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航天用超輕鎂鋰合金研究進展

2018-10-08 12:50:48 作者：馮凱，李丹明，何成旦，陳學康來源：蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室分享至：

鎂鋰合金被認為是最輕的結構材料之一,密度比普通鎂合金輕1/4~1/3,比鋁合金輕1/3~1/2,同時,鎂鋰合金具有較高的比強度和比剛度?彈性模量高?抗壓屈服強度高?各向異性不明顯?塑性和沖擊韌度好?對缺口敏感性低和良好的阻尼性能等,是航天?航空?兵器工業?核工業?汽車?3C產業?醫療器械等領域理想的結構材料之一?在航天領域,隨著衛星和航天器小型化趨勢的發展,在相同承載能力條件下,鎂鋰合金可以替代一些相對質量較大的結構材料,減輕衛星和航天器的質量,從而使航天器可攜帶更多燃料和有效載荷,發揮更大的功能和作用,進而產生巨大的經濟效益,尤其在深空探測器?微納衛星方面?本課題重點對鎂鋰合金國內外研究與應用現狀?航天領域的應用前景和需解決的關鍵技術問題進行綜述,為鎂鋰合金在航天領域的應用提供參考?

1 鎂鋰合金研究與應用現狀

1.1 國內外研究現狀

國外對鎂鋰合金的研究較早,而且發達國家對鎂鋰合金的研制越來越重視?鎂鋰合金的研究主要涉及基礎理論研究和產業化開發,集中在合金制備?新型合金開發?合金化?加工成型方法?表面處理等方面,其中在合金的微觀組織?強化機理?超塑性成形機理?工藝優化等方面取得了大量成果?目前研究開發出的一系列鎂鋰合金主要有LA141?LA91?LAZ933?MA21?MA18等牌號,力學性能見表1?通常添加的合金元素主要有Al?Zn?Si和RE等,形成Mg-Li-Al?Mg-Li-Zn?Mg-Li-Si?Mg-Li-RE系合金和Mg-Li基復合材料,并且可采用鑄造?擠壓?軋制?焊接等多種成形工藝對其加工,合金的抗拉強度在140~310MPa之間,其中劉旭賀等,王昌等對LA141?LA91合金的冷軋及退火進行了研究,為鎂鋰合金的實際應用提供了參考?另外,對部分鎂鋰合金的超塑性變形行為進行了研究,發現LA141和LA91合金具有460%~610%的超高塑性?

在鎂鋰合金表面處理方面,國外研究較早,在前期研究和應用中主要采用的是陽極氧化技術?NASA應用的鎂鋰合金采用陽極氧化技術改善其耐蝕性?

SHARMA A K 等在K2Cr2O7?(NH4)2SO4弱酸性溶液中通直流電獲得黑色的陽極氧化膜層,膜層具有很好的吸光性,適用于航天飛機和宇宙飛船上?目前,鎂鋰合金陽極氧化膜大都是在含Cr的電解液中制備,由于其對人體和環境有很大的毒害,并且膜層都為黑色,使用范圍相對較窄?

在鎂鋰合金輕量化方面也進行了大量研究,如開發出了密度為0.95g/cm3 的鎂鋰合金,該材料可浮于水面上,可用于航天以及諸如筆記本計算機等需要使用堅固而又輕質材料的電子產品?雖然我國鎂?鋰資源豐富,但對Mg-Li合金的研究較晚,自20世紀90年代起才開始對Mg-Li合金進行研究,主要是由于Mg-Li合金熔煉比較困難?工藝復雜?力學性能相對較低,高溫性能?耐蝕性差,以及研制成本較高等?

