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        輕質(zhì)高性能鎂合金開(kāi)發(fā)及其在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用

        2019-05-08 06:58:24丁文江吳國(guó)華李中權(quán)陳玉獅
        上海航天 2019年2期
        關(guān)鍵詞:航天航空鎂合金鍛件

        丁文江,吳國(guó)華,李中權(quán),肖 旅,陳玉獅

        (1. 上海交通大學(xué) 輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心,上海 200240; 2. 上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201600)

        0 引言

        隨著航天航空和國(guó)防工業(yè)的快速發(fā)展,我國(guó)對(duì)高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的需求越來(lái)越大,并已制定了相應(yīng)的輕量化目標(biāo),如:航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不小于10,戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭單位側(cè)面積質(zhì)量小于30 kg/m2,戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小30%以上,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小5%左右,殲擊機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)從32%~34%降至27%~28%等。鎂合金作為目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,能帶來(lái)巨大的減重效益[1-3]。1枚洲際導(dǎo)彈質(zhì)量若減小1 kg,則運(yùn)載火箭的起飛質(zhì)量可減小50 kg,地面設(shè)備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量可減小100 kg;戰(zhàn)斗機(jī)質(zhì)量若減小15%,則其滑跑距離可縮短15%,航程增加20%,有效載荷質(zhì)量增加30%;噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量若減小1 kg,則飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量可減小4 kg,升限高度提高10 m[3-4]。

        純鎂的密度為1.74 g/cm3,約為鋁合金的2/3,鋅合金的1/3,鋼鐵的1/4,鈦合金的2/5,與多數(shù)工程塑料相當(dāng)。鎂合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度,良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性,以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能,并具有高阻尼、電磁屏蔽、資源豐富、易回收利用等優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”[1]。限制鎂合金在航天航空領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素如下:高溫強(qiáng)度等材料強(qiáng)度偏低,抗蠕變性差;鎂合金鑄件容易形成縮松和熱裂紋,成品率低;鎂合金變形件塑性加工條件控制困難,導(dǎo)致組織與力學(xué)性能不穩(wěn)定[2,5]。

        本文介紹了高性能鎂合金的開(kāi)發(fā)研究現(xiàn)狀及鎂合金成形技術(shù),重點(diǎn)介紹新型鎂合金材料在我國(guó)航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

        1 高性能鎂合金材料開(kāi)發(fā)

        1.1 非稀土鎂合金

        非稀土鎂合金主要包括Mg-Al系和Mg-Zn系鎂合金。Al是鎂合金中最主要的合金化元素,與Al合金化的Mg約占鎂合金應(yīng)用總量的43%[6]?,F(xiàn)有的Mg-Al系非稀土鎂合金主要是在AZ91合金中添加Ca,Mn等元素。如ZHU等[7]研究發(fā)現(xiàn):在Mg-9Al-2Sn合金中添加微量Mn能形成Al8(Mn, Fe)5相,起到晶粒細(xì)化和促進(jìn)時(shí)效強(qiáng)化的效果,對(duì)其進(jìn)行T6熱處理后,Mg-9Al-2Sn-0.1Mn合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為292 MPa,154 MPa,伸長(zhǎng)率為5%。

        在Mg-Zn系合金中,Zn主要起固溶強(qiáng)化作用,熱處理后可提高合金的屈服極限。在該系合金中添加Al,Zr,Mn等元素,可進(jìn)一步提高合金力學(xué)性能。如:馮凱等[8]通過(guò)調(diào)整Zn,Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù),系統(tǒng)研究了Mg-(5%~20%)Zn-(0~6%)Al合金的組織和性能,發(fā)現(xiàn)ZA74合金經(jīng)半固態(tài)觸變壓鑄后,抗拉強(qiáng)度達(dá)352 MPa;WANG等[9]在Mg-Zn-Al-Mn合金中添加少量Cu元素,目的是使合金能在較高溫度下固溶,促進(jìn)更多的Zn溶進(jìn)鎂基體,并增強(qiáng)隨后的時(shí)效強(qiáng)化效果。研究發(fā)現(xiàn):Mg-8.0Zn-1.0Al-0.5Cu-0.5Mn合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為228 MPa,372 MPa,伸長(zhǎng)率為16%。

