飞机由数百万个零部件组成。根据配置和设备的不同，空客A350大约有265万个独立零件，而波音787甚至可能拥有多达300万个零部件！组装一架完整的飞机需要四个多月的时间。 

大型客机主要由铝、钛、钢和纤维增强复合材料制成。

铝制结构件等轻型部件通常由实心材料加工而成。这意味着需要去除高达95%的材料。 

制造一架客机所需的人力物力也是惊人的。波音最大的工厂位于美国华盛顿州西雅图附近的埃弗雷特。波音公司在这里占地约415公顷的工厂、生产车间、喷漆车间、道路和滑行道以及办公室雇佣了超过30,000名员工。 

空中客车公司三大基地之一位于德国汉堡，约有14000名员工从事A350 XWB、A320和A330型号的飞机结构组装以及A320的最终组装。飞机的零部件来自世界各地，通过货机、轮船或卡车运往汉堡。 

飞机材料必须满足两个相互矛盾的要求：一方面，它们应该尽可能轻，以减少燃料消耗并提高飞行性能。另一方面，它们必须具有很强的弹性，以承受飞机所承受的巨大力量，特别是在起飞和降落期间。根据根据材料的使用位置和用途（例如机翼或发动机），挑战可分为两类。

挑战1：机械力

飞机部件在起飞、着陆和飞行过程中必须承受极端的力。这些力主要是空气阻力、升力以及发动机推力产生的空气动力。根据飞行速度的不同，这些力可能非常大。湍流也会导致材料受到冲击和振动，而腐蚀会降低强度。简而言之：机械力多种多样，会导致应力、材料疲劳、变形甚至断裂。 

挑战2：热负荷

热应力不仅会影响发动机部件，还会影响其他受热循环影响的部件。例如，在飞机起飞和降落期间，外部温度可能达到+120°C或更高。在飞机内部，温度变化范围在-50°C到+50°C之间，具体取决于高度和负载。空气与飞机之间的摩擦也会产生热量，必须及时散热，防止过热损坏。在选择材料时，必须考虑这些挑战。在减轻重量、稳定性和抗性热、冷和腐蚀。 

铝、钛和合金钢、耐热超合金以及越来越多的所谓“纤维增强复合材料”，例如碳纤维增强塑料（CFRP）。这五种材料组在同时赋予天空巨无霸稳定性和轻量性的方面最为重要。

飞机制造中需要加工的金属比例：

图表：Walter AG

机身框架、门框和窗框、轮辋、机翼肋、机身蒙皮、外壳…像空客A320这样的现代飞机约有60%由铝或铝合金制成。对于外部部件，合金通常镀有纯铝。这是因为纯铝具有高度耐腐蚀性。为了进一步减轻重量，工程师甚至用铝代替铜来制作电线。

大部分飞机部件由铝合金制成。原因如下： 

• 轻质： 铝的密度为2.75 g/cm3，非常轻。这降低了飞机的整体重量，提高了飞行性能和燃油效率。 

  
  

• 稳定： 与铜、镁、锰和锌结合后，相对较软的铝成为高强度合金，用于制造稳定部件。

• 防锈： 铝合金形成一层氧化层，可防止腐蚀—非常适合经常暴露在环境因素下的飞机。

  
  

• 易于加工： 铝合金易于加工和成型。这使得生产复杂形状成为可能。 

• 导电： 良好的导热性有助于冷却。 

航空用铝合金主要来自2xxx、6xxx和7xxx系列。每个系列都有特定的属性，适用于特定的应用： 

• 6xxx系列：6061等合金用途广泛，具有良好的机械性能和耐腐蚀性。它们经常用于不太重要的结构部件和一般应用中

几乎没有任何其他材料比钛更适合用于飞机制造。它的抗拉强度高达 (1380兆帕，)同时具有极强的耐腐蚀性和耐高温性。但最重要的可能是，钛的重量只有钢的一半左右。这使得钛合金可以作为发动机、结构部件或起落架，因此钛合金是首选材料。 

