항공 우주 부품 및 정밀 항공기 부품 시장

시대가 바뀌었다. 오늘날 건설 중인 일반적인 제트기는 20%의 순수 알루미늄으로 구성됩니다. 패널 및 미적 인테리어와 같은 중요하지 않은 대부분의 건축 자재는 이제 훨씬 더 가벼운 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)와 벌집형 재료로 구성됩니다. 한편, 엔진 부품과 정밀 항공기 부품의 핵심 부품의 경우 더 나은 연비를 위해 더 낮은 무게와 더 높은 온도 저항을 동시에 강조하여 새로운 또는 이전에는 비실용적이었던 기계 금속을 항공우주 재료 믹스에 도입했습니다.

산업 분야에서 독보적인 항공우주

항공우주 제조는 다른 대량 생산 부문, 특히 항공기 엔진 생산 분야에서 독보적입니다. 엔진은 비행기에서 가장 복잡한 구성 요소이며 가장 개별적인 구성 요소를 포함하며 궁극적으로 연료 소비를 결정합니다. 최대 3,800°F(2,100°C)의 온도 잠재력을 가진 린 믹스 엔진의 출현으로 이러한 신소재에 대한 수요가 증가했습니다. 현재 초합금의 녹는점이 약 1,850°C(3,360°F)인 점을 감안할 때 더 높은 온도를 견딜 수 있는 재료를 찾는 것이 어렵습니다.

이러한 온도 요구 사항을 충족하기 위해 현재 티타늄 합금, 니켈 합금 및 세라믹과 같은 일부 비금속 복합 재료를 포함하는 HRSA(내열 초합금)가 재료 공식에 도입되고 있습니다. 이러한 재료는 기존 알루미늄보다 가공하기가 더 어려운 것으로 보이며, 이는 역사적으로 공구 수명이 단축되고 공정 안전성이 떨어집니다.

항공우주 부품을 가공할 때도 공정 위험이 높습니다. 35,000피트 순항 고도에서는 오차 한계가 존재하지 않기 때문에 항공 우주의 허용 오차는 거의 다른 산업보다 더 정확합니다. 이 수준의 정밀도에는 시간이 걸립니다. 시간 투자를 고려할 때 각 구성 요소에 더 긴 가공 시간이 필요하고 부품당 더 많은 시간이 스크랩을 상대적으로 비싸게 만듭니다. 또한 다른 산업에 비해 항공우주 부품 주문은 종종 단기 수량과 긴 리드 타임으로 구성되어 생산성, 처리량 및 수익성을 위한 일정을 잡기가 어렵습니다.

고온, 압력 및 부식 요구 사항이 있는 석유 및 가스를 제외한 다른 산업과 달리 항공 우주 재료는 구성 요소 설계에 영향을 미칩니다. DFM(Design for Manufacturability)은 구성 요소 기능과 제조 요구 사항을 모두 고려하여 균형 잡힌 접근 방식으로 구성 요소를 설계하는 엔지니어링 기술입니다. 이 접근 방식은 부품이 특정 하중과 온도 저항을 견뎌야 하고 일부 재료는 그 정도만 견딜 수 있기 때문에 항공우주 부품 설계와 항공우주 부품 및 정밀 항공기 부품 설계에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 재료와 구성 요소의 디자인은 실제로 서로를 움직이는 것이지, 서로를 움직이는 것이 아닙니다. 재료와 디자인의 이러한 관계는 차세대 재료를 연구할 때 특히 중요합니다. 이러한 모든 이유로 항공 제조업체는 서로 다릅니다. 재료의 범위가 독특하다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

신소재 환경

표준 항공 알루미늄(6061, 7050 및 7075)과 전통적인 항공 금속(니켈 718, 티타늄 6Al4V 및 스테인리스 15-5PH)은 여전히 ​​항공에 사용됩니다. 그러나 이러한 금속은 이제 비용과 효율성을 개선하도록 설계된 새로운 합금에 영역을 제공하고 있습니다. 분명히, 이러한 새로운 금속은 항상 새로운 것은 아니며 일부는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 오히려 기계 도구, 툴링 기술 및 웨이퍼 코팅이 기계 가공이 어려운 합금을 처리할 수 있을 정도로 발전했기 때문에 실제 제조 응용 분야에 새로운 것입니다. .

항공기 내 알루미늄의 양이 감소하고 있지만 그 사용이 완전히 사라지는 것은 아닙니다. 사실, 알루미늄은 특히 CFRP로의 전환이 금지되거나 비효율적인 것으로 판명된 경우 다시 돌아옵니다. 그러나 다시 나타나는 알루미늄은 아버지의 알루미늄이 아닙니다. 예를 들어, 1970년대부터 존재해 온 티타늄 클레이(TiAl)와 리튬 알루미늄(Al-Li)은 세기의 전환기 이후로 항공 분야에서 입지를 굳히고 있습니다.