        1.2 含稀土鎂合金

        稀土元素對(duì)鎂合金具有固溶和沉淀強(qiáng)化作用[10]。在Mg-Al系和Mg-Zn系合金中添加稀土元素能提高合金的室溫和高溫強(qiáng)度,提高高溫蠕變抗力,改善鑄造性能,有利于提高耐蝕性能。如ZHANG等[11]研究發(fā)現(xiàn)在AZ91壓鑄合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的富Y混合稀土后,初生α-Mg和共晶β-Mg17Al12相均得到細(xì)化,組織中形成了少量的Al2Y相,合金室溫拉伸的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為270 MPa,160 MPa,伸長(zhǎng)率為11%,且在150 ℃拉伸時(shí)仍可保持較高的力學(xué)性能。此外,合金的耐蝕性能也得到大幅度提高。但此類(lèi)合金的室溫和高溫性能仍無(wú)法滿足航天航空材料的強(qiáng)度要求。

        為進(jìn)一步提高鎂合金的強(qiáng)度,上海交通大學(xué)研究了Mg-Nd,Mg-Gd,Mg-Y,Mg-Dy,Mg-Sm等多個(gè)Mg-RE系合金[10],重點(diǎn)探討了合金的強(qiáng)韌化機(jī)制,發(fā)現(xiàn)JDM1~JDM4鎂合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能[12],見(jiàn)表1。

        表1 JDM1~JDM4的典型力學(xué)性能

        JDM1鎂合金為Mg-Nd-Zn-Zr系合金[13]。強(qiáng)化機(jī)理主要是彌散Zr化合物和垂直基面的β″(Mg3Nd)亞穩(wěn)態(tài)析出相的協(xié)同強(qiáng)化,韌化機(jī)制主要是微量Zn,Zr元素促進(jìn)室溫非基面位錯(cuò)的滑移。合金典型的室溫拉伸屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為140 MPa,300 MPa,伸長(zhǎng)率為10%。

        圖1 JDM2合金時(shí)效析出相Fig.1 Precipitated phase of JDM2 alloy during aging treatment

        JDM3鎂合金是Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金[15]。其在JDM2合金基礎(chǔ)上,引入適量Zn元素,使部分稀土元素與Zn原子形成高溫穩(wěn)定的長(zhǎng)周期堆垛有序結(jié)構(gòu)(LPSO),LPSO具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗扭折能力,與析出相的慣析面垂直,形成“LPSO+析出相”共存強(qiáng)化單元。JDM3鎂合金在300 ℃下實(shí)驗(yàn)室試棒的抗拉強(qiáng)度大于250 MPa。

        JDM4鎂合金是Mg-Gd-Y-Ag-Zr系合金[16]。其在JDM2合金基礎(chǔ)上,通過(guò)Ag元素微合金化調(diào)控鎂稀土合金中沉淀析出相形態(tài),形成“棱柱面析出相+基面析出相”的復(fù)合強(qiáng)化。JDM4鎂合金的室溫屈服強(qiáng)度超過(guò)300 MPa,抗拉強(qiáng)度可達(dá)420 MPa。

        1.3 鎂鋰合金

        鎂鋰合金密度一般為1.3~1.6 g/cm3,比普通鎂合金減小1/4~1/3,且減振和電磁屏蔽性能更為優(yōu)異,是航天航空和國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)材料[4,15,17]。目前,關(guān)于鎂鋰合金的研究主要集中在Mg-Li-Al,Mg-Li-Zn或Mg-Li-Al-Zn系合金。在鎂鋰合金中添加Al,Zn分別形成時(shí)效強(qiáng)化相MgLi2Al和MgLi2Zn。但這2種相都是亞穩(wěn)相,在時(shí)效過(guò)程中容易分解成時(shí)效軟化相AlLi和MgLiZn,進(jìn)而發(fā)生過(guò)時(shí)效軟化,導(dǎo)致鎂鋰合金的長(zhǎng)期力學(xué)性能不穩(wěn)定。