图片：Walter AG

高飞钛—飞机制造的理想材料：

钛合金—兼具硬度和轻质特性：

• Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (Beta C)：这种合金以其高强度和卓越的抗疲劳性而闻名。因此，它更适合用于在压力下需要卓越性能的关键部件。 

  
  

• Ti-6Al-4V (5级): 这是航空航天工业中使用最广泛的钛合金。它具有强度、耐腐蚀性和可焊接性的完美结合。这使得它适用于广泛的应用。 

  
  

• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553): 这种接近β相的钛合金以其高强度和韧性著称。它可用于承受高应力的应用，例如起落架。Ti-5553的抗拉强度和屈服强度比Ti-6Al-4V高约15-20%，非常适合需要优化机械性能的部件。 

图片：Walter AG

钛比其他材料贵很多倍。目前一吨钛的价格为 (截至2024年10月，) 一吨钛的成本约为5万欧元。相比之下，一吨钢的成本约为1000欧元，而同等重量的铝的成本约为5000欧元。 

“超级合金”一词是指适用于极端温度和/或高强度机械负荷的金属材料。超级合金分为三大类：镍基、钴基和铁基。

镍基高温合金在飞机制造中非常重要。这是因为它们具有卓越的耐热性和抗蠕变性，可在高达自身熔点80%左右的温度下使用。 

Inconel 718和Waspaloy—飞机制造中的两种重要材料。

Inconel 718和Waspaloy是高合金镍基合金，具有飞机制造所需的一系列特性。它们具有：

Waspaloy的数值略高，但物有所值。因此，这种材料通常比 Inconel 718更贵。这两种超级合金都用于制造飞机发动机的各种部件，如涡轮叶片、涡轮机匣、涡轮盘和叶盘。 

不锈钢比铝和钛重。尽管如此，它目前仍是飞机制造中不可或缺的材料。这是因为它在抗拉强度和耐热性方面具有卓越的机械性能，非常适合制造机身结构、起落架部件或连接元件等。同时，不锈钢易于获取，且价格远低于钛等材料。 

钢—飞行安全的重要因素：

• 300M 因其高强度和韧性而经常用于航空工业。在商用单通道飞机（如空客A320）中，300M钢经常用于起落架等关键部件。选择这种材料是因为它能够承受起飞、着陆和滑行过程中巨大的压力和应变。 

  
  

• HC40 比300M更坚固、更耐腐蚀。因此，它特别适用于起落架部件，如活塞 (内缸) 和外主起落架缸。 

图片：Walter AG

CFRP的使用(碳纤维增强塑料) 等材料在飞机制造中早已司空见惯。以空客为例：从A300到A350，垂直尾翼现在主要由超轻碳制成，但固定方向舵的支架由钛制成。 

然而，超过一半的飞机组件仍然由金属制成。下一代机型也不太可能发生太大变化。为什么？碳纤维增强塑料的优势显而易见：重量轻、强度高、不易腐蚀只是其中的一部分。这是因为这里使用了热塑性塑料和热固性塑料。

例如，A350的整个外壳由M21E构成，这是一种基于环氧树脂（硬质塑料）的碳纤维增强塑料。总体而言，这些材料都是根据其特性进行安装的：内窗玻璃由丙烯酸玻璃制成，外窗玻璃由聚碳酸酯制成，墙壁和天花板由可能含有玻璃纤维的塑料制成，驾驶舱门则由凯夫拉制成。地板或头顶的隔间由蜂窝材料制成，空客机翼的机头由碳纤维增强塑料制成。

但事实上，CFRP不能也不应该取代铝。一方面，CFRP的抗拉强度更高，比铝更轻、更高效。但与此同时，它也更为昂贵，而且加工难度更大。 

如果你看一下机身部分的生产(例如波音787“梦想飞机”的机身部分，)就会发现即使在这里，不使用金属也仍然有很长的路要走。尽管飞机外壳采用碳纤维复合材料，但平均厚度只有6毫米。只有框架（就像人体的肋骨）支撑着外壳，并通过众多金属部件连接，才能确保结构所需的稳定性和强度。

