轻量化是航空航天材料发展的重要趋势, 减轻机身及各零部件质量所带来的优势显而易见:可减少燃油消耗量、增加载重、延长飞机飞行时间、降低飞行成本。数据显示, 每减少1磅航空航天材料, 商用飞机的费用可减少300美元;战斗机减少3 000美元;航天器减少30 000美元[1], 由此可见航空材料的轻量化对航天飞行器成本的影响之重要。另外, 在节约成本的同时, 高速飞行的飞行器质量的减轻还可大大减少惯性, 提高飞行性能。镁的密度为1.74g/cm3, 在金属镁中添加一些合金元素构成镁合金依然是众多航空航天金属材料中质量最轻的, 仅相当于工程塑料的密度, 强度、刚度却高出工程塑料很多, 故镁合金若能大量应用于航空航天中将会带来巨大的减重效益, 节约成本。
镁合金作为“21世纪绿色工程材料”, 具有高的比强度和比刚度, 良好的尺寸稳定性、导热导电性, 抗振能力强、可承受较大冲击载荷, 以及优异的铸造、切削加工性能和易回收利用, 这些特性使其在航空航天领域占有一席之地, 可作为飞机、导弹、飞船、卫星等航空设备上重要构件材料。随着科技水平的不断进步, 航空航天领域的发展越来越离不开镁合金的参与。
一、航空航天材料的性能要求
航空航天材料首先要有足够的强度、刚度、且质量轻, 抵抗外载荷作用而不被破坏或发生形变, 通常情况下强度、刚度大的结构件质量过重, 质量太轻则刚度、强度不够, 因此应在满足设计所规定的强度刚度要求下实现质量最轻, 以便更多载人、载物, 延长飞行时间, 减少燃油或推进剂的消耗, 除结构设计合理外, 就是选用比强度、比刚度高的材料, 同时镁的加工性能优异且资源丰富, 价格相对低廉。
空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照等因素都会使飞行器中的部分零部件在飞行一段时间后处在一定的高温环境中, 加上飞行器长时间高速在空中飞行, 就要求这些零部件所用的材料具有良好的高温持久强度、抗蠕变强度、热疲劳强度, 高温下长期工作能保持优良的组织结构稳定性。
飞机在1万m的高空中飞行时, 气温会降到-50℃左右, 飞机处在一定的低温环境中, 这就要求在此低温环境下飞机各零部件不产生脆化现象[2]。又如液体火箭采用液氧和液氢作推进剂时, 液氧和液氢的沸点分别为-183℃和-253℃, 这也要求储存该推进剂的设备所用材料在此低温下满足所需性能要求, 诸如此类, 都对航空航天材料提出了更严峻的要求。
航空飞行器在空气、燃料、推进剂、各种润滑剂、液压油等腐蚀性介质中要有良好的耐老化性和高的耐腐蚀性能, 这些介质如汽油、煤油、浓硝酸、四氧化二氮、肼类等对材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用, 这就要求储存这些介质的器件具有一定的防腐性能;同时大气中太阳的辐照、风雨的侵蚀及地下潮湿环境中产生的霉菌等对航空材料也有一定的腐蚀、老化作用。
镁合金具有足够的寿命和抗疲劳破坏能力。飞机在起飞、降落以及遇到突风时, 飞机上的许多结构由于受交变载荷作用会产生疲劳破坏, 故为保证飞机的安全可靠性和生存力, 所用材料需具有良好的抗疲劳破坏能力。对于军用飞机而言, 被武器击中后继续飞行的能力决定了其生存能力的强弱, 受伤程度相同的情况下, 只有继续飞行能力强的飞机才具有一线生机。
航空飞行器中许多零部件的工作条件极其苛刻, 如超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等, 此外还受重量和容纳空间的限制, 甚至需要在大气层或外层空间长期运行, 无法停机检查或更换零件, 质量确保可靠。随着人类对外太空探索的不断深入, 航空航天材料的性能要求更加苛刻。
二、镁合金的性能特点及在航空航天领域的应用
燃料的负重难以减轻一直是航空航天领域中急需解决的难题, 而镁合金在现有工程用金属中密度最小, 约为铝的2/3, 钢的1/4, 这一优势使其应用于航空航天领域成为可能[3]。将镁合金的轻质量应用于航空航天, 则减轻了飞行机体的自重, 大大减轻了燃料的负担。轻质对航空航天材料的重要性为镁合金在航空领域的应用提供了机遇与挑战。