        研究表明:Ca,Sn,Cd,RE等同樣是鎂鋰合金的有效合金化元素。其中,稀土元素可與合金中的Al形成Al-RE第二相,如AlY,Al2Y,AL2La,Al2Ce,Al2Nd等,可有效抑制軟化相的形成,提升鎂鋰合金力學(xué)性能的穩(wěn)定性[18]。此外,Y,Gd等重稀土元素在鎂鋰合金中的固溶度較大,可起到較大的固溶強(qiáng)化效果。趙炯等[19]在Mg-8Li-3Al-2Zn(LAZ832)合金中添加少量Y元素,發(fā)現(xiàn)隨著Y元素含量的增加,合金的晶粒形貌由長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A球狀,晶粒尺寸逐漸減小,Al2Y相和β-Li相的含量逐漸增加,AlLi相的含量逐漸減少,如圖2所示[19]。LAZ832-0.5Y鑄態(tài)合金組織(見(jiàn)圖2(a))主要由α-Mg,β-Li,Al2Y,AlLi相組成,固溶后的大部分AlLi相溶入基體中(見(jiàn)圖2(b)),合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為182 MPa,263 MPa,11.8%。目前該合金已用于導(dǎo)彈艙體試制。

        圖2 Mg-8Li-3Al-2Zn合金的組織形貌Fig.2 Structural morphology of Mg-8Li-3Al-2Zn alloy

        2 鎂合金成形技術(shù)

        鎂合金成形工藝可分為液態(tài)成形和固態(tài)成形。其中:液態(tài)成形包括重力鑄造、低壓鑄造、壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)成形等;固態(tài)成形又稱(chēng)塑性加工成形,包括擠壓、軋制、鍛造、沖壓、拉深等。

        2.1 重力鑄造

        鎂合金可采用不同的重力鑄造方法生產(chǎn),包括砂型鑄造、金屬模鑄造、半金屬模鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造等。其中,砂型鑄造的成本低,適用于大鑄件的小批量生產(chǎn)。如丁文江等[2]發(fā)明了鎂合金專(zhuān)用的非占位式轉(zhuǎn)移涂料技術(shù):先將涂料涂在模樣表面上,然后在涂料上面充填造型材料,固化后涂層自發(fā)地轉(zhuǎn)移至型芯表面。涂層完整地復(fù)制了模型表面的形狀和粗糙度,顯著降低了鑄件表面的粗糙度,提高了鑄件尺寸的精度。涂層轉(zhuǎn)移法的關(guān)鍵是陰模制備,通過(guò)與快速成形和無(wú)收縮硅橡膠復(fù)膜等技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn),可解決復(fù)雜鎂合金零件表面(非加工面)對(duì)粗糙度要求高的鑄造難題。該技術(shù)已經(jīng)用于鎂合金導(dǎo)彈殼體等產(chǎn)品的生產(chǎn)。

        2.2 低壓鑄造

        利用低壓鑄造平穩(wěn)充型和順序凝固的特點(diǎn)可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鎂合金鑄件。上海交通大學(xué)將涂層轉(zhuǎn)移制芯技術(shù)、坩堝液體金屬密封技術(shù)與低壓鑄造技術(shù)相結(jié)合,開(kāi)發(fā)了鎂合金大型鑄件的精密低壓鑄造成型工藝,并采用雙爐熔爐、壓力轉(zhuǎn)爐方式保證鎂液的高純度。該工藝具有精密成型尺寸精度高、壓力凝固組織致密、涂層轉(zhuǎn)移表面光潔等優(yōu)勢(shì),目前已具備研發(fā)并小批量生產(chǎn)質(zhì)量為100 kg鎂合金鑄件的能力[2]。

        2.3 壓鑄

        壓鑄是指在高壓作用下,將液態(tài)或半固態(tài)合金熔體以高速度壓入模具型腔,熔體在壓力下凝固成形,從而獲得尺寸精確、輪廓清晰的鑄件的方法。由于鎂合金熔點(diǎn)較低(純鎂約為650 ℃),凝固潛熱小,凝固速度快,且合金液黏度低、流動(dòng)性好,因此特別適于壓鑄生產(chǎn)。但常規(guī)壓鑄的零件由于卷氣等原因容易產(chǎn)生氣孔而無(wú)法進(jìn)行熱處理,且無(wú)法通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化進(jìn)一步提高性能。近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的真空壓鑄、充氧壓鑄和半固態(tài)壓鑄方法可解決該問(wèn)題[3, 20]。

