Рынок аэрокосмической и высокоточной авиатехники

Времена изменились. Типичный реактивный самолет, строящийся сегодня, состоит всего лишь на 20% из чистого алюминия. Большинство некритичных строительных материалов — панели и эстетичные интерьеры — теперь состоят из еще более легких полимеров, армированных углеродным волокном (CFRP), и сотовых материалов. В то же время для деталей двигателей и важнейших компонентов высокоточных компонентов самолетов одновременно делается упор на меньший вес и более высокую термостойкость для повышения эффективности использования топлива, что позволяет использовать новые или ранее непрактичные для машин металлы в составе аэрокосмических материалов.

Аэрокосмическая промышленность уникальна среди других отраслей

Аэрокосмическое производство является уникальным среди других секторов массового производства, особенно в производстве авиационных двигателей. Двигатель — самый сложный узел самолета, он содержит больше всего отдельных узлов и в конечном итоге определяет расход топлива. Появление двигателей на бедной смеси с температурным потенциалом до 3800 ° F (2100 ° C) помогло увеличить спрос на эти новые материалы. Учитывая, что современные суперсплавы имеют температуру плавления около 1850 ° C (3360 ° F), поиск материалов, способных выдерживать более высокие температуры, становится сложной задачей.

Чтобы соответствовать этим температурным требованиям, теперь в уравнение материалов вводятся жаропрочные суперсплавы (HRSA), включая титановые сплавы, никелевые сплавы и некоторые неметаллические композитные материалы, такие как керамика. Эти материалы сложнее обрабатывать, чем традиционный алюминий, что исторически означает более короткий срок службы инструмента и меньшую безопасность процесса.

Также существует высокий технологический риск при обработке аэрокосмических деталей. Поскольку на крейсерской высоте 35 000 футов нет предела погрешности, допуски в аэрокосмической отрасли более точны, чем почти в любой другой отрасли. Такой уровень точности требует времени. Для каждого компонента требуется более длительное время обработки, а большее время на деталь делает брак относительно дорогим с учетом временных затрат. Кроме того, по сравнению с другими отраслями, заказы на компоненты для аэрокосмической отрасли часто состоят из небольших партий и длительных сроков выполнения, что затрудняет планирование производительности, пропускной способности и рентабельности.

В отличие от любой другой отрасли, кроме нефтегазовой, где также существуют высокие требования к температуре, давлению и коррозии, аэрокосмические материалы сами по себе влияют на конструкцию компонентов. Проектирование для технологичности (DFM) — это инженерное искусство проектирования компонентов со сбалансированным подходом, принимая во внимание как функцию компонента, так и требования к его производству. Этот подход все больше и больше применяется при проектировании аэрокосмических компонентов, а также при проектировании аэрокосмических компонентов и компонентов точных самолетов, поскольку их компоненты должны выдерживать определенные нагрузки и термостойкость, а некоторые материалы могут выдерживать только это. Конструкции материалов и компонентов действительно управляют друг другом, а не друг за другом. Эта взаимосвязь между материалом и дизайном особенно важна при изучении материалов нового поколения. По всем этим причинам авиапроизводители отличаются друг от друга. Неудивительно, что их ассортимент материалов уникален.

Новый материальный ландшафт

Стандартный авиационный алюминий - 6061, 7050 и 7075 - и традиционные авиационные металлы - никель 718, титан 6Ал4В и нержавеющая сталь 15-5ПН - до сих пор используются в авиации. Однако сейчас эти металлы уступают место новым сплавам, предназначенным для повышения стоимости и эффективности. Чтобы было ясно, эти новые металлы не всегда новы, некоторые из них существуют уже несколько десятилетий. Скорее, они являются новыми для практического применения в производстве, поскольку станки, технологии инструментов и покрытия пластин достаточно продвинуты, чтобы иметь дело с труднообрабатываемыми сплавами. .

Хотя количество алюминия в самолетах сокращается, его использование не исчезает полностью. На самом деле алюминий возвращается, особенно в тех случаях, когда переход на углепластик оказался запретительным или неэффективным. Но алюминий, который появляется снова, — это не алюминий твоего отца. Например, титановые глины (TiAl) и литий-алюминий (Al-Li), которые существуют с 1970-х годов, только на рубеже веков завоевывают популярность в авиации.

