2. 大型民間旅客機の構造材料比率これらのボーイング社及びエアバス社の主要旅客機の構造材料の使用比率を図 2に示すこの図は機体の構造材料を示すものでエンジン電装品 ( レーダ通信機器 ) や内装品 ( 座席ギャレーラヴァトリィ ) は含まないまずボーイング社の場合 747 型機ではア

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ただきよいんそん
5 years ago
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輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦航空機におけるアルミニウム合金の利用の概況と今後一般社団法人中部航空宇宙産業技術センター技術情報部部長中沢隆吉中菱エンジニアリング株式会社大江事業部航空材料試験室伊原木幹成ング社とヨーロッパエアバス社の２社が製造し１民間旅客機の開発実績ておりこれら２社の主要な旅客機の開発の状況第２次世界大戦は

1 輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦航空機におけるアルミニウム合金の利用の概況と今後一般社団法人中部航空宇宙産業技術センター技術情報部部長中沢隆吉中菱エンジニアリング株式会社大江事業部航空材料試験室伊原木幹成ング社とヨーロッパエアバス社の２社が製造し１民間旅客機の開発実績ておりこれら２社の主要な旅客機の開発の状況第２次世界大戦は著しい航空機の発達を促しを図１に示す 1968年にボーイング社747型機がたその結果戦争終了後は船よりも遥かに早い就航を始めて以来 1982年に767型機が就航し速度の大型民間旅客機による人の移動が活発に行 1995年に777型機が就航したここまでが20世紀われるようになった当初はレシプロエンジン搭の設計でありその後21世紀の設計機体として載のプロペラ機であった旅客機も軍用機の後を追 2012年に787型機が就航したこの間派生機をうようにガスタービンエンジン搭載のジェット除きほぼ15年間隔で新型機を開発している一機が開発されより高速化され 20世紀後半は大方後発のエアバス社は 1974年に最初の旅客機型民間旅客機が大洋を横断する長距離旅行の交通 A300が就航を始めその後A310 A320 手段として定着した A330 A340と20世紀中に５機種の新設計機体をここでは民間ジェット旅客機として大量輸送開発し短い期間に多くの機種が就航している時代の幕を切ったジャンボジェットの愛称で親更に 21世紀になりボーイング社ジャンボしまれている米国ボーイング社747型機の就航かジェット機を上回る大型機A380を就航させら今日までの大型民間旅客機の開発を振り返り 2015年には21世紀になって２機種目の新設計機体それらの構造材料の移り変わりを確認する現となるA350型機を就航させようとして 2013年在 100席以上の大型民間旅客機は米国ボーイ６月には初飛行に成功している運航開始年図１大型民間旅客機の開発状況1 J FA 2014 JANUARY No.45 17

2. 大型民間旅客機の構造材料比率これらのボーイング社及びエアバス社の主要旅客機の構造材料の使用比率を図 2に示すこの図は機体の構造材料を示すものでエンジン電装品 ( レーダ通信機器 ) や内装品 ( 座席ギャレーラヴァトリィ ) は含まないまずボーイング社の場合 747 型機ではアルミニウム合金が全体の81% を占めており最も使用されており続いて鉄鋼材料の13%

