的，有些已经存在了几十年。相反，它们对于实际制造应用来说是新的，因为机床、工具技术和晶圆涂层已经足够先进，可以处理难以加工的合金.

尽管飞机中的铝量正在下降，但它的使用并没有完全消失。事实上，铝确实会卷土重来，尤其是在向 CFRP 过渡已被证明令人望而却步或无效的情况下。但再次出现的铝不是你父亲的铝。例如，自 1970 年代以来就已经存在的钛粘土（TiAl）和锂铝（Al-Li），直到世纪之交才在航空领域取得进展。

与镍合金的耐热性能一样，TiAl 在高达 600°C (1,112°F) 的温度下仍能保持强度和耐腐蚀性。但 TiAl 更易于加工，具有与 α-β 钛（如 Ti6Al4V）相似的机械加工性能。更重要的是，TiAl 可以提高航空发动机的推重比，因为它的尺寸只有镍合金的一半。例如，传统上由致密的镍基高温合金制成的低压涡轮叶片和高压压缩机叶片现在都由 TiAl 基合金加工而成。通用电气是这一发展的先驱，并在其 GEnx 发动机中使用了 TiAl 低压涡轮叶片，这是该材料首次在商用喷气发动机中大规模使用——在本例中为波音 787 梦幻客机。

另一种将铝重新引入航空航天工业的方法是轻质铝锂，专门设计用于改善 7050 和 7075 铝的性能。总体而言，锂的添加增强了密度和重量更低的铝，这是航空材料发展的两个催化剂。铝锂合金的高强度、低密度、高刚度、损伤容限、耐腐蚀性和焊接友好性使其成为商用喷气式飞机机身中比传统铝更好的选择。目前，空客使用AA2050。同时，Alcoa 使用的是 AA2090 T83 和 2099 T8E67。该合金还存在于 SpaceX 猎鹰 9 号太空火箭的燃料和氧化剂罐中，并广泛用于 NASA 的火箭和航天飞机项目。

钛 5553（Ti-5553）是另一种在航空领域相对较新的金属，具有强度高、重量轻、耐腐蚀性好等特点。主要结构部件必须比以前使用的不锈钢合金更坚固、更轻，是这种钛合金的理想应用点。被称为三重 5-3，直到最近，它还是一种极难加工的材料。已经进行了广泛的研究和开发，以使金属可用于加工，最近证明三重 5-3 非常可预测，因为它与更传统的钛合金（如上述 Ti6Al4V）相似的加工一致性。两种材料的差异需要使用不同的切削数据才能实现相似的刀具寿命。但是当操作员设置了适当的参数时，可以预测三倍数量的 5-3 台机器。 Triples 5-3 的关键是运行速度慢一些，并优化刀具路径和冷却系统，以实现刀具寿命和安全性之间的良好平衡。

某些结构部件，例如紧固件、底盘和气缸，需要原始强度，而轻质则不是优先考虑的问题。在这种情况下，Ferrium S53 合金钢的机械性能与传统的超高强度钢（如 300M 和 SAE 4340）相当或更好，并具有整体耐腐蚀性的额外优势。这样就可以省去镀镉和后续的相关加工。

复合材料大步前进

复合材料也在航空材料领域中占据越来越大的份额。它们减轻了重量并降低了油耗，同时易于处理、设计、成型和维修。曾经只考虑用于轻质结构部件或机舱部件的航空复合材料的范围现在扩展到真正的功能部件——机翼和机身蒙皮、发动机和起落架。

同样重要的是，复合元件可以形成复杂的形状，在金属零件的情况下需要机加工和粘合。预成型的复合材料部件不仅重量轻、强度高，而且还减少了飞机上重型紧固件和接头的数量——它们是潜在的故障点。通过这种方式，复合材料有助于推动减少整个组件中组件数量的全球趋势，尽可能采用一体式设计。

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