Рыночные тренды в аэрокосмической промышленности и точных авиационных компонентах

Времена изменились. Типичный реактивный двигатель, строящийся сегодня, состоит всего из 20% чистого алюминия. Большинство некритических конструкционных материалов — панелей и эстетических интерьеров — теперь состоят из еще более легких углеродно-волокнисто-полимерных композитов (CFRP) и сотовых материалов. В то же время, для деталей двигателя и критических компонентов точных авиационных компонентов, есть одновременный акцент на более низком весе и более высокой термостойкости для лучшей топливной эффективности, вводя новые или ранее непрактичные для обработки металлы в аэрокосмическую материальную смесь.

Аэрокосмическая промышленность уникальна среди отраслей

Аэрокосмическое производство уникально среди других секторов массового производства, особенно в производстве авиадвигателей. Двигатель — самый сложный компонент самолета, он содержит больше всего индивидуальных компонентов и в конечном счете определяет расход топлива. Появление двигателей с бедной смесью с температурным потенциалом до 3800 °F (2100 °C) помогло увеличить спрос на эти новые материалы. Учитывая, что текущие сверхсплавы имеют температуру плавления около 1850 °C (3360 °F), поиск материалов, способных выдерживать более высокие температуры, становится вызовом.

Для удовлетворения этих температурных требований, жаропрочные никелевые сплавы (HRSA) теперь вводятся в материальное уравнение, включая титановые сплавы, никелевые сплавы и некоторые неметаллические композитные материалы, такие как керамика. Эти материалы кажутся более трудными для обработки, чем традиционный алюминий, что исторически означает более короткий срок службы инструмента и меньшую технологическую безопасность.

Также есть высокий технологический риск в обработке аэрокосмических деталей. Поскольку допуски на погрешность несущественны на крейсерской высоте 35 000 футов, допуски в аэрокосмике точнее, чем в почти любой другой отрасли. Этот уровень точности требует времени. Более длительное время обработки требуется для каждого компонента, и больше времени на деталь делает брак относительно дорогим, если учитывать инвестиции во времени. Также, по сравнению с другими отраслями, заказы аэрокосмических компонентов часто состоят из мелких партий и долгих сроков поставки, делая планирование для производительности, пропускной способности и рентабельности трудным.

В отличие от любой другой отрасли, кроме нефти и газа, которая также имеет высокие температурные, давления и коррозионные требования, аэрокосмические материалы сами влияют на дизайн компонентов. Проектирование для производственности (DFM) — это инженерное искусство проектирования компонентов с сбалансированным подходом, учитывающим как функцию компонента, так и его производственные требования. Этот подход применяется все больше в дизайне аэрокосмических компонентов и точных авиационных компонентов, так как их компоненты должны выдерживать определенные нагрузки и термостойкость, и некоторые материалы могут удерживать только столько. Дизайны материалов и компонентов действительно движут друг друга, а не одно за другим. Эта связь между материалом и дизайном особенно важна при изучении материалов следующего поколения. По всем этим причинам авиационные производители отличаются друг от друга. Неудивительно, что их диапазон материалов уникален.

Новый материальный ландшафт

Стандартный авиационный алюминий — 6061, 7050 и 7075 — и традиционные авиационные металлы — никель 718, титан 6Al4V и нержавейка 15-5PH — все еще используются в авиации. Однако эти металлы теперь уступают место новым сплавам, разработанным для улучшения стоимости и эффективности. Чтобы быть ясным, эти новые металлы не всегда новые, некоторые существуют десятилетия. Скорее, они новые для практических производственных применений, так как станки, оснастка и покрытия пластин достаточно продвинуты, чтобы справляться с трудноперерабатываемыми сплавами.

Хотя количество алюминия в авиации снижается, его использование не полностью исчезает. На самом деле, алюминий возвращается, особенно в случаях, где переход к CFRP оказался запретительным или неэффективным. Но алюминий, который возвращается, не алюминий вашего отца. Например, титановые алюминиды (TiAl) и литий-алюминий (Al-Li), существовавшие с 1970-х, набирают популярность в авиации только с начала века.