2 2. 大型民間旅客機の構造材料比率これらのボーイング社及びエアバス社の主要旅客機の構造材料の使用比率を図 2に示すこの図は機体の構造材料を示すものでエンジン電装品 ( レーダ通信機器 ) や内装品 ( 座席ギャレーラヴァトリィ ) は含まないまずボーイング社の場合 747 型機ではアルミニウム合金が全体の81% を占めており最も使用されており続いて鉄鋼材料の13% チタン合金の4% でありこれら3 種類の金属材料で98% を占めており金属材料でできていると言っても過言ではない ( 但し旅客機は決して鉄の箱ではなく明らかにアルミニウムの箱と言える ) 次の767 型機においてもその状況はあまり変化ないが 777 型機の場合アルミニウム合金は最も多く使用されてはいるものの70% と減少し金属材料全体では88% に減少している一方複合材料は11% と二桁の割合に増加している 21 世紀に設計された787 型機においてはアルミニウム合金は金属材料の中では多いがその割合は20% と急減しており 2 番目に多い金属材料は鉄鋼材料を逆転してチタン合金が15% であり鉄鋼材料は 10% であり金属材料全体では45% と構造材料の半分にも満たなくなっているそれに対して複合材料は50% に急増しており金属材料を逆転して構造材料全体で最も多量に使用されており構造材料の比率が急変したことが分かるエアバス社の場合 A320 型機は1988 年就航でありボーイング社の767 型機と777 型機の就航の中間に位置しているこの機体では金属材料全体で83% を占めているが複合材料も15% と既に二桁の割合を占めている 21 世紀に入って就航したA380 型機の場合金属材料は全体の71% と更に金属材料の割合が減少しており複合材料は 22% と2 割を超えている更に2013 年に初飛行に成功したA350 型機はアルミニウム合金が 20% チタン合金が14% 鉄鋼材料が7% で金属材料は全体の構造材料の41% に減少している一方複合材料は52% でありボーイング社 787 型機と同様に金属を逆転している元々エアバス社の機体は複合材料を積極的に使用していたが新設計機になる度に着実に増加し A350 型機では金属材料を抜いて最も使用される構造材料に成長した図 3に20 世紀中に設計された金属材料が主体の 2 18 JFA 2014 JANUARY No.45

輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦大型旅客機の胴体パネルの構造例を示す通常トリンガクリップと呼ばれるＴ断面の小物部品で胴体は複数のパネルに分割され円筒状に組み立てストリンガと結合されるこれらの部品は全てアられている夫々のパネルは大きな１枚の外板にルミニウム合金でできており外板は疲労特性に機軸方向にある間隔を持って平行に縦通材スト優れる2024系統の合金が使用され

3 輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦大型旅客機の胴体パネルの構造例を示す通常トリンガクリップと呼ばれるＴ断面の小物部品で胴体は複数のパネルに分割され円筒状に組み立てストリンガと結合されるこれらの部品は全てアられている夫々のパネルは大きな１枚の外板にルミニウム合金でできており外板は疲労特性に機軸方向にある間隔を持って平行に縦通材スト優れる2024系統の合金が使用され他の４つの部リンガが直接取り付けられその上に窓の間隔品は静強度が高い7075合金を中心とした7000番台を持って円周方向にフレームがストリンガに直角合金が使用される胴体を構成するパネルは基本に取り付けられる従ってストリンガとフレー的に図３に示す５部品を全て使用しその他にはムは所謂井桁状になるフレームはストリンガの各パネルの位置に従って乗客扉口がある場合上に乗るのでシャータイと呼ばれるアングル状は扉口周りにダブラやエッジメンバとよばれるの小物部品によりリベットで外板と結合されス補強材が取り付けられたり窓の周りは窓枠と呼ばれる補強部品が取り付けられるが通常これらの部品も7000番台アルミニウム合金が使用される外板後３複合材料の適用拡大胴板厚変化を図４に示すまず A300型機ではフェアリ縦通材ストリンガングとレドームが複合材でありこれらは飛行中背切り板厚変化外板 GFRPで製造されている次のA310 A320型機舵面と呼ばれる組立品が複合材化されたこれらストリンガクリップフレームの荷重を殆ど受けない部品であるため低強度のではラダースポイラフラップ等のいわゆるフレームシャータイエアバス機における複合材料の着実な拡大実績板厚変化の組立品は航空機の機体の一次構造材料には分類されないものの飛行荷重を受けるため強度の高図３大型民間機の胴体パネルの構造例図４エアバス機体の複合材料部品の適用拡大実績3 J FA 2014 JANUARY No.45 19

