輕量化是航空航天材料發展的重要趨勢, 減輕機身及各零部件質量所帶來的優勢顯而易見:可減少燃油消耗量、增加載重、延長飛機飛行時間、降低飛行成本。數據顯示, 每減少1磅航空航天材料, 商用飛機的費用可減少300美元;戰斗機減少3 000美元;航天器減少30 000美元[1], 由此可見航空材料的輕量化對航天飛行器成本的影響之重要。另外, 在節約成本的同時, 高速飛行的飛行器質量的減輕還可大大減少慣性, 提高飛行性能。鎂的密度為1.74g/cm3, 在金屬鎂中添加一些合金元素構成鎂合金依然是眾多航空航天金屬材料中質量最輕的, 僅相當于工程塑料的密度, 強度、剛度卻高出工程塑料很多, 故鎂合金若能大量應用于航空航天中將會帶來巨大的減重效益, 節約成本。
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, 良好的尺寸穩定性、導熱導電性, 抗振能力強、可承受較大沖擊載荷, 以及優異的鑄造、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, 航空航天領域的發展越來越離不開鎂合金的參與。
一、航空航天材料的性能要求
航空航天材料首先要有足夠的強度、剛度、且質量輕, 抵抗外載荷作用而不被破壞或發生形變, 通常情況下強度、剛度大的結構件質量過重, 質量太輕則剛度、強度不夠, 因此應在滿足設計所規定的強度剛度要求下實現質量最輕, 以便更多載人、載物, 延長飛行時間, 減少燃油或推進劑的消耗, 除結構設計合理外, 就是選用比強度、比剛度高的材料, 同時鎂的加工性能優異且資源豐富, 價格相對低廉。
空氣動力加熱、發動機燃氣以及太空中太陽的輻照等因素都會使飛行器中的部分零部件在飛行一段時間后處在一定的高溫環境中, 加上飛行器長時間高速在空中飛行, 就要求這些零部件所用的材料具有良好的高溫持久強度、抗蠕變強度、熱疲勞強度, 高溫下長期工作能保持優良的組織結構穩定性。
飛機在1萬m的高空中飛行時, 氣溫會降到-50℃左右, 飛機處在一定的低溫環境中, 這就要求在此低溫環境下飛機各零部件不產生脆化現象[2]。又如液體火箭采用液氧和液氫作推進劑時, 液氧和液氫的沸點分別為-183℃和-253℃, 這也要求儲存該推進劑的設備所用材料在此低溫下滿足所需性能要求, 諸如此類, 都對航空航天材料提出了更嚴峻的要求。
航空飛行器在空氣、燃料、推進劑、各種潤滑劑、液壓油等腐蝕性介質中要有良好的耐老化性和高的耐腐蝕性能, 這些介質如汽油、煤油、濃硝酸、四氧化二氮、肼類等對材料都有強烈的腐蝕作用或溶脹作用, 這就要求儲存這些介質的器件具有一定的防腐性能;同時大氣中太陽的輻照、風雨的侵蝕及地下潮濕環境中產生的霉菌等對航空材料也有一定的腐蝕、老化作用。
鎂合金具有足夠的壽命和抗疲勞破壞能力。飛機在起飛、降落以及遇到突風時, 飛機上的許多結構由于受交變載荷作用會產生疲勞破壞, 故為保證飛機的安全可靠性和生存力, 所用材料需具有良好的抗疲勞破壞能力。對于軍用飛機而言, 被武器擊中后繼續飛行的能力決定了其生存能力的強弱, 受傷程度相同的情況下, 只有繼續飛行能力強的飛機才具有一線生機。
航空飛行器中許多零部件的工作條件極其苛刻, 如超高溫、超低溫、高真空、高應力、強腐蝕等, 此外還受重量和容納空間的限制, 甚至需要在大氣層或外層空間長期運行, 無法停機檢查或更換零件, 質量確保可靠。隨著人類對外太空探索的不斷深入, 航空航天材料的性能要求更加苛刻。
二、鎂合金的性能特點及在航空航天領域的應用
燃料的負重難以減輕一直是航空航天領域中急需解決的難題, 而鎂合金在現有工程用金屬中密度最小, 約為鋁的2/3, 鋼的1/4, 這一優勢使其應用于航空航天領域成為可能[3]。將鎂合金的輕質量應用于航空航天, 則減輕了飛行機體的自重, 大大減輕了燃料的負擔。輕質對航空航天材料的重要性為鎂合金在航空領域的應用提供了機遇與挑戰。
科學家們不斷改變、調整鎂與合金元素的配比, 經過無數次的試驗研究得到的鎂合金, 其強度、彈性模量雖不及鋁合金和鋼, 但比剛度、比強度及比彈性模量卻與其相當, 已成功應用到航空航天領域, 且鎂合金具有良好的機械加工性, 故可用鎂合金制造剛性好的零部件及飛機非主要受力構件上。
鑒于鎂合金的低密度, 在飛機、導彈、飛船、衛星上得到了廣泛的應用。最初采用鎂稀土合金制造飛機和導彈的蒙皮、框架以及飛機起落架上的剎車輪轂[4]。隨著鎂合金新技術的不斷突破, 鎂合金在航空航天上的應用逐步擴大到強擊機、直升機、導彈、衛星等產品上。
