航空航天零部件材料开发，连续轻量化

航空零部件行业背景:

航空工业一直具备严格的质量体系认证和高度复杂的集成技术。世界各国都把航空工业作为衡量国家工业技术能力的一个指标。未来20年，航空运输业年均增长4.7%，这将为航空制造业带来商机。因此，预计未来二十年全球新客机需求约为4.2万架，市场价值6.3万亿美元，其中亚太地区对新客机的需求最为强劲。在经济部相关单位的推动和指导下，台湾航空业建立了相关民航产品的供应链体系，并与世界知名航空制造企业建立了合作伙伴关系。政府推进国有飞机国产化、自主先进教练机国产化、后续军用飞机国产化的计划，使航空工业成为发展的亮点。

从飞机零部件成本来看，发动机占比约为27%，仅低于机身的38%。世界上能够完全自主研制先进航空发动机的国家仅限于美、英、法、俄等国。航空发动机按其驱动原理分为涡扇发动机、涡螺旋桨发动机和涡轴发动机，分别用于喷气式飞机、螺旋桨发动机和直升机。涡扇发动机具有效率高、噪声低、体积小、设计可靠性高等特点。从飞机零部件成本来看，发动机占比约27%，仅比机身低38%。波音757的发动机主要由钛和镍制成。如果没有这些材料，喷气发动机将无法在所需的条件下运行。而钛合金、镍基合金等材料在高温下具有良好的机械性能，因此材料切削力大，散热慢，刀具温度高，切削过程中材料加工硬化。因此，很难高效地进行切削，特别是对于具有复杂扭转面和薄板特征的高温合金叶轮，技术难度更深，因此相关航空航天行业对其切削工艺技术有着迫切的需求。

航空零部件的材料开发:

为了使飞机轻量化，机身材料中特别使用了“硬铝”。硬铝是由铝、铜、镁、锰和其他物质混合而成。它的特点是重量比铁轻，性质结实结实。这是一种非常适合作为飞机材料的合金。至于产生高温高压的发动机内部，也采用了镁合金、钛合金、镍合金等材料。

随着航天技术的不断进步，新的制造材料开始出现，复合材料就是其中之一。这种复合材料是纤维材料和塑化产品的结合，用于替代旧的铝合金材料。由于复合材料具有优异的弹性和耐久性，且重量较轻，因此多用于飞机起落架，以及襟翼和飞机机翼的水平和垂直尾部。

自20世纪70年代以来，航空工业一直在使用复合材料。自1985年以来，它被用于制造机尾，如空客A310宽体客机。然而，直到最近十年，复合材料才取得突破，并广泛应用于波音787梦幻客机和空客A350。这两架飞机的机身几乎一半是由碳纤维塑料和其他复合材料制成的。更轻的碳纤维取代了大多数金属部件，节省了燃料费用。金属会有腐蚀、疲劳等问题，使用一段时间后需要更换。复合材料不会有这样的问题，可以延长飞机的使用寿命。

各类航空零部件材料介绍:

以波音757的涡扇发动机为例，其材料包括钛、镍、铬、钴、铝、铌、钽等有色金属及合金。如果没有这些材料，喷气发动机将无法在所需的条件和动能下运行。

钛合金(a型、a + b型、b型)具有优异的强密比和耐腐蚀性能，还因其重量轻、耐腐蚀、耐高温、疲劳强度高、热膨胀系数低、无磁性、无毒等金属材料，并可通过阳极氧化产生多种颜色，因此在航空航天工业和日常生活中得到广泛应用。但由于钛合金本身的物理性质，如强度高、不易切削、易产生切削颤振、导热系数低、热膨胀系数小，导致切削温度高、加工时温度高，化学反应性钛合金与刀具材料发生化学反应，导致刀具磨损，影响刀具寿命。

除了钛合金在航空航天工业、汽车、体育器材行业的应用外，新兴医疗行业近年来发展迅速，如医用种植体、骨钉、骨板的加工生产、人工牙根的生产等。材料主要有SUS316LVM和Ti- 6al - 4v ELI和Pure Ti。主要原因是该材料与人体有良好的亲和力，不易产生化学变化。特别是钛合金目前的发展趋势是日益增加的。由于该材料被定义为难切削材料，因此对其切削参数有迫切的需求。期望找到满足切割工艺的最佳条件因子和水平。铣削钛及钛合金时，应采用爬坡铣削。建议使用直径小、齿数多的铣刀，这样可以减少振动。通常铣削钛的铣刀齿间隙角比普通铣刀大30-50%。对于铣削来说，正确选择润滑冷却剂是非常重要的。 Generally, it is suitable to use lubricating coolant that is soluble in water, and it is better to add it by spraying.

高温合金可分为四种类型:铁基、铁镍基、镍基和钴基。其中，镍基高温合金含镍量超过50%，工作温度可达1000℃。它能获得理想的强度和耐热性，因此在航空发动机中得到广泛应用。铁基高温合金是以铁为基础的，适用于工作温度较低的零件。铁镍基高温合金的镍含量为30% ~ 40%。这些合金比镍基和钴基合金具有更高的抗拉强度，适用于比铁基合金略高的工作温度环境。钴基高温合金以钴为基材，约占45%-60%，并添加Cr、Ni、C、W、Mo、Fe等以提高耐热性。

Inconel 718镍基高温合金在700℃高温下仍具有良好的机械强度、疲劳极限和高温耐腐蚀性能，因此被广泛应用于高温、高负荷、耐腐蚀环境中。但因铬镍718镍基高温合金导热系数和比热值小，高温下力学性能好，材料切削力大，切削时散热慢，导致刀具温度高。在切削镍基高温合金时，容易出现切屑和刀具的堆积边缘现象。此外，Inconel 718镍基高温合金基体为沃斯特铁型，其中Nb含量高于其他合金，易析出坚硬的Ni3Nb，导致切削过程中加工硬化。使工具磨损得很快。难切削材料在航空航天零部件上的应用以叶轮为例。它是现代航空发动机的重要而新颖的部件之一。它首先应用于直升机的小型发动机。在20世纪80年代，它被用于军用飞机发动机，并迅速被商用涡扇和涡轮螺旋桨飞机采用。

优势:

• 轻量化:由于使用较少的叶片，重量一般可减少20-30%。
• 叶根与圆盘是一体的。
• 更高的气动效率。
• 提高使用寿命，不会因腐蚀而影响接头的疲劳强度。然而，BLISK也有其不足之处，主要是其制造和维修，复杂的扭转表面和难以切割的材料难以加工和昂贵。而为了保证其可靠性，严格的质量控制是一个必要的过程。

一般来说，航空发动机和工业燃气轮机的压气机叶轮的结构是独立的叶片以焊接或锁紧的方式定位在圆盘上。BLISK也被称为集成叶片转子(IBR)，这意味着不再需要叶根几何形状和定位槽，圆盘转子和叶片是一体设计的。集成叶轮压气机和BLISK制造技术在当今发动机结构中的发展现状，以及未来技术在BLISK制造中的应用，以及在功能、质量、成本等方面的挑战。双材料BLISK的制造可行性正在开发中，用于高应力涡轮部分。此外，在BLISK的设计中，还必须考虑到未来维修的技术和方法。