4 いCFRPで製造されている更に派生機において機体の一次構造部材に分類される尾翼の垂直安定板及び水平安定板が複合材化されているこれらの部材から高強度炭素繊維と高靱性エポキシ樹脂の組合せから成る先進複合材料の使用が本格化した次のA330/A340 型機にて所謂舵面と呼ばれる全部品 ( ラダーエレベータフラップエルロンスポイラ ) がCFRP 化された更に水平安定板は燃料を貯蔵する構造に変更され低いながらも内部から圧力が加わる構造部位に初めて適用されている 21 世紀になりA 型機において後方圧力隔壁キールビームなどの胴体の一次構造部材が複合材化され本格的な与圧構造部位に適用が拡大された次のA380では中央翼主翼リブ非与圧の尾胴床桁が複合材化され非与圧ながら胴体最後方の尾胴が複合材料化され胴体の一部にまで拡大された最新鋭の A350 型機では主翼と胴体外板が新たに複合材化され機体の主要な一次構造部材の大部分が複合材化された 4. アルミニウム合金の開発状況 1980 年代から複合材料は高強度高靱性の先進 CFRPが実用化され航空機の一次構造材料として使用できる特性を持ち複合材料化による機体重量の軽減が進んだこの情勢にアルミニウム会社も危機感を持ち各種のアルミニウム合金を開発してきた航空機構造用アルミニウム合金の内最も高強度な7000 番台アルミニウム合金と疲労強度に優れる2000 番台合金にリチウムを添加した軽量アルミリチウム合金の開発実績を図 5 に示す 4.1 アルミニウムリチウム合金 ⑴ 第 2 世代アルミニウムリチウム合金 : 1980 年台半ば頃アルミニウム会社は複合材の適用拡大に危機感を強く持ちいわゆる第 2 世代アルミリチウム合金の開発競争に突入するこの合金の狙いはもっとも軽量な金属であるリチウムを添加してアルミニウム合金の密度を低くし航空機の構造重量を10% 以上軽量化することにあるこの合金は基本的に2000 番台のAl-Cu JFA 2014 JANUARY No.45

Mg 系合金をベースとしてそれにリチウムを添加した合金でありその合金は2000 番合金の特徴とリチウムを添加した特徴の両者を併せ持つ合金となった今までに開発された代表的なアルミニウムリチウム合金の化学成分の内添加元素を表 1に示す第 2 世代アルミリチウム合金は最も比重の軽い金属元素であるリチウム ( 比重 0.53) をアルミニウム ( 比重 2.

5 Mg 系合金をベースとしてそれにリチウムを添加した合金でありその合金は2000 番合金の特徴とリチウムを添加した特徴の両者を併せ持つ合金となった今までに開発された代表的なアルミニウムリチウム合金の化学成分の内添加元素を表 1に示す第 2 世代アルミリチウム合金は最も比重の軽い金属元素であるリチウム ( 比重 0.53) をアルミニウム ( 比重 2.70) に添加してその合金の密度を従来の合金よりも10% 弱低くすることを目標としていた合金の密度を縦軸にとりリチウムの添加量を横軸にとった関係を図 6に示す第 2 世代アルミリチウム合金としてアルコア社は2090 合金をペシネー社は2091 合金をそしてブリティッシュアルキャン社は8090 合金を登録したこれらの合金はリチウム含有量が公称値で % の範囲にあり従来の7075 合金と比較して密度が7 10% 低くなっているこのようにリチウムを添加することにより確実にアルミニウム合金の密度は低下しもし合金を置き換えるだけで航空機の機体重量を10% 低減できるならば全く夢のような材料でありその実用化が期待されたアルミリチウム合金の引張強さを図 7に示すここでは話を簡単にするため強度のみを議論する第 2 世代のアルミリチウム合金の内 8090-T6は7075-T6よりも引張強度が低いが 2090-T83 合金は7075-T6 並みの強度を示しておりこのまま7075-T6 合金を置き換えることが出来れば密度が低下した分だけ機体の重量低減が実現するしかし現実にはなかなかそのまま置換えることはできない 2090-T83はアルコア 5 社工場で焼き入れ後に冷間加工を十分行った後に人工時効を実施している材料でありそのまま切断して部品になれば全く問題ないしかし薄板から部品を製造する場合部品の展開形状に薄板を切断後ブレーキプレスで曲げたりストレッチャーで引張成形して部品形状を作るこのような板金成形加工を行うには2090-T83は強度が高く伸びが少な過ぎる材料であった 7075 合金は焼き鈍し材を購入後部品展開形状に板から切り出して板金成形加工後に熱処理を行うと所定の強度が得られたしかし 2090 合金の焼き鈍し材を7075 合金と同じ工程で部品製造すると強度 JFA 2014 JANUARY No.45 21