鎂合金的密度雖低, 比強度、比剛度卻與鋁合金和鋼相近, 屬于輕質高強材料, 故可用于工作中承受各種載荷如沖擊載荷、交變載荷、振動載荷等零件的制造, 如飛機蒙皮和艙體、壁板, 發動機部件、輔助動力裝置、直升機的變速箱和傳動箱等。
有研究結果表明, 稀土高強鎂合金可取代部分中強鋁合金, 有的性能可以達到甚至超過高強度的2XXX系鋁合金, 在殲擊機上獲得應用[5]。隨著鎂合金制備技術的發展, 比剛度和耐熱、耐蝕性的進一步提高, 應用范圍進一步擴大, 由民用飛機的發動機零件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構零件逐漸擴大到軍用飛機、火箭、導彈以及衛星等領域。
鎂合金具有良好的阻尼效果, 減振效果優于鋁合金[6]。2014年12月, 我國第一套民用航空鎂合金座椅試制成功。作為我國自主研制、設計、加工制造和組裝的第一套民用航空鎂合金座椅在中航工業湖北航宇嘉泰飛機設備有限公司完成最后的組裝工作, 標志著我國第一套民機用鎂合金座椅試制成功。相同的鋁合金座椅主結構重9.3kg, 而該套座椅降至7.18kg, 質量降低22.8%[5]。2015年2月, 德國座椅制造商也成功生產出鎂合金航空座椅, 與鋁合金座椅保持相當的強度和韌性的同時減重25%[8], 這標志著鎂合金在航空領域的應用上了新的臺階。可以預測, 不久的將來鎂合金將成為飛行器輕量化的重要舉措, 為未來航空航天材料的減重將做出巨大貢獻。
利用鎂合金優良的鑄造性, 對于飛機發動機中一些形狀復雜、承力較小的結構件可用鎂合金制造, 如發動機附件機匣、直升機變速箱、以及驅動變速系統的外殼等。ZE41鎂合金鑄件用于制造“全球鷹”無人機裝配的AE-3007發動機中介機匣, WE43鎂合金鑄件用于制造F-16、F-18飛機配裝的F-110發動機附件機匣以及F-22飛機配裝的F-119發動機變速箱殼體[8]。
隨著鎂合金耐溫性的提高, ZM2、ZM3、ZM4、ZM5、ZM6等鑄造稀土鎂合金廣泛用于制造飛機各種發動機箱體、傳送箱和電源裝置。國產渦噴-7、渦噴-13發動機的前、后機匣和主機匣采用ZM2鎂合金制造, 國產殲-6飛機渦噴-6發動機的前艙鑄件和渦噴-11發動機的離心機匣等零件采用ZM3鎂合金制造;飛機液壓恒速裝置殼體采用ZM4鎂合金制造;ZM5鎂合金用于制造渦槳發動機的附件傳動機匣和減速器機匣。
ZM6鑄造鎂合金的室溫和高溫力學性能佳, 室溫下拉伸強度較高并具有一定的塑性, 高溫250℃以下的抗蠕變強度、持久強度及瞬時拉伸性能均優于ZM3和ZM4鑄造鎂合金, 可用于在高溫250℃以下長期工作并需保持一定強度的零部件, 如燃氣渦輪起動機的附件傳動后機匣。
利用鎂合金對石油和堿類物質具有抗腐蝕性的特點可以用于制造油管和油箱零件。飛機在海洋氣候環境下工作時要求其本身的材料具有良好的抗腐蝕性, 可采取一定措施提高鎂合金的抗腐蝕性, 以期在航空產品上得到應用。國外主要采用提高鎂合金純度的方法提高其抗蝕性能, 如美國通過降低AZ91鎂合金中重金屬雜質銅、鎳、鐵的含量, 研究出AZ91D和AZ91E高純鎂合金, 提高鑄造性能的同時提高了抗蝕性。實驗表明, AZ91E鎂合金的抗蝕性能已接近A357鑄造鋁合金, 這對擴大鎂合金在航空領域的應用意義非凡[9]。我國對ZM6鎂合金表面經化學處理后可大幅提高耐腐蝕性能, 用于制造直升機尾減速器主機匣可在海洋環境下使用。
三、展望
伴隨我國航空航天事業的快速發展, 采用輕質高強的新型鎂合金材料成為實現航空航天輕量化的重要手段。我國鎂資源豐富, 大力發展鎂合金科技、提升我國鎂產業的技術水平, 提高鎂合金在航空飛行器中的應用比例, 有效減輕航空航天機身重量。這就要求各高校、研究所及航空航天企業通力合作, 解決鎂合金在航空領域的應用難點, 擴大其應用范圍。與發達國家相比, 我國對鎂合金的研究起步較晚, 差距較大, 需要科學工作者的不斷努力。
一是繼續加大高性能鎂合金的開發研究, 擴大應用范圍。鎂合金在航空領域的應用國內當前主要集中于非承力/次承力結構件, 而國外在大型、復雜、承力結構件已有部分應用, 進一步提高鎂合金的性能, 擴大應用范圍。
二是提高鎂合金的耐腐蝕性, 以適應飛行器在海洋領域對航空航天材料的要求。我國的腐蝕防護技術距國外還有一定的差距, 鑄件成品率有待提高, 這大大限制了鎂合金在飛行器中的應用。
三是進一步提高鎂合金的加工制造性, 改善其對加工過程與加工條件的嚴格要求, 擴大變形鎂合金在航空領域的應用。
參考文獻:略