近年來,對Mg-Li合金研究和制備日益增多,在鎂鋰合金的熔煉制備?加工和表面處理等方面實現了關鍵技術突破,其中西安四方超輕材料有限責任公司和中國鋁業鄭州研究院實現了鎂鋰合金的產業化發展?前者在2010年建成我國第一條鎂鋰合金生產線,掌握了鎂鋰合金產品的制備技術;后者掌握鎂鋰合金熔鑄與加工關鍵技術,2012年可生產寬度>350mm?厚度<1mm,并可進行室溫沖壓的3C產品用薄板,2013年生產出寬度>600mm的板材和大型鍛件?張密林以鎂鋰合金為研究對象,對材料輕量化進行深入研究,研制的合金強度能達到300MPa左右,伸長率達10%以上,密度小于1.65g/cm3,并能獲得各種尺寸的擠壓件和軋制件(冷軋薄板能達到小于0.5mm)?另外,研究者在Sr?Y?Ce等合金元素對鎂鋰合金進行合金化處理方面也做了大量工作研究了其微觀組織及力學性能變化?任友良等,顧永坤等對衛星用的鎂鋰合金埋件螺紋的強度?膠接等性能進行了研究,為鎂鋰合金在衛星上的應用提供參考?

國內在鎂鋰合金表面處理方面也采用了陽極氧化技術,如LI J F等在Mg-10.02Li-3.86Zn-2.54Al-1.76Cu合金表面獲得陽極氧化膜層,但是膜層中含有較高含量的鉻離子?近年來,微弧氧化技術在鎂鋰合金表面處理方面研究較多?景曉燕等在堿性磷酸鹽體系中以直流脈沖電源在鎂鋰合金表面成功制備了與基體結合良好的耐蝕性微弧氧化膜層,氧化膜層的結構是由疏松層和致密層組成的雙層結構,顯著提高了鎂鋰合金的耐蝕性能?另外,微弧氧化復合處理技術得到快速發展,如微弧氧化+硅溶膠處理?微弧氧化+化學轉化膜處理等技術?添加硅溶膠后的微弧氧化膜層中表面單位面積內微孔的數目及孔徑明顯減小,相應的膜層耐蝕性能與基體結合力得到提高?盧一對Mg-5.6Li合金進行表面微弧氧化+化學轉化膜處理,經復合處理后表面生成的球狀顆粒填充在微弧氧化膜的結構缺陷處(孔隙),一方面提高了膜層的致密性,另一方面阻擋了腐蝕介質的通道,一定程度上延緩了電解液通過微孔或微裂紋向合金基體浸滲,提高了合金在腐蝕介質中的耐蝕能力?李思振等對鎂鋰合金低吸收/高發射微弧氧化熱控膜層技術進行了研究,制備的膜層均勻致密且與基體結合良好,膜層具有低吸收?高發射的熱控特性,各項性能均滿足宇航產品性能要求?

1.2 鎂鋰合金應用現狀

20世紀60年代,美國NASA中心為了制造航天飛機?人造衛星及發射用火箭,對Mg-Li基合金展開了大量研究工作,開發和研制了LA141A?LA91?LAZ933A?Mg-14Li-0.5Si等Mg-Li基合金,代替了常用的鎂合金?鋁合金及鈹等材料,在阿金納助推器及其所發射的多個衛星部件上獲得應用?其中LA141合金被納入航空材料標準AMS4386,用于制造電器儀表的框架和外殼防護罩?防宇宙塵壁板等?洛克希德馬丁與IBM 合作,開發了航天飛機Stern-V 用的鎂鋰合金部件?IBM 研制加工的鎂鋰合金在Saturn V運載火箭計算機室獲得應用,結構質量減少了20kg,顯著降低了成本?同時,美國開發成功的LAZ933合金用于制造M113裝甲運兵車車體部件,并通過了道路行駛試驗?

美國休斯飛機公司與軍方開發的TOW(管射式光學追蹤線導式導彈發射器管筒)中瞄準裝置的圓盤也是用鎂鋰合金制造的?國外鎂鋰合金在航天器上應用情況見表2和圖1?德國漢諾威大學成功研制了鎂鋰合金心血管植入件,開辟了鎂鋰合金新的應用領域?日本則將輕量化的鎂鋰合金應用于擴音器和眼鏡等民用產品,另外在筆記本電腦?手機殼體以及揚聲器振膜?儀器儀表殼體等方面也得到應用?日本NEC和聯想開發的LaVie Z超級本于2012年上市,該產品首次采用鎂鋰合金制造機身,整機質量小于999g?臺灣CNC工廠用鎂鋰合金制造出了自行車的全車車架?隨著制備技術?表面改性技術及力學性能等的提高,鎂鋰合金將在更多行業中得到應用?