6 7 が-T83 材の60% 程度にしかならないその理由は形状を持った部品に対して焼き入れ後に均一な冷間加工を加えることができないからであるそのため 2090 合金は7075-T6の板金成形部品をそのまま置換えることはできない次に第 2 世代アルミリチウム合金の弱点として挙げられたのが本質的に低靱性であるとの指摘であったこの論旨は次のようになるアルミニウム中のリチウムは母相であるアルミニウムと整合なδ'-Al3Li 金属間化合物を形成しているアルミリチウム合金が変形する時は結晶粒内を走る転位が母相に整合に析出している δ'-al3li 金属間化合物相を横切る時に超転位となるため直線的な辷りが生じかつ同じ辷り面を後続の超転位が通過する傾向になりその結果転位が同一辷り面上に集中して結晶粒界に堆積して粒界割れを生じ易くすることにより本質的に低靱性となると説明したその証拠として示された例が図 8に示す透過電子顕微鏡写真であるこの試験片は8090 合金に相当する化学成分を持っており溶体化処理後人工時効処理まで実施している右側の写真は疲労試験前の状態であり白色に見える球状のδ'-Al3Li 金属間化合物が密に析出している一方左側の写真は疲労試験終了後の試験片の内部組織であり本来は球形状のδ'-Al3Li 金属間化合物相が疲労荷重によって運動した転位により直線的に上下に分割されており非常に直線的な辷りが生じていることが明らかとされた ⑵ Ag 含有アルミニウムリチウム合金 : ボーイング社 777の開発後暫く米国での新型民間旅客機の開発は空白になるがこの間に2195 合金が開発されたこの材料は第 2 世代アルミリチウム合金とその後の第 3 世代アルミリチウム合金の中間にありその特徴は表 1の化学成分表に示すように Liの添加量は公称で1.0wt% と第 2 世代合金と比較してほぼ半分に抑えて更にAgを添加したことによる Li 添加量を低く抑えたことにより密度低下は5% 前後と少なくなったが Li 添加特有の脆性的な傾向は減少した更にAgの添加によりAgに基づくω- 相が結晶粒内に均一析出しこのω- 相を転位の代わりの析出サイトとして析出物が形成されることにより図 7に示すように焼入れ処理後に冷間加工を付与しなくても大きな強度向上が得られた 2195 合金は図 9に示す米国スペースシャトルの外部燃料タンクに使用されたことで広く知られている当初国際宇宙ステーション (ISS: International Space Station) 計画は旧西側諸国だけが参加していたが計画が大幅に遅れその間にソビエト連邦がロシアになり ISS 計画に 22 JFA 2014 JANUARY No.45

輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦図８図９ 8090合金相当材料の透過電子顕微鏡写真8 スペースシャトル外部燃料タンク9 参加することになったそのためにＩＳＳの打ちミリチウム合金は第２世代合金の失敗を受け上げ軌道が変更になり軌道上まで各国のＩＳＳて Li含有量を低く抑えるのはアルコア社もコン製造部分を運搬する役割を担っていたスペースステリウム社も共通した傾向である

更することを実施したこの材料変更により外部れた燃料タンクの重量は30トンから26.5トンと3.