내열성이 있는 니켈 합금과 마찬가지로 TiAl은 최대 600°C(1,112°F)의 온도에서 강도와 내식성을 유지합니다. 그러나 TiAl은 Ti6Al4V와 같은 알파-베타 티타늄과 유사한 가공 특성을 보여 기계 가공이 더 쉽습니다. 더 중요한 것은 TiAl은 니켈 합금의 절반 크기이기 때문에 항공기 엔진에서 추력 대 중량 비율을 향상시킬 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 전통적으로 고밀도 니켈 기반 초합금으로 만들어진 저압 터빈 블레이드와 고압 압축기 블레이드는 이제 TiAl 기반 합금으로 가공됩니다. General Electric은 이 개발의 선구자이며 상업용 제트 엔진(이 경우 Boeing 787 Dreamliner)에서 처음으로 이 소재를 대규모로 사용한 GEnx 엔진에 TiAl 저압 터빈 블레이드를 사용합니다.

항공 우주 산업에 알루미늄을 다시 도입한 것은 7050 및 7075 알루미늄의 특성을 개선하도록 특별히 설계된 경량 Al-Li에서 찾을 수 있습니다. 전반적으로 리튬의 첨가는 항공 재료의 진화를 위한 두 가지 촉매인 낮은 밀도와 무게로 알루미늄을 강화합니다. Al-Li 합금의 고강도, 저밀도, 고강성, 손상 내성, 내식성 및 용접 친화적인 특성으로 인해 상업용 제트 기체의 기존 알루미늄보다 더 나은 선택입니다. 현재 에어버스는 AA2050을 사용합니다. 한편, Alcoa는 AA2090 T83과 2099 T8E67을 사용합니다. 이 합금은 SpaceX Falcon 9 우주 로켓의 연료 및 산화제 탱크에서도 발견되며 NASA의 로켓 및 셔틀 프로젝트에 광범위하게 사용됩니다.

티타늄 5553(Ti-5553)은 항공 분야에서 비교적 새로운 또 다른 금속으로 고강도, 경량 및 우수한 내식성을 보여줍니다. 이전에 사용된 스테인리스 스틸 합금보다 더 강하고 가벼워야 하는 주요 구조 구성 요소는 이 티타늄 합금의 이상적인 적용 지점입니다. 트리플 5-3으로 알려진 이 소재는 최근까지 가공하기가 극히 어려운 소재였습니다. 금속을 가공에 실용적으로 만들기 위해 광범위한 연구 개발이 수행되었으며, 최근에 앞서 언급한 Ti6Al4V와 같은 보다 전통적인 티타늄 합금과 유사한 가공 일관성으로 인해 triple 5-3이 매우 예측 가능하다는 것이 입증되었습니다. 두 재료의 차이로 인해 유사한 공구 수명을 달성하기 위해 다른 절삭 조건을 사용해야 합니다. 그러나 작업자가 적절한 매개변수를 설정하면 5-3대의 기계를 세 배로 예측할 수 있습니다. Triples 5-3의 핵심은 공구 수명과 안전 사이의 균형을 잘 잡기 위해 약간 느린 작동과 공구 경로 및 냉각 시스템의 최적화입니다.

패스너, 섀시 및 실린더와 같은 특정 구조적 구성 요소는 원시 강도가 필요하며 가벼움은 덜 중요합니다. 이러한 경우 Ferrium S53 합금강은 300M 및 SAE 4340과 같은 기존의 초고장력강과 같거나 더 나은 기계적 특성을 제공하며 전반적인 내식성의 이점이 추가되었습니다. 이를 통해 카드뮴 코팅 및 후속 관련 처리의 필요성을 제거할 수 있습니다.

복합체의 전성기

복합 재료는 또한 항공 우주 재료 파이의 성장하는 덩어리를 구성하고 있습니다. 무게를 줄이고 연료 소비를 줄이면서 취급, 설계, 모양 및 수리가 용이합니다. 한때 경량 구조 부재 또는 객실 구성 요소로만 고려되었던 항공우주 복합 재료의 범위는 이제 날개 및 동체 스킨, 엔진 및 착륙 장치와 같은 진정한 기능 구성 요소로 확장됩니다.

또한 중요한 것은 복합 요소를 금속 부품의 경우 기계가공 및 접합이 필요한 복잡한 모양으로 형성할 수 있다는 것입니다. 사전 성형된 복합 부품은 가볍고 강할 뿐만 아니라 비행기에서 잠재적인 고장 지점인 무거운 패스너와 조인트의 수를 줄여줍니다. 이러한 방식으로 복합 재료는 가능한 한 일체형 디자인을 활용하여 전체 어셈블리의 구성 요소 수를 줄이는 세계적인 추세를 주도하는 데 도움이 됩니다.

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