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目前,國內部分鎂鋰合金產品已投入到市場中,但是,在航天領域中的應用還相對較少,主要是由于該合金的生產成本高和力學性能低限制了其廣泛應用?因此,應針對該合金應用中存在的問題制定解決途徑及發展目標,從而實現鎂鋰合金在汽車?武器裝備以及航空航天等方面的廣泛應用[28~30]?

2 鎂鋰合金在航天領域的應用前景

國內鎂合金在航空航天領域應用較晚?我國以“尖兵三號”為代表的一系列衛星中,如貯箱?相機等設備的支撐結構均采用了鎂合金薄壁框架型結構作為承力主要構架?嫦娥三號的電子設備機箱結構已使用鎂合金材料,電子產品機箱通過膜層元素的改性摻雜和微觀結構的定向控制,實現微弧氧化膜層的防腐?熱控功能的攻關,以達到“外表面”熱控,“內表面”導電及整體防腐的目的,最終在鎂合金表面制備出了外觀均勻,熱控性能穩定的微弧氧化熱控膜層?我國的神舟7號載人飛船釋放的伴飛小衛星采用輕型鎂鋰合金材料作為主結構框架,使整星質量不超過40kg?2015年,“浦江一號”衛星上部分結構件使用了新型鎂鋰合金材料?2016年,我國發射的首顆全球二氧化碳監測科學實驗衛星應用了自主研制生產的新型鎂鋰合金材料?

隨著我國航空航天技術的發展,以及鎂合金在航天方面的應用,有更多的結構件使用鎂合金,包括更具優勢的輕量化鎂鋰合金?隨著鎂鋰合金在力學性能?耐蝕性等方面的提高,將有可能取代鋁合金和其他鎂合金,這將減輕航天器質量,促進航天事業的發展?

3 航天用鎂鋰合金關鍵技術

雖然鎂鋰合金在未來航天領域中具有非常廣闊的應用前景,但是在其制備與研制上需要克服和解決大量的技術難題,包括材料制備?強化?加工成形?表面防護等技術?

3.1 鎂鋰合金制備技術

一般的金屬材料,包括常用的鎂合金都是通過熔煉等方法制備,但由于鎂鋰合金中的鎂和鋰都是非常活潑的金屬元素,因此,鎂鋰合金在制備方面存在一定的難度?目前鎂鋰合金制備最主要的是混熔-對摻法和熔鹽電解法?在混熔-對摻法制備鎂鋰合金時,首先保證原材料的質量,盡量避免含有雜質元素的材料;盡可能采用真空感應爐熔煉,并在惰性氣體和熔劑保護下進行,對熔煉工藝細節嚴格控制,包括加料順序?升溫速度?精煉溫度?熔體保溫時間?攪拌時間?澆注溫度?熔體轉移?氣體保護?模具溫度等各方面因素?熔鹽電解法制備鎂鋰合金時,熔鹽體系的選擇?電解槽的設計?電化學機理?電解工藝參數控制?合金產物與鹽的分離?精煉等方面非常重要,同樣要考慮各環節的制約因素和材料的穩定性?

3.2 鎂鋰合金強化技術

鎂鋰合金雖具有較高的比強度和比剛度等優點,但是其抗拉強度?屈服強度相比其他結構材料要低,這限制了其應用,因此鎂鋰合金的強化技術非常關鍵?材料強化可通過合金化?細晶強化?固溶強化?熱處理等手段來實現,并且還可以通過采用一些先進成形技術達到強化目的?鎂鋰合金中富鋰β相具有低強度?高塑性的特點,因此通過合金化的方法,在基體內形成彌散析出的強化相,改變富鋰β 相的形態?數量?尺寸及分布,是提高鎂鋰合金綜合力學性能的關鍵?同時,鎂鋰基復合材料的研究也將是提高強度的一種有效方法?另外,鎂鋰合金在航天器上的應用以埋件形式的結構件為主,在這些零部件上普遍存在著螺紋,螺紋的強度必須滿足衛星上的使用要求,因此,螺紋強化技術也是應用關注的熱點和難點?