7 輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦図８図９ 8090合金相当材料の透過電子顕微鏡写真8 スペースシャトル外部燃料タンク9 参加することになったそのためにＩＳＳの打ちミリチウム合金は第２世代合金の失敗を受け上げ軌道が変更になり軌道上まで各国のＩＳＳて Li含有量を低く抑えるのはアルコア社もコン製造部分を運搬する役割を担っていたスペースステリウム社も共通した傾向である更に2195合シャトルのペイロードを向上する必要に迫られ金の成功を受けてコンステリウム社の合金にはスペースシャトルの構造重量削減が行われたそ Ag添加を行うようになったまたアルコア社こでＮＡＳＡは2195合金に目を付けて外部燃料ではAg添加を継続する合金に加えて第２世代合タンクの材料を従来の2219合金から2195合金に変金では添加されなかったZnを添加する合金も現更することを実施したこの材料変更により外部れた燃料タンクの重量は30トンから26.5トンと3.5トンアルミニウムリチウム合金のリチウム含有量の軽量化が達成されたと発表されているこれはを縦軸に銅の含有量を横軸にとった図を図10 単純な密度の低下分の寄与と同時に2219合金の強に示す第２世代アルミリチウム合金の8090 度よりも2195合金の強度が十分高く強度向上に合金に比べて第３世代アルミリチウよる肉厚減少分も含んだ効果と考えられるこのム合金はリチウム含有量を削減しその代わりに材料変更のみによりスペースシャトルの重量削銅の含有量を増加していることが明瞭であるリ減目標の50 が達成されたと言われているこのチウムの含有量を減少したのは第２世代合金で 2195合金で製造された外部燃料タンクは超軽量タ指摘された本質的に脆性である点を少しでも改善ンクと呼ばれておりスペースシャトルの第91回するために軽量化効果も減少するもののリチウ目の打ち上げのディスカヴァリーに初めて使用さム添加量を減少して脆性の改善を優先した結果とれその後第134回の最終打ち上げまでの間２回を除いた41回の打ち上げで超軽量タンクが使用されている外部燃料タンクには重いエンジン等は無く殆どがタンクの外皮重量であるのでタンク材料の歩留まりを仮に20 と仮定すると１基の超軽量タンクの製造に必要な2195合金の素材重量は132.5トンになる超軽量タンクを製造するには多量の2195合金が必要であり工業的に成功した初めてのアルミリチウム合金と考えられる ⑶ 第３世代アルミニウムリチウム合金 2195合金の成功の後を受けて第３世代アルミリチウム合金が開発されたこの第３世代アル図10 アルミニウムリチウム合金のリチウム及び銅の含有範囲10 J FA 2014 JANUARY No.45 23

輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦考えられるまた 2195合金の成功によりAg添金ではピーク時効した-T６処理材の肉厚部品加は特に耐力の向上に有効なことが判明したのは応力腐食割れが頻発することが判明しておりでリチウムを削減したことによる強度低下分をその防止対策として強度を落とした過時効処理銅を増加することで補おうとしたことが窺える -T7材が使用されている