此外，连接碳纤维复合材料机身部分所需的铆钉数量远远超过金属机身。铝制机身使用的铆钉由铝制成，而梦想飞机使用的铆钉则必须由钛制成。简而言之：重量优势被削弱了。另一个缺点是：制造碳纤维复合材料需要约2500°C的高温。这需要消耗大量能源，因此碳纤维增强材料的使用成本更高。 

一段时间以来，新型铝锂合金已成功用于飞机制造。这些合金比以前的复合材料轻得多。铁铝化合物的生产成本相对较低，也有可能取代发动机部件中昂贵的材料。 

金属部件在可修复性方面具有无可匹敌的优势：例如，与维修车辆碰撞后车门和舱门周围出现的凹痕和裂纹可以轻松修复。仅凭这一点，许多航空公司就偏爱金属材质的中短途飞机。从长远来看，铝、钛、钢和超合金将继续成为飞机制造中不可或缺的材料。为了取代飞机制造中的其他材料，必须积累更多的长期经验，并且碳纤维增强塑料及其加工成本必须比目前大大降低。 

但 昂 贵 的 部 件 除 外 ， 这 些 部 件 的加工率 (在某些情况下，加工率超过90%，)例如飞机舱门的框架。由于成本效益更高，CFRP的生产越来越成熟。 

虽然铝合金被用于飞机制造，尤其是机身和机翼，但钛合金（如TiAl6V4或Ti5553）则被用于需要极高刚性的地方，例如起落架组件 (所谓的“支柱”)结构组件或起落架导向装置。 

由于钛合金的硬度高且热传导性差，因此对切削刀具的要求很高，尤其是加工可靠性方面。切削刃磨损快且切削参数相对较低，使得钛合金零件的加工非常耗时。成功缩短每个零件加工时间的公司在这方面具有明显的竞争优势。 

钛合金部件的加工时间几乎有一半用于粗加工。铣刀和加工策略是缩短加工时间的中心出发点。 

使用专为钛合金部件设计的特殊刀具， (如瓦尔特BLAXX M3255黑风侠铣刀，) 可显著缩短加工时间。例如，铣刀本体和可转位刀片的创新几何形状可确保最大数量的刀齿始终与材料啮合。轻快的切削可转位刀片几何形状可实现积极的切削行为，从而缩短加工时间并提高材料去除率。 

图片：Walter AG

加工钛合金时，热管理是个问题。由于钛合金的热传导率低，需要优化切削刃的冷却液供应。适当的切屑空间可确保即使在高速切削时也能可靠地排屑。每个可转位刀片有四个或两个切削刃。这样可以发挥每个刀片的最大切削性能。可转位刀片的切向排列 (如M3255) 能够加工锻造部件的外围区域 (锻造黑皮) 对刀具的切削刃提出了极高的要求。 

图片：Walter AG

HSRA材料的硬质合金铣刀切削速度约为50米/分钟。另一方面，陶瓷铣刀的切削速度可达1000米/分钟，即快20倍。 

由镍基合金制成的经典部件是所谓的“叶盘”， (最初是“叶片盘”)，即飞机发动机的叶片。顾名思义，这些旋转部件由一个圆盘和许多叶片组成。叶片之间的余量使用硬质合金铣刀进行粗加工。然而，使用传统铣刀加工这些余量可能需要长达30分钟的时间。 

而具有高进给几何形状的陶瓷铣刀只需10分钟即可加工完相同的空间。在硬度为44HRC、抗拉强度为1400 N/mm²的耐热镍基合金上 ，进给速度可达9500mm/min—这一速度在铝加工中更为常见。这些数值通常用于铝加工。