Подобно никелевому сплаву по своим жаростойким свойствам, TiAl сохраняет прочность и коррозионную стойкость при температуре до 600°С (1112°F). Но TiAl легче поддается механической обработке, демонстрируя свойства обрабатываемости, аналогичные альфа-бета-титану, такому как Ti6Al4V. Что еще более важно, TiAl может улучшить отношение тяги к весу в авиационных двигателях, потому что он вдвое меньше никелевых сплавов. Например, как лопатки турбины низкого давления, так и лопатки компрессора высокого давления, традиционно изготавливаемые из плотных суперсплавов на основе никеля, теперь изготавливаются из сплавов на основе TiAl. General Electric была пионером в этой разработке и использует лопатки турбины низкого давления TiAl в своем двигателе GEnx, что является первым крупномасштабным использованием материала в коммерческом реактивном двигателе — в данном случае в Boeing 787 Dreamliner.

Другое повторное внедрение алюминия в аэрокосмическую промышленность можно найти в легком Al-Li, специально разработанном для улучшения свойств алюминия 7050 и 7075. В целом, добавление лития укрепляет алюминий с меньшей плотностью и весом, что является двумя катализаторами эволюции авиационного материала. Высокая прочность алюминиево-литиевых сплавов, низкая плотность, высокая жесткость, устойчивость к повреждениям, коррозионная стойкость и легкость сварки делают их лучшим выбором, чем традиционный алюминий, для изготовления корпусов коммерческих реактивных самолетов. В настоящее время Airbus использует AA2050. Между тем, Alcoa использует AA2090 T83 и 2099 T8E67. Этот сплав также используется в баках с топливом и окислителем космических ракет SpaceX Falcon 9 и широко используется в проектах НАСА по созданию ракет и шаттлов.

Титан 5553 (Ti-5553) — еще один относительно новый металл в авиации, демонстрирующий высокую прочность, малый вес и хорошую коррозионную стойкость. Основные конструкционные компоненты, которые должны быть прочнее и легче, чем использовавшиеся ранее сплавы из нержавеющей стали, являются идеальными точками применения этого титанового сплава. Известный как тройной 5-3, это был материал, который до недавнего времени было чрезвычайно трудно обрабатывать. Были проведены обширные исследования и разработки, чтобы сделать металл пригодным для механической обработки, и тройка 5-3 недавно оказалась очень предсказуемой из-за стабильности обработки, аналогичной более традиционным титановым сплавам, таким как вышеупомянутый Ti6Al4V. Различия в двух материалах требуют использования разных режимов резания для достижения одинаковой стойкости инструмента. Но когда у оператора заданы соответствующие параметры, можно прогнозировать тройное число в 5-3 машины. Ключевым моментом Triples 5-3 является немного более медленная работа и оптимизация траектории инструмента и системы охлаждения для достижения хорошего баланса между сроком службы инструмента и безопасностью.

Некоторым конструкционным компонентам, таким как крепеж, шасси и цилиндры, требуется грубая прочность, а легкость не имеет большого значения. В таких случаях легированная сталь Ferrium S53 обеспечивает механические свойства, равные или лучшие, чем у обычных сверхвысокопрочных сталей, таких как 300M и SAE 4340, с дополнительным преимуществом общей коррозионной стойкости. Это может устранить необходимость в кадмиевом покрытии и последующей соответствующей обработке.

Композиты добились успеха

Композитные материалы также составляют растущий кусок пирога аэрокосмических материалов. Они уменьшают вес и расход топлива, при этом их легко обрабатывать, проектировать, формировать и ремонтировать. Когда-то предназначенные только для легких элементов конструкции или компонентов салона, диапазон аэрокосмических композитов теперь распространяется на действительно функциональные компоненты - обшивки крыльев и фюзеляжа, двигатели и шасси.

Также важно, что композитным элементам можно придавать сложные формы, которые в случае металлических деталей потребуют механической обработки и склеивания. Предварительно формованные композитные компоненты не только легкие и прочные, но и уменьшают количество тяжелых крепежных деталей и соединений, которые являются потенциальными точками отказа, в самолете. Таким образом, композитные материалы помогают стимулировать глобальную тенденцию к сокращению количества компонентов в целых сборках, используя по возможности цельные конструкции.

Дополнительная информация о прецизионных и аэрокосмических компонентах

::Обработка деталей для аэрокосмической промышленности

::Как обрабатывать прецизионные детали?