8 輸送機器の軽量化に向けた軽量金属材料の挑戦考えられるまた 2195合金の成功によりAg添金ではピーク時効した-T６処理材の肉厚部品加は特に耐力の向上に有効なことが判明したのは応力腐食割れが頻発することが判明しておりでリチウムを削減したことによる強度低下分をその防止対策として強度を落とした過時効処理銅を増加することで補おうとしたことが窺える -T7材が使用されている折角高い強度を発揮でこのような化学成分構成としたことにより第３きる7000番台合金を良好な応力腐食割れ性を維世代アルミリチウム合金の銅含有量は増加し持したまま高い強度で使用することを目的に開 2024合金の銅含有量に接近してきているまた発が行われ復元再時効処理と呼ばれる３段時効上記2195合金のリチウムと銅の成分範囲を見る処理により実現されたと実質的には第３世代アルミリチウム合金にボーイング社777型機でこの復元再時効処理入れても良い範囲にありいわば第３世代アルミ -T77処理を適用した合金が新規にリチウム合金を先取りした合金とも言えるエアバス社A380型機の客室の床構造には第３世代アルミリチウム合金であるコンステリウ採用されたこれらの合金は押出し形材として重要な強度部材である胴体ストリンガーやビームに適用されたム社の2196-T８押出し材及びアルコア社の図５に示すように 1985年米国のレーガン大 2099-T８押出し材が使用されたこの全２階建統領は米国企業の工業所有権を守るためにプロパて構造の巨大な機体は図11に示すように１階テント政策を打ち出したこの政策に従って部分の床構造を第３世代アルミリチウム合金押ニューヨーク州でコーニング社が住友電工社を相出し材で製造し２階部分の床構造はCFRPで製手に光ファイバーの特許紛争を起こした今まで造されているの常識では負けるとは想像できない状況であったが目を疑うような判決文によって住友電工社が CFRP床構造敗訴し莫大な罰金の支払いを命じられ住友電工社は米国の光ファイバー事業から撤退を余儀なくされた実際には復元現象は古くから知られており金属学の教科書にも掲載されている更に復元再時効処理は1970年代にイスラエルにて最初の特許が成立していたそれにもかかわらずこのような米国政府方針に基づきアルコア社は7000番台合アルミリチウム合金床構造図11 エアバスA380型機の床構造材料11 金の復元再時効処理の製造特許を取得し同業他社を排除し独占供給体制を確立したそこでヨーロッパのアルミニウム会社はアルコア社の復元再時効処理を行わなくても従来の２段時効処理で復元再時効処理と同等の高強度４２ 7000番Al-Zn-Mg-Cu系合金高耐SCC性を持つ合金の開発に取り組んだその 7000番台合金の開発の狙いは大きく二つあり結果鋳造技術の進歩にも助けられ更に高Zn 一つは応力腐食割れ SCC 性を良好に保ったま含有量の合金の開発を行い高強度高耐SCC性ま強度を高くすることでありもう一つは機械加の合金を実用化した 7075を基準として7050合金工用部品のための厚い材料を製造することである以降に開発された主要な7000番台合金の化学成分 ⑴ 高強度高耐応力腐食割れ SCC 性合金の内添加元素の範囲を表２に示すまず応力腐食割れ性を保ったまま高強度化し 7000番台合金の重要な指標であるZn/Mg比をた材料について説明する強度の高い7000番台合図12に示すこの図は縦軸がZn/Mg比であ 24 J FA 2014 JANUARY No.45

7000 12 12 7000 13 り横軸は合金の登録年を示すこの図を見るとアルコア社開発合金は年次が進むほどに Zn/Mg 比が高くなっている一方ヨーロッパの開発合金を見るとZn/Mg 比は少し高くなっているもののアルコア社の場合ほど顕著には高くなっていないこのことは全体的にZn 含有量が増えていることを考慮するとアルコア社は Mg 含有量を7075

9 り横軸は合金の登録年を示すこの図を見るとアルコア社開発合金は年次が進むほどに Zn/Mg 比が高くなっている一方ヨーロッパの開発合金を見るとZn/Mg 比は少し高くなっているもののアルコア社の場合ほど顕著には高くなっていないこのことは全体的にZn 含有量が増えていることを考慮するとアルコア社は Mg 含有量を7075 合金の含有量から殆ど増加させていないことを意味するそれに対してヨーロッパの合金は Zn 含有量を増加させると共にMg 含有量もそれなりに増加させていることが分かる 7000 番台合金でZn/ Mg 比が合金の特性を左右する重要なパラメータの一つと考えられている理由は Al-Zn-Mg 系 3 元合金状態図からこの比により析出物の形態が変化すると考えられることによる従ってアルコア社合金とヨーロッパ合金でZn/Mg 比が異なってきたことにより時効処理後の析出物の組 JFA 2014 JANUARY No.45 25

成が変化していると推定される出発点となる 7075 合金では電子顕微鏡観察の結果 T -Al2Zn3Mg3 相と呼ばれる析出物の形成が確認されているが Zn/Mg 比が高いアルコア社合金では T -Al2Zn3Mg3 相ではなく恐らくη -Zn2Mg 相が析出するようになっていると推定される析出物のT -Al2Zn3Mg3 相とη -Zn2Mg