3.3 鎂鋰合金加工成形技術

在航天應用領域,結構材料在力學性能滿足應用要求的前提下,材料自身的加工性,隨著3D打印?激光成形?電子束焊接?半固態成形等新技術的開發,對鎂鋰合金在加工成形方面提出了更高的要求,并能拓展鎂鋰合金的應用范圍?加工成形后的鎂鋰合金結構件在空間高?低溫環境下應具備較高的穩定性?結構變形小?強度變化幅度小?應力集中小,制造航天器結構件還需保證產品的成品率和質量要求?美國NASA為了驗證鎂鋰合金利用電弧焊接方法的可行性,通過電弧焊實現了LA141A和LA91A焊接為一個壓力容器?在低溫條件下焊接件的強度和韌性良好,可用于一些中等負荷的航空航天結構件,但是在高溫下焊接件的性能較差?

另外,攪拌摩擦焊比較適合于航天器大型鎂合金復雜結構件毛坯料的焊接,如衛星鎂合金承力底盤?安裝肼瓶用的鎂合金支架?大梁等,因此焊接成形是鎂鋰合金結構件必不可少的加工成形手段,焊接過程中的工藝和產品質量是決定其應用的關鍵因素?

3.4 鎂鋰合金表面防護技術

鎂?鋰都具有很高的化學活性,高鋰含量的鎂鋰合金在潮濕和腐蝕性環境中會發生強烈的均勻腐蝕,因此,這也成為限制鎂鋰合金實際應用的關鍵因素之一?

未來大多數航天器將在海上發射,則航天器在海上運輸及存儲上將面臨潮濕的海洋大氣等惡劣環境,這對耐蝕性較差的鎂鋰合金是嚴峻的考驗;另外,將鎂鋰合金應用于航天器上,還需考慮空間環境對其作用和影響,比如在空間各種射線的輻照?原子氧侵蝕?帶電粒子碰撞等,必須對其采用表面防護技術處理?為保證航天器產品在空間環境中的穩定性,需要減少產品對空間輻射能量的吸收以及輻射出內部元器件工作時放出的富余熱量,因此需在宇航鎂鋰合金產品表面原位生長出一層與基體附著力良好,具備防腐?低吸收?高發射的熱控一體化功能膜層?目前,國內外已有研究表明,利用陽極氧化?微弧氧化等表面處理技術可以得到致密的陶瓷氧化膜,顯著改善鎂鋰合金的耐蝕性和耐磨性?鎂鋰合金表面防護膜層功能可向多樣化發展,要求膜層不僅要具有防腐?耐磨等功能,而且向熱控?導電等方面發展,適合更苛刻的應用環境?

4 結語

結合鎂鋰合金研究現狀,采用先進的制備方法及成形加工技術,解決鎂鋰合金制備?力學性能及耐蝕性等方面的關鍵技術與困難,研制出高比強度?高比剛度的鎂鋰合金,適用于航天領域的一些低承力的結構件,并能承受空間高低溫?輻照等惡劣環境的考驗,確保該合金材料在空間應用中的高可靠性;通過先進的表面工程技術處理,使得鎂鋰合金表面防護膜層功能可向多樣化發展,要求膜層不僅要具有防腐?耐磨等功能,而且向熱控?導電等方面發展,適合更苛刻的應用環境?進一步加大對鎂鋰合金的基礎研究,解決鎂鋰合金應用所需的關鍵技術和瓶頸,開發新型高強鎂鋰合金,對其微觀組織結構進行深入研究,在新方法?新工藝和新結構等方面開展工作,揭示材料的成形理論?強韌化機理?加工過程中的組織結構的演變規律?服役過程性能演變規律等,研究適合鎂鋰合金成形的先進加工方法,為我國鎂鋰合金在航天領域的應用做出貢獻?