        2.4 擠壓鑄造

        擠壓鑄造,又稱(chēng)液態(tài)模鍛,是對(duì)澆入模具型腔的液態(tài)金屬施加較高的壓力,金屬液在壓力作用下成形,從而獲得鑄件的方法[21]。該工藝結(jié)合了壓力鑄造和鍛造的優(yōu)點(diǎn),可有效細(xì)化晶粒,減少疏松縮孔等缺陷。所得鑄件也能通過(guò)后續(xù)熱處理提高力學(xué)性能,該技術(shù)在高性能、厚壁鎂合金鑄件中具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái),越來(lái)越多的研究人員利用擠壓鑄造技術(shù)制備鎂合金材料[18,22-24]。如WANG等[18]利用擠壓鑄造技術(shù)制備了Mg-Gd-Y-Zr合金,研究了澆注溫度和壓力對(duì)合金組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金在壓力下凝固,能獲得細(xì)小、致密的組織,擠壓鑄造T6態(tài)合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別比金屬模鑄造合金提高了9%,19%,114%。

        2.5 半固態(tài)成形

        半固態(tài)成形是20世紀(jì)70年代由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出的一種先進(jìn)金屬成形工藝[25]。該工藝與傳統(tǒng)的液態(tài)成形相比,具有成形溫度低、模具壽命長(zhǎng)、可改善生產(chǎn)條件和環(huán)境、細(xì)化晶粒、減少氣孔和疏松縮孔、提高組織致密性、提高鑄件質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。此外,該工藝綜合了凝固加工和塑性成形的長(zhǎng)處,即成形溫度低于液態(tài)、變形抗力小于固態(tài),可一次以大變形量近凈成形大尺寸、復(fù)雜薄壁且精度和質(zhì)量要求較高的零件。目前,用于鎂合金零件實(shí)際生產(chǎn)的只有半固態(tài)觸變射鑄成形技術(shù)[3]。該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用于生產(chǎn)鎂合金汽車(chē)零件、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器零件、筆記本電腦外殼和框架、手機(jī)外殼、航天航空工業(yè)儀器儀表等。

        2.6 塑性成形

        塑性成形包括擠壓、鍛造、軋制、沖壓、拉深等[1]。其中,鎂合金擠壓有以下優(yōu)點(diǎn):可細(xì)化晶粒,可通過(guò)保留擠壓纖維織構(gòu)提高強(qiáng)度,可獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量及良好的尺寸精度。目前,鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產(chǎn)品主要采用擠壓成形。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構(gòu)而造成材料力學(xué)性能的各向異性等缺點(diǎn)[25]。

        鎂合金鍛造一般有2種方式:自由鍛和模鍛。常用來(lái)鍛造的鎂合金有ZK系列和AZ系列。鎂合金鍛件的力學(xué)性能通常取決于鍛造過(guò)程中所產(chǎn)生的應(yīng)變硬化程度。鍛造溫度越低,其應(yīng)變硬化效果越顯著。但如果溫度過(guò)低,則鍛件容易開(kāi)裂;如果溫度過(guò)高,則鍛件氧化嚴(yán)重[3]。為解決航天航空領(lǐng)域應(yīng)用中大尺寸鎂合金鍛件制備的技術(shù)難題,上海交通大學(xué)基于大尺寸半連續(xù)鑄造坯料,將鎂合金塑性變形計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際鍛造工藝相結(jié)合,開(kāi)發(fā)了鎂合金大型鍛件成型技術(shù)[2]。通過(guò)半連續(xù)鑄造方式制備大尺寸坯料,可制備的最大鑄錠坯料可達(dá)φ400 mm;通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬確定鍛造工藝,確保鍛件各個(gè)方向的總變形量和變形溫升均勻,減小鍛件的各向異性;通過(guò)鍛件實(shí)際鍛造工藝與計(jì)算機(jī)模擬的對(duì)比研究,提高后續(xù)計(jì)算機(jī)模擬的準(zhǔn)確度;通過(guò)鍛造后續(xù)熱處理,調(diào)整鍛件的力學(xué)性能。

        鎂合金一般采用軋制成形的方法生產(chǎn)帶材及板材。軋制過(guò)程可細(xì)化晶粒,改善鎂合金組織,顯著提高鎂合金的力學(xué)性能。軋制溫度是鎂合金軋制過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)。軋制溫度過(guò)低時(shí),高應(yīng)力集中,導(dǎo)致孿晶形核和切變斷裂;軋制溫度過(guò)高時(shí),晶粒容易長(zhǎng)大,使板材熱脆傾向增大[1]。