10 成が変化していると推定される出発点となる 7075 合金では電子顕微鏡観察の結果 T -Al2Zn3Mg3 相と呼ばれる析出物の形成が確認されているが Zn/Mg 比が高いアルコア社合金では T -Al2Zn3Mg3 相ではなく恐らくη -Zn2Mg 相が析出するようになっていると推定される析出物のT -Al2Zn3Mg3 相とη -Zn2Mg 相のどちらが強度向上に有効かは今後の研究で明らかになると思われる表 2に掲載された7000 番台合金の引張強さ及び耐力を図 13に示す 7000 番台合金として使用される代表的な部品は胴体のストリンガとフレームである 747 型機 767 型機ではこれらの部品は薄板から板金成形加工により成形した7075-T6 材が使用されていた 777 型機ではストリンガやビームの強度部材を復元再時効処理した7150-T77より製造している強度は7075-T6よりも10% 程度向上している一方 A380 型機に採用されているヨーロッパ合金である7449-T79 押出し材は従来の2 段時効処理であるが復元再時効処理材と比べてほぼ同じ強度を示しておりヨーロッパのアルミニウム会社が復元再時効処理に匹敵する強度の材料を従来の2 段時効処理で目標を達成したことが分かる ⑵ 高強度厚肉合金 : 次に機械加工用部品のための厚い材料の開発結果を説明する最近のNC 機械加工装置の発達は目を見張るものがあり板金成形部品よりも1 桁寸法精度が良い機械加工部品は組立時の基準としても利用し易く航空機部品に厚い素材から削り出す機械加工部品の割合が急増している以前の航空機組立は例えば図 14に示す桁組立のように多数の板金成形した小さな部品をリベットなどで組み立てるいわゆるビルドアップ工法が中心であったしかし現在ではNC 機械加工により多くの小部品を一体化して削り出したいわゆるインテグラル部品を中心に組み立てる方向に転換しているこれにより軽量化と共に部品点数の削減組立工数の削減が実現し機体会社における製造費用のコストダウンが行われている図 15は主翼桁のインテグラル部品の例を示す従来のビルドアップ工法では図 14に示すように上下の押出し形材から製造したフランジの間に薄板から製造したウェブを張り更に所定の間隔を持って押出し形材か薄板の板金成形で作ったスティフナをリベットで取り付けて桁が完成していた機体の大きさに依存するが例えば数mmの肉厚の押出し型材から作った上下のフランジを各 1 本 1 3mmの肉厚の薄板から作った数枚のウェブ更に同様の肉厚から作った多数のスティフナが必要であり更にそれらを組み立てる冶具に乗せてリベットで組み立てる必要があったしかし厚板からの機械加工法によって削り出すことにより一体形状で製作すると部品は1 個に集約され組立作業も不要であるこのような工法が成立するためには高性能なNC 機械と共に材料も肉厚が100mmを超すような厚板が必要になる材料会社にとっても多数の薄板よりも厚板を少数生産する方が効率が良く材料会社と機体会社の利害が一致し厚肉材料が開発されている当初は厚板の中心部に材料欠陥が発生することが多かったが材料会社における超音波を利用した新鋳造技術の開発やコンピュータによる凝固解析の応用等により鋳塊の品質も向上し信頼性も上がってきているまた冷却速度に敏感な Crを鈍感なZrに変更するなどの成分からの検討も進み厚板でも強度が低下しない材料が開発されている 747 型機 767 型機では7075-T73 厚板が主に使 26 JFA 2014 JANUARY No.45

