鎂合金作為“21世紀綠色工程材料“，具有高的比強度和比剛度，良好的尺寸穩(wěn)定性、導熱導電性，抗振能力強，可承受較大沖擊載荷，以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能和易回收利用，這些特性使其在航空航天領域占有一席之地，可作為飛機、導彈、飛船、衛(wèi)星等航空設備上重要構件材料，隨著科技水平的不斷進步，航空航天領域的發(fā)展越來越離不開鎂合金的參與。

表1 20世紀鎂合金在航空航天領域的應用

航空航天工業(yè)對材料性能的要求

1 航空航天產品工作的極端條件。

由于航空航天產品工作的特殊性，因此對材料提出了如下苛刻的性能要求：

①低密度。由于飛行器的質量直接影響到它的機動性能，而空間站和衛(wèi)星的質量決定了對運送工具的要求和費用，所以航空航天要求材料盡可能的輕質，也就是盡可能的低密度。表1為航空航天材料每減少0.45kg質量所帶來的經濟效益。商用飛機與汽車減重相同質量帶來的燃油費用節(jié)省，前者是后者的近100倍，而戰(zhàn)斗機的燃油費用節(jié)省又是商用飛機的近10倍。更重要的是其機動性能改善可以極大提高戰(zhàn)斗力和生存能力。所以鎂合金的低密度，為它在航空航天中的應用提供了較好的條件。

表2 航空航天材料每減少0.45kg質量所帶來的經濟效益

②剛度和熱導率。材料的比剛度和熱導率是非常關鍵的參數。鎂合金具有比剛度高和高的熱導率。可使某些部位的振動（飛機的機翼）以及在低重力、高真空的太空環(huán)境中，可避免太陽照射使得電子設備過熱而燒毀。

③減振能力。鎂合金具有良好的減振能力，可以保證航空航天產品承受較大的振動載荷；鎂合金還具有高比強度、防輻射、良好的尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽性，可以抵御短波輻射和高能粒子的“轟擊”。

2 航空航天工業(yè)對材料性能的要求。

結構減重和結構承載與功能一體化是飛機機體結構材料發(fā)展的重要方向。航空、航天領域要求鎂合金力學性能和高溫性能優(yōu)異，抗蝕性好，有良好的綜合性能。適合的合金包括AZ91E、QE22（MSR）、ZE41（RZ5）、EQ21、（ZRE1）、WE43等，其性能比較見圖1。從圖中可知，飛機的各種機箱體、傳送箱和電源裝置，直升機主要傳送系統(tǒng)的零部件，螺旋槳系統(tǒng)可以采用ZE41和QE22合金制造；而在高溫下服役的零部件可采用WE43或EQ21合金制造。另外，WE43合金還具有極好的耐蝕性能，可用作飛機螺旋槳罩殼。Mc Donnell Dougles MD50直升飛機采用了WE43合金的變速箱殼體。

圖1 鎂合金的主要性能

目前，常用的航空航天鑄造鎂合金及其性能和用途見表2。

表2 航空航天工業(yè)常用鑄造鎂合金的性能和用途

鎂合金材料在航空航天工業(yè)中的應用與開發(fā)

1 國外航空航天工業(yè)中的鎂合金應用情況

過去RZ5鎂合金通常用于制造直升飛機的變速箱殼體和傳動箱殼體，后來由于航空工業(yè)對材料的安全使用期限和抗腐蝕性能提出了更高的要求，使得WE43鎂合金逐漸取代了RZ5的位置而成為制造包括主變速箱殼體在內的眾多直升機部件的首選鎂合金材料，比如歐洲直升機公司EC120型民用直升機和北約直升機工業(yè)公司的NH90軍用直升機就采用了WE43合金制造的變速箱殼體。

ZRE1,MSR和EQ21鎂合金也都被廣泛用于飛機的發(fā)動機部件，如同WE43鎂合金由于具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和高溫性能而廣泛用于變速箱殼體一樣，這些合金的應用也將會得到持續(xù)增長。許多大型鎂合金鑄件由于有這些鎂合金而得以制造，比如MSR鎂合金制造的重達130kg的勞斯萊斯Tay和BR710型發(fā)動機的空壓機殼體。其他的航空應用包括MSR或RZ5制造的F16,“歐洲戰(zhàn)機”EF2000、旋風戰(zhàn)斗機的輔助變速箱殼體，MSR或EQ21制造的“airbus”A320、旋風戰(zhàn)斗機和協(xié)和超音速飛機的發(fā)電機殼體。

進入21世紀，鎂及鎂合金正重新登上航空航天的舞臺。歐盟自1996年以來在FP4、FP5、FP6領域內開展了一系列項目對鎂合金進行研究。其中，對未來航空航天領域起指導作用的主要有兩個項目，具體介紹如下：

2005年3月至2008年12月，歐盟在FP6 框架內實施了一個名為“變形鎂合金在航空航天器的應用（Aeronautical application of wrought magnesium，AEROMAG）”的研究項目，共有20個單位參與，其中有3個航空航天制造企業(yè)即空客公司、歐洲直升機公司（Eurocopter）和意大利阿萊尼亞（Alenia）公司，2個俄羅斯的研究院、即圣彼得堡輕金屬研究院和莫斯科航空材料研究院，還有7所大學、8個鎂材生產企業(yè)參與，對鎂合金的冶煉、成形工藝、燃燒性能、表面處理、連接技術和結構性能等進行了全方位的研究，取得一系列成果。