Как никелевый сплав в своих жаропрочных свойствах, TiAl сохраняет прочность и коррозионную устойчивость при температурах до 600 °C (1112 °F). Но TiAl легче обрабатывается, показывая похожие свойства обрабатываемости, как альфа-бета титан, такие как Ti6Al4V. Что более важно, TiAl может улучшить отношение тяги к весу в авиадвигателях, потому что он в два раза легче никелевых сплавов. Например, как низко압축ные лопатки турбины, так и высокодавления компрессорные лопатки, традиционно сделанные из плотных никелевых сверхсплавов, теперь обрабатываются из сплавов на базе TiAl. General Electric был пионером в этом развитии и использует низко압축ные лопатки турбины TiAl в своем двигателе GEnx, первое крупномасштабное использование материала в коммерческом реактивном двигателе — в данном случае Boeing 787 Dreamliner.

Еще одно возвращение алюминия в аэрокосмическую промышленность можно найти в легком Al-Li, специально разработанном для улучшения свойств алюминия 7050 и 7075. В целом, добавление лития усиливает алюминий с более низкой плотностью и весом, двумя катализаторами эволюции авиационного материала. Высокая прочность сплавов Al-Li, низкая плотность, высокая жесткость, толерантность к повреждениям, коррозионная устойчивость и свариваемая природа делают его лучшим выбором, чем традиционный алюминий в фюзеляжах коммерческих реактивных самолетов. В настоящее время Airbus использует AA2050. Тем временем Alcoa использует AA2090 T83 и 2099 T8E67. Сплав также находится в топливных и окислительных баках космических ракет SpaceX Falcon 9 и широко используется в ракетных и челночных проектах NASA.

Титан 5553 (Ti-5553) — еще один относительно новый металл в авиации, показывающий высокую прочность, легкий вес и хорошую коррозионную устойчивость. Основные структурные компоненты, которые должны быть сильнее и легче нержавеющих сталей, использованных ранее, — идеальные точки применения для этого титанового сплава. Известный как тройной 5-3, это был материал, который был экстремально трудно обрабатывать — до недавнего времени. Обширные исследования и разработки были проведены, чтобы сделать металл практичным для обработки, и тройной 5-3 недавно доказал, что он очень предсказуем из-за согласованности обработки, похожей на более традиционные титановые сплавы, такие как упомянутый выше Ti6Al4V. Различия в двух материалах требуют использования разных режущих данных для достижения похожего срока службы инструмента. Но когда оператор имеет соответствующие параметры, тройной номер 5-3 станки могут быть предсказаны. Ключ с Тройными 5-3 — немного более медленная операция и оптимизация траектории инструмента и системы охлаждения для достижения хорошего баланса между сроком службы инструмента и безопасностью.

Определенные структурные компоненты, такие как крепежи, шасси и цилиндры, требуют сырой прочности, и легкость менее приоритетна. В таких случаях сплав стали Ferrium S53 обеспечивает механические свойства, равные или лучшие, чем у традиционных ультравысокопрочных сталей, таких как 300M и SAE 4340, с дополнительным преимуществом общей коррозионной устойчивости. Это может устранить необходимость в кадмиевом покрытии и последующей связанной обработке.

Композиты набирают обороты

Композитные материалы также составляют растущую долю аэрокосмического материального пирога. Они снижают вес и расход топлива, будучи легкими в обращении, проектировании, формировании и ремонте. Ранее считавшиеся только для легких структурных элементов или компонентов кабин, диапазон аэрокосмических композитов теперь расширяется до по-настоящему функциональных компонентов — обшивок крыльев и фюзеляжей, двигателей и шасси.

Также важно, композитные элементы могут формироваться в сложные формы, которые потребовали бы обработки и склеивания в случае металлических деталей. Предварительно сформированные композитные компоненты не только легкие и прочные, но и уменьшают количество тяжелых крепежей и стыков — которые являются потенциальными точками отказа — на самолете. Таким образом, композитные материалы помогают движению глобального тренда сокращения количества компонентов во всей сборке, используя одно-кусковые дизайны везде, где возможно.

Больше информации о точных компонентах и аэрокосмических компонентах

:: Обработка деталей для аэрокосмической промышленности

:: Как обрабатывать точные детали?