航空航天与精密飞机零部件市场趋势

时代变了。如今典型喷气式飞机建造中纯铝仅占20%。大多数非关键结构材料——面板和美观内饰——现由更轻的碳纤维增强聚合物（CFRP）和蜂窝材料组成。同时，发动机零件和精密飞机零部件关键组件，既强调降重又要求更高耐温性以提高燃油效率，将新金属或以前难加工金属引入航空航天材料组合。

航空航天在行业中独树一帜

航空航天制造在大批量生产领域独树一帜，尤其在航空发动机生产中。发动机是飞机最复杂部件，包含最多单个零件，最终决定燃油消耗。高达3,800°F（2,100°C）温度潜力的贫油发动机出现，增加了对这些新材料需求。考虑到当前超合金熔点约1,850°C（3,360°F），寻找能承受更高温度材料成为挑战。

为满足温度要求，耐热超合金（HRSA）现引入材料方程，包括钛合金、镍合金和一些非金属复合材料如陶瓷。这些材料似乎比传统铝更难加工，历史上意味着刀具寿命更短、工艺安全性更低。

航空航天零件加工也有高工艺风险。因35,000英尺巡航高度误差容忍度为零，航空航天公比几乎任何行业更精密。这种精度需要时间。每个零件需更长加工时间，按时间投资算废品相对昂贵。此外，与其他行业相比，航空航天零部件订单常为小批量长交期，使生产率、吞吐量、盈利能力排程困难。

除石油天然气行业（也有高温高压耐蚀要求）外，航空航天材料本身影响零部件设计。可制造性设计（DFM）是平衡零部件功能及制造要求的工程艺术。此法在航空航天零部件设计及精密飞机零部件设计中应用越来越多，因零件需承受特定载荷和耐温，某些材料只能承受那么多。材料和零部件设计真正相互驱动，非先后关系。这种材料与设计关系在研究下一代材料时尤为重要。因此航空制造商各异，其材料范围独特也就不足为奇。

新材料版图

标准航空铝——6061、7050、7075——和传统航空金属——镍718、钛6Al4V、不锈15-5PH——仍用于航空。但这些金属正让位于旨在改善成本效率的新合金。澄清一下，这些新金属不总是新的，有些存在数十年。只是机床、刀具技术、晶片涂层进步足以应对难加工合金，才新用于实际制造应用。

虽然飞机铝用量下降，但未完全消失。事实上铝在回归，特别是CFRP转型被证明成本过高或无效时。但回归的铝非您父亲的铝。例如钛铝合金（TiAl）和锂铝合金（Al-Li）自1970年代存在，仅本世纪以来在航空获应用。

像镍合金耐热性一样，TiAl在600°C（1,112°F）保持强度和耐腐蚀性。但TiAl更易加工，显示类似α-β钛（如Ti6Al4V）加工性。更关键，TiAl因密度仅为镍合金一半，可改善航空发动机推重比。例如传统用致密镍基超合金制造的低压涡轮叶片和高压压气机叶片，现用TiAl基合金加工。通用电气是这发展先驱，在GEnx发动机用TiAl低压涡轮叶片，这是商用喷气发动机大规模使用该材料首例——波音787梦想客机。

航空航天铝回归另一例是轻量Al-Li，专门改善7050和7075铝性能。总体上，锂增强铝降低密度重量，两者是航空材料演变催化剂。Al-Li合金高强度、低密度、高刚度、损伤容限、耐腐蚀、易焊接使其成为商用喷气机机身比传统铝更好选择。目前空客用AA2050。阿尔科亚用AA2090 T83和2099 T8E67。该合金也用于SpaceX猎鹰9火箭燃料氧化剂罐，并广泛用于NASA火箭航天项目。

钛5553（Ti-5553）是航空另一相对新金属，显示高强度、轻量、良好耐腐蚀。必须比先前用不锈钢合金更强更轻的主要结构部件是此钛合金理想应用点。称三重5-3，曾极难加工——直到最近。大量研发使金属切削实用化，三重5-3最近证明因加工一致性类似传统钛合金（如Ti6Al4V）而非常可预测。两材料差异需用不同切削数据实现相似刀具寿命。但操作员设置适当参数时，三重5-3可预测加工。关键是稍慢操作、优化刀具路径和冷却系统，在刀具寿命和安全间取得良好平衡。

某些结构部件如紧固件、机匣、气缸需原始强度，轻量化优先级较低。此类情况Ferrium S53合金钢提供等同或优于300M、SAE 4340等传统超高强钢的力学性能，额外优势是整体耐腐蚀性。可消除镉镀层及后续相关工艺。

复合材料大显身手

复合材料也占据航空航天材料版图越来越大份额。它们减重降油耗，同时易处理、设计、成型、修复。曾仅用于轻量结构件或客舱部件，航空航天复合材料范围现延伸至真正功能部件——机翼机身蒙皮、发动机、起落架。

同样重要，复合元件可成型为复杂形状，金属部件则需加工和粘接。预成型复合部件不仅轻且强，还减少飞机上沉重紧固件和接头——潜在失效点。这样复合材料推动整个装配减少零部件数量全球趋势，尽可能采用一体化设计。

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