航空航天零部件材料开发，持续轻量化

航空航天零部件行业背景:

航空工业一直配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一个国家工业技术能力的一个指标。未来20年，航空运输业的年均增长率将达到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对新客机的需求约为4.2万架，市场价值达6.3万亿美元，其中亚太地区对新飞机的需求最为强劲。在经济部相关单位的推动和指导下，台湾航空工业建立了相关民用航空产品的供应链体系，并与世界知名航空航天制造商建立了合作伙伴关系。政府计划推动国有飞机、自制高级教练机和后续军用飞机的国产化，这使得航空工业成为发展的亮点。

在飞机零部件的成本中，发动机约占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。按照驱动原理，航空发动机包括涡扇发动机、涡桨发动机和涡轴发动机，分别用于喷气式飞机、螺旋桨飞机和直升机。涡扇发动机具有效率高、噪音低、体积小、设计可靠等特点。在飞机零部件成本方面，发动机约占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要求的条件下运行。但钛合金、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，切削时材料加工硬化。因此，难以高效地进行切削，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，因此相关航空航天工业对其切削加工技术有着迫切的需求。

航空零部件材料的发展:

为了使飞机轻量化，“硬铝”特别用于机身材料。硬铝是由铝、铜、镁、锰和其他物质的混合物制成的。它的特点是重量比铁轻，性能强、坚固。这是一种非常适合做飞机材料的合金。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与塑化制品的结合，用于替代旧的铝合金材料。由于复合材料具有良好的弹性和耐久性，而且重量较轻，因此主要用于飞机起落架，以及襟翼和飞机机翼的水平和垂直尾翼。

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，它一直被用于制造机尾，例如空客A310宽体客机。然而，直到过去十年，复合材料才取得突破，并广泛应用于波音787梦想飞机和空客A350上。这两架飞机的机身几乎有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部分金属部件，节省了燃料费用。金属会出现腐蚀、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，可以延长飞机的寿命。

各类航空零部件材料介绍:

以波音757涡扇发动机为例，其材料包括有色金属和合金:钛、镍、铬、钴、铝、铌、钽。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)具有优异的强度密度比和耐腐蚀性，而且由于其重量轻、耐腐蚀、耐高温、疲劳强度高、热膨胀系数低、无磁性、无毒的金属材料，并且通过阳极氧化可以产生多种颜色，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、切削困难、易产生切削颤振、导热系数低、热膨胀系数小等，导致加工时切削温度高、温度高，化学反应性钛合金与刀具材料发生化学反应，造成刀具磨损，影响刀具寿命。

钛合金除在航空航天工业、车辆、运动器材行业的应用外，近年来新兴医疗行业发展迅速，如医用种植体、骨钉、骨板的加工生产、人工牙根的生产等。材料主要为SUS316LVM和Ti- 6al - 4v ELI和Pure Ti。主要原因是该材料与人体有很好的亲和力，不易产生化学变化。特别是目前钛合金的发展趋势日益增多。由于该材料被定义为难切削材料，因此迫切需要其切削参数。期望找到满足切削过程的最佳条件因素和水平。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，铣削钛用铣刀齿的间隙角比普通铣刀大30-50%。对于铣削来说，正确选择润滑冷却液是非常重要的。 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:铁基、铁镍基、镍基和钴基。其中，镍基高温合金含镍量在50%以上，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。铁基高温合金以铁为基础，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%。这些合金具有比镍基和钴基合金更高的抗拉强度，适用于比铁基合金稍高的工作温度环境。钴基高温合金以钴为基体，约占45%-60%，并加入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、疲劳极限和耐高温腐蚀性能，因此广泛应用于高温、高负荷、耐腐蚀环境中。然而，由于Inconel 718镍基高温合金导热系数和比热值小，高温下力学性能好，材料在切削时切削力大，散热慢，导致刀具温度高。切削镍基高温合金时，容易出现切屑和刀具堆积边现象。此外，Inconel 718镍基高温合金的基体为沃斯特铁型，其中Nb含量高于其他合金，易析出坚硬的Ni3Nb，导致切削时加工硬化。使工具磨损快。难切削材料在航空航天零部件中的应用以叶轮为例。它是现代航空发动机的重要而新颖的部件之一。它最初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，并迅速被商用涡轮风扇和涡轮螺旋桨飞机采用。

优势:

• 重量轻:由于使用较少的叶片，重量一般可减轻20-30%。
• 叶片根部与圆盘一体。
• 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，主要在于其制造和维修，复杂的扭转面和难以切割的材料难以加工和昂贵。而为了确保其可靠性，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叶片以焊接或锁定的方式定位在盘上。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，并且盘式转子和叶片被设计为一体。综合叶轮压气机和BLISK制造技术在当今发动机结构中的发展现状，以及未来BLISK制造技术在功能、质量和成本方面的应用。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，需要考虑到未来修复的技术和方法。