11 用されているが 777 型機では7050-T74 厚板が多量に使用され強度は若干ながら向上している最近の厚肉用材料としては図 13に示す7040- T T74 厚板及び7085 鍛造品があり強度の向上は殆どないが肉厚の向上が著しくより厚い部品の切削加工が可能となっており機体製造会社には大変好ましい 5.21 世紀の航空機用アルミニウム合金民間航空機の構造部材は 20 世紀は金属その中でもアルミニウム合金が中心であり言わばアルミニウム合金の黄金期と見られた 21 世紀になり構造材料は金属中心からCFRPに代表される複合材料に交替したことは明らかでありその結果アルミニウム合金の使用比率は大きく低下したしかしアルミニウム合金の特徴は安定した大量供給が可能でかつ安価である複合材料会社も増産体制を整え量産効果で価格の低減を目指しているが一朝一夕には実現できないそこで 777 型機に採用された新アルミニウム合金の特許も有効期間が終了を迎えておりこれらの新合金の安価な供給等地道な特性改善と価格低減を積み重ねていけば未だCFRPに対抗できる余地はあると考える更に航空機構造に適用するに当たり複合材料の問題点として耐雷問題がある CFRPは炭素繊維と樹脂から構成されており強度を持つ炭素繊維は良導体であるが繊維を固めて形状を保持している樹脂は絶縁体である機体に雷が落ちた場合雷電流は炭素繊維を伝って流れるがもし CFRP 部品にボルト穴などの穴があり隙間が空いていたら雷電流は隙間で放電して流れていく民間旅客機の主翼は内部が燃料タンクになっているのでもし主翼のボルト穴で放電現象が起こったら燃料は一瞬にして爆発して旅客機は墜落してしまうそのためにCFRPを使用する場合は耐雷対策を金属材料以上に厳しく実施しなければならない即ち CFRPを使用した主翼は金属を使用する場合以上に耐雷対策を厳重に行う必要があるために余分な重量を使用することになる大型機の場合はそれでも金属製主翼より複合材製主翼が軽量になるが 100 席以下のリージョナル機の場合金属製主翼とCFRP 製主翼では重量はそれほど変わらなくなりむしろCFRP の材料費の高さが目立つようになるリージョナル機の販売価格は 100 席以上の機体よりもかなり安価であるので元々高価な材料は使用するのが難しい状況にあり小型の機体になる程アルミニウム合金は価格競争力があると考えられる以上大型民間機においては今後 CFRPがどこまで航空機構造材料として需要を伸ばすかは量の安定供給と価格が問題でありアルミニウム合金がそれに対抗できるかが焦点になろう一方リージョナル機のような小型旅客機においては耐雷問題のような一部技術的な問題もあるがそれでも詰まる所は CFRPの価格がどこまで下がるかによりアルミニウム合金がそれに対抗できなくなった時点でCFRP 化の勢いが増すと考えられる < 参考文献 > 1) 2) 4) インターネットウィキペディアより情報を収集し整理して作図飛行機の絵はボーイング社エアバス社 :11) の資料から作成 2) Composite Structures:The First 100 Years 16th International Conference on Composite Materials 3) Airbus Composite Training VPD Conference,Frankfurt,Oct ) 12) Aluminum Association 発行 Teal Sheet より抜粋 6)MMPDS(Metallic Materials Properties and Standardization) 及び 5) のデータから作図 7) 14) MMPDS(Metallic Materials Properties Development and Standardization) 及び AMS 規格のデータから作図 8) 軽金属 Vol.36( 86)No.7 P.436-P.444 9) インターネットウィキペディアより写真を転用 10) 13)Aluminum Association 発行 Teal Sheet より作図 11) Metal Materials in Airbus A380 IZMIR Grobal Aerospace & Offset Cinference,Oct ) 航空学入門 ( 上 ) 木村秀政監修酣燈社 (1975 年 ) 16) 今井航空機器工業株式会社のホームページによる JFA 2014 JANUARY No.45 27

平成22年度事故情報収集調査結果について（概要速報）

平成22年度事故情報収集調査結果について（概要速報） Product Safety Technology Center 製品事故解析に必要なアルミニウム合金の引張強さとウェブ硬さ及びバーコル硬さとの関係について九州支所製品安全技術課清水寛治説明内容目的アルミニウム合金の概要硬さの測定方法引張強さとビッカース硬さの関係ビッカース硬さとウェブ硬さバーコル硬さの関係引張強さとウェブ硬さバーコル硬さの関係効果と活用事例 2 1. 目的