        3 鎂合金在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用

        當(dāng)前,世界各國(guó)開(kāi)展了一系列項(xiàng)目對(duì)鎂合金展開(kāi)深入研究,取得了諸多成果[26-27]。如歐盟在框架計(jì)劃 (framework programme for research,F(xiàn)P)中開(kāi)展的“變形鎂合金在航空航天器的應(yīng)用(aeronautical application of wrought magnesium,AEROMAG)”項(xiàng)目,共有空中客車(chē)公司、歐洲空客直升機(jī)公司(Eurocopter)、意大利阿萊尼亞(Alenia)公司、圣彼得堡輕金屬研究院、莫斯科航空材料研究院,以及7所大學(xué)、8個(gè)鎂材生產(chǎn)企業(yè)等20家單位參與,全方位研究鎂合金(主要為Mg-Al-Zn,Mg-Zn-Zr-RE,Mg-Y-RE系合金)的冶煉、成形工藝、燃燒性能、表面處理、連接技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能等。結(jié)果表明:鎂合金可取代中等強(qiáng)度的5xxx鋁合金,對(duì)于某一項(xiàng)性能鎂合金可達(dá)到甚至超過(guò)高強(qiáng)度的2xxx合金,但綜合考慮強(qiáng)度、疲勞、加工、耐蝕、耐溫等性能,沒(méi)有一種鎂合金可與2xxx鋁合金等同。這說(shuō)明在較長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi),鎂合金無(wú)法在結(jié)構(gòu)制造層面上部分代替鋁合金,但可在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用。此外,共有12個(gè)單位參與了航空工業(yè)鎂合金的成形新技術(shù)的研究。該項(xiàng)目采用鍛造、超塑性成形、彎輥、橡皮囊液壓成形、拉深和蠕變成形等不同成形技術(shù)制備不同航天航空零件,開(kāi)發(fā)了許多可行的傳統(tǒng)鎂合金和新型鎂合金商業(yè)化成形方法。

        在航天航空領(lǐng)域,鎂合金被廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星上的重要構(gòu)件,以減小零件質(zhì)量,提高飛行器的機(jī)動(dòng)性能,降低航天器的發(fā)射成本[2]。圖3為美國(guó)海軍研發(fā)的AGM-154C無(wú)動(dòng)力滑翔制導(dǎo)炸彈[28]。2007年,美國(guó)雷聲公司采用改進(jìn)后的AZ91E合金和AZ91D合金制備AGM-154C連接艙艙體、尾艙艙體、翼片骨架、設(shè)備箱箱體等,力學(xué)性能和耐蝕能力均能滿足侵徹型制導(dǎo)炸彈的整體要求。德國(guó)金牛座系統(tǒng)公司和瑞典博福斯公司合作開(kāi)發(fā)的動(dòng)能侵徹和毀傷導(dǎo)彈KEPD-350(見(jiàn)圖4)于2010年交付使用,該導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)框、壁板、舵面、隔板等30余種零件分別應(yīng)用了約100 kg的GW83,ZK61等高性能鎂合金[28]。2015年,德國(guó)座椅制造商ZIM Flugsitz GmbH公司利用美國(guó)Magnesium Eletron公司提供的Elektron?43鎂合金成功生產(chǎn)了航空座椅,該座椅在保持強(qiáng)度和韌性的前提下,可取代現(xiàn)有鋁合金座椅,質(zhì)量減小25%[3]。