該項目所用鎂合金主要為Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr-Re和Mg-Y-Re系合金。一系列研究結果表明，鎂合金可以取代中等強度的5xxx鋁合金，對于某一項性能鎂合金可以達到甚至超過高強度的2xxx合金，但是綜合考慮強度、疲勞、加工、耐蝕、耐溫等性能，沒有一種鎂合金可以與2xxx鋁合金等同。這說明在較長一段時間之內，鎂合金不可能在結構制造層面上部分代替鋁合金，而在航空工業(yè)中廣泛應用。2006年8月至2009年9月，歐盟在FP6框架內實施了AEROMAG項目的姊妹項目—航空工業(yè)鎂合金的成形新技術研究。共有12個單位參與了該項目。該項目利用鍛造、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，用以制造不同航空航天零件。MAGFORMING項目開發(fā)了許多可行的傳統(tǒng)鎂合金和新型鎂合金的商業(yè)化成形方法。根據這兩個項目的結果，Ostrovsky I 等預測在2015~2020年期間，民用飛機使用10%~15%的鎂合金零部件是符合實際的目標。

美國海軍衛(wèi)星上已將鎂合金復合材料用于支架、軸套、橫梁等結構件，其綜合性能優(yōu)于鋁基復合材料。“德熱來奈”飛船的起動火箭“大力神”曾使用了600kg的變形鎂合金；“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675kg的變形鎂合金；直徑約1m的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。英國Bloodhound MK-2（彈體直徑546mm，最高速度2.7馬赫）地空導彈艙體采用新型耐熱鎂合金鑄件和鍛件制成。日本利用鎂合金低密度的特征，開發(fā)了旨在提高具有鎂合金機翼的超音速飛行器特性的結構最優(yōu)化設計方法，并以鎂合金成功地制作出了質量僅為1kg的超小型人造衛(wèi)星。

2 國內航空航天工業(yè)中的鎂合金應用情況

我國用于航空航天工業(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。其中ZM2應用于渦噴-7、渦噴-13發(fā)動機的前機匣、后機匣和主機匣等零件。ZM3用于制造殲-6飛機渦噴-6發(fā)動機的前艙鑄件和渦噴-11發(fā)動機的離心機匣；用ZM4制造飛機液壓恒速裝置殼體。某渦槳發(fā)動機的附件傳動機匣和減速器機匣采用ZM5制造，我國研制的昆侖號發(fā)動機附件機匣采用ZM5鎂合金，某燃氣渦輪起動機的附件傳動后機匣選用ZM6鎂合金，某型直升機主減速器主機匣采用ZM6鎂合金，可在海洋環(huán)境下使用，MB25可以制造飛機機身長桁和操作系統(tǒng)的栓臂、支座等受力構件。我國的殲擊機、轟炸機、直升機、運輸機、機載雷達、地空導彈、運載火箭、人造衛(wèi)星和飛船上均選用了稀土鎂合金構件。

目前，我國高校、研究所和航空航天企業(yè)對鎂合金在航空航天領域的應用也做了相關研究：

01 采用涂層轉移精密鑄造技術和JDM1鑄造鎂合金結合，成功制備了某型號輕型導彈艙體（圖2）和發(fā)動機機匣（圖3），滿足了艙體和發(fā)動機機匣的內表面（非加工面）對光潔度的高要求。

圖2 JDM1鑄造鎂合金某輕型導彈艙體

圖3 發(fā)動機機匣

02 采用大型鑄件低壓鑄造技術和JDM2鑄造鎂合金結合，成功制備了某型直升機尾部減速機匣（圖4）和某型號導彈殼體（圖5）。這兩類鑄件尺寸較大，結構復雜，采用常規(guī)鑄造很難避免鑄造縮松的產生。通過提高低壓鑄造保壓壓力和控制鑄件凝固溫度場的方法，成功解決了上述問題，制備的鑄件已經通過用戶嚴格檢查。

圖4 某型直升機尾減速機匣

圖5 某型導彈殼體

03 JDM2鎂合金與常規(guī)等溫熱擠壓工藝相結合，成功制備了某型號輕型導彈彈翼（圖6）。

圖6 JDM2鎂合金擠壓導彈尾翼

04 JDM1鎂合金與常規(guī)等溫熱擠壓工藝相結合，成功制備了φ145mm的無縫管（圖7），該管材用于某型號輕型導彈殼體的制備。

圖7 JDM1合金擠壓輕型導彈管材

參考文獻：

《輕合金加工技術》2016年01期《航空航天變形鎂合金應具備的性能》

《簡明鎂合金材料手冊》

隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，輕量化勢必成為航空航天制造業(yè)的主流，具有輕質高強的新型鎂合金材料在航空航天領域的應用將越來越廣泛。我國是鎂合金資源大國，加快發(fā)展鎂合金科技、提升我國鎂產業(yè)的技術水平，使我國鎂產業(yè)從資源優(yōu)勢向經濟優(yōu)勢轉變，無疑是當前的最佳選擇。新型鎂合金材料在航空航天領域的推廣應用需要相關高校、研究所和航空航天企業(yè)相互合作，在技術上不斷創(chuàng)新，實現航空航天鎂合金產品的標準化，擴大鎂合金在航空航天領域的應用范圍。