        圖3 AGM-154C聯(lián)合防區(qū)外武器Fig.3 AGM-154C joint defense zone weapon

        圖4 KEPD-350防區(qū)外對(duì)地攻擊導(dǎo)彈Fig.4 KEPD-350 off-site ground attack missile

        我國(guó)用于航空航天工業(yè)中的鎂合金主要有鑄造稀土鎂合金(ZM2,ZM3,ZM4,ZM5,ZM6,ZM9)和變形稀土鎂合金(MB25,MB26)。目前,我國(guó)殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星和飛船上均選用了稀土鎂合金構(gòu)件[1]。有關(guān)高校、研究所和航空航天企業(yè)對(duì)鎂合金在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用也做了相關(guān)研究工作[3]。如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)采用等溫精密鍛造工藝、反重力真空低壓消失模鑄造方法等研發(fā)生產(chǎn)了鎂合金機(jī)匣、飛機(jī)導(dǎo)輪和排氣管;北京衛(wèi)星制造廠突破了大型鎂合金表面的防腐處理、機(jī)械加工、焊接技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大型鎂合金結(jié)構(gòu)件在多個(gè)航天器上的應(yīng)用;中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研發(fā)的G04鎂合金已成功用于“神舟六號(hào)”載人飛船的電控箱,為其減重約13 kg,并使用G04鎂合金成功制造出“天宮一號(hào)”等型號(hào)中的航天器零部件;上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心采用涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)、大型鑄件低壓鑄造技術(shù)、鎂合金大型鍛件成型技術(shù)、溫?zé)釘D壓工藝等結(jié)合JDM1~JDM4鎂合金,制備了多種航天航空部件,滿足了某衛(wèi)星和火星探測(cè)器的使用要求,實(shí)現(xiàn)了20%~30%的減重效果。圖5為衛(wèi)星支架。圖6為某空天飛行器系列部件。圖7為CZ-6運(yùn)載火箭所需的近1.5 t高性能大規(guī)格鍛件,其尺寸為400 mm×250 mm×210 mm。研究人員已研制出100件防爆盒類(lèi)零件,比鋁合金產(chǎn)品質(zhì)量減小30%,并具有更好的阻尼減振性能。采用高強(qiáng)度JDM合金研制成功的大尺寸鍛件,達(dá)到2024鋁合金大鍛件的水平。圖8為某型戰(zhàn)斗機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射架,質(zhì)量比之前產(chǎn)品減小25%。圖9為美國(guó)波音民用飛機(jī)公司研發(fā)的大飛機(jī)座骨椅架,該公司已完成了燃燒實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)及部分動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。圖10為我國(guó)自主設(shè)計(jì)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣蓋。圖11為某型武裝直升機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)鎂合金機(jī)匣部件,突破了Mg-Y-RE鎂稀土合金伸長(zhǎng)率低的瓶頸,在大型復(fù)雜薄壁鎂合金鑄造工藝技術(shù)方面取得了一系列重大突破。圖12為某輕型導(dǎo)彈艙體,滿足了艙體內(nèi)表面(非加工面)對(duì)粗糙度的要求。上海航天精密機(jī)械研究所實(shí)現(xiàn)了Mg-Gd-Y系列鑄造鎂合金的批量工程化應(yīng)用,飛行器結(jié)構(gòu)件質(zhì)量較以往產(chǎn)品減小25%,如圖13所示。

        圖5 衛(wèi)星支架(尺寸為300 mm×300 mm×300 mm)Fig.5 Satellite bracket(size:300 mm×300 mm×300 mm)

        圖6 某空天飛行器系列部件Fig.6 Parts of aerospace vehicle series

        圖7 鎂合金在運(yùn)載火箭中的應(yīng)用Fig.7 Application of magnesium alloy in launch vehicle

        圖8 某殲擊機(jī)導(dǎo)彈彈射架(尺寸為2 300 mm×300 mm×160 mm)Fig.8 Fighter missile projectile(size:2 300 mm×300 mm×160 mm)

        圖9 大飛機(jī)座骨椅架Fig.9 Large aircraft seat frame

        圖10 某新型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣蓋(尺寸為500 mm×220 mm×50 mm)Fig.10 New-type engine cover(size:500 mm×220 mm×50 mm)

        圖11 某新型武裝直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)鎂合金機(jī)匣部件Fig.11 Magnesium alloy machine parts for transmissionsystem of new-type gunship

        圖12 某輕型導(dǎo)彈艙體Fig.12 Light missile nacelle

        圖13 Mg-Gd-Y鑄造鎂合金艙體Fig.13 Mg-Gd-Y cast magnesium alloy cabin

        4 結(jié)束語(yǔ)

        隨著我國(guó)航天航空事業(yè)的飛速發(fā)展,輕質(zhì)高性能鎂合金材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,為航天航空制造業(yè)輕量化作出了重要貢獻(xiàn)。我國(guó)是鎂合金資源大國(guó),應(yīng)進(jìn)一步加快發(fā)展鎂合金科技,提升我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平,使我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)從資源優(yōu)勢(shì)向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變。新型鎂合金材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用需要相關(guān)高校、科研院所和航天航空企業(yè)相互合作,在技術(shù)上不斷創(chuàng)新,不斷擴(kuò)大鎂合金在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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