科学家们不断改变、调整镁与合金元素的配比, 经过无数次的试验研究得到的镁合金, 其强度、弹性模量虽不及铝合金和钢, 但比刚度、比强度及比弹性模量却与其相当, 已成功应用到航空航天领域, 且镁合金具有良好的机械加工性, 故可用镁合金制造刚性好的零部件及飞机非主要受力构件上。
鉴于镁合金的低密度, 在飞机、导弹、飞船、卫星上得到了广泛的应用。最初采用镁稀土合金制造飞机和导弹的蒙皮、框架以及飞机起落架上的刹车轮毂[4]。随着镁合金新技术的不断突破, 镁合金在航空航天上的应用逐步扩大到强击机、直升机、导弹、卫星等产品上。
镁合金的密度虽低, 比强度、比刚度却与铝合金和钢相近, 属于轻质高强材料, 故可用于工作中承受各种载荷如冲击载荷、交变载荷、振动载荷等零件的制造, 如飞机蒙皮和舱体、壁板, 发动机部件、辅助动力装置、直升机的变速箱和传动箱等。
有研究结果表明, 稀土高强镁合金可取代部分中强铝合金, 有的性能可以达到甚至超过高强度的2XXX系铝合金, 在歼击机上获得应用[5]。随着镁合金制备技术的发展, 比刚度和耐热、耐蚀性的进一步提高, 应用范围进一步扩大, 由民用飞机的发动机零件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构零件逐渐扩大到军用飞机、火箭、导弹以及卫星等领域。
镁合金具有良好的阻尼效果, 减振效果优于铝合金[6]。2014年12月, 我国第一套民用航空镁合金座椅试制成功。作为我国自主研制、设计、加工制造和组装的第一套民用航空镁合金座椅在中航工业湖北航宇嘉泰飞机设备有限公司完成最后的组装工作, 标志着我国第一套民机用镁合金座椅试制成功。相同的铝合金座椅主结构重9.3kg, 而该套座椅降至7.18kg, 质量降低22.8%[5]。2015年2月, 德国座椅制造商也成功生产出镁合金航空座椅, 与铝合金座椅保持相当的强度和韧性的同时减重25%[8], 这标志着镁合金在航空领域的应用上了新的台阶。可以预测, 不久的将来镁合金将成为飞行器轻量化的重要举措, 为未来航空航天材料的减重将做出巨大贡献。
利用镁合金优良的铸造性, 对于飞机发动机中一些形状复杂、承力较小的结构件可用镁合金制造, 如发动机附件机匣、直升机变速箱、以及驱动变速系统的外壳等。ZE41镁合金铸件用于制造“全球鹰”无人机装配的AE-3007发动机中介机匣, WE43镁合金铸件用于制造F-16、F-18飞机配装的F-110发动机附件机匣以及F-22飞机配装的F-119发动机变速箱壳体[8]。
随着镁合金耐温性的提高, ZM2、ZM3、ZM4、ZM5、ZM6等铸造稀土镁合金广泛用于制造飞机各种发动机箱体、传送箱和电源装置。国产涡喷-7、涡喷-13发动机的前、后机匣和主机匣采用ZM2镁合金制造, 国产歼-6飞机涡喷-6发动机的前舱铸件和涡喷-11发动机的离心机匣等零件采用ZM3镁合金制造;飞机液压恒速装置壳体采用ZM4镁合金制造;ZM5镁合金用于制造涡桨发动机的附件传动机匣和减速器机匣。
ZM6铸造镁合金的室温和高温力学性能佳, 室温下拉伸强度较高并具有一定的塑性, 高温250℃以下的抗蠕变强度、持久强度及瞬时拉伸性能均优于ZM3和ZM4铸造镁合金, 可用于在高温250℃以下长期工作并需保持一定强度的零部件, 如燃气涡轮起动机的附件传动后机匣。
利用镁合金对石油和碱类物质具有抗腐蚀性的特点可以用于制造油管和油箱零件。飞机在海洋气候环境下工作时要求其本身的材料具有良好的抗腐蚀性, 可采取一定措施提高镁合金的抗腐蚀性, 以期在航空产品上得到应用。国外主要采用提高镁合金纯度的方法提高其抗蚀性能, 如美国通过降低AZ91镁合金中重金属杂质铜、镍、铁的含量, 研究出AZ91D和AZ91E高纯镁合金, 提高铸造性能的同时提高了抗蚀性。实验表明, AZ91E镁合金的抗蚀性能已接近A357铸造铝合金, 这对扩大镁合金在航空领域的应用意义非凡[9]。我国对ZM6镁合金表面经化学处理后可大幅提高耐腐蚀性能, 用于制造直升机尾减速器主机匣可在海洋环境下使用。
三、展望
伴随我国航空航天事业的快速发展, 采用轻质高强的新型镁合金材料成为实现航空航天轻量化的重要手段。我国镁资源丰富, 大力发展镁合金科技、提升我国镁产业的技术水平, 提高镁合金在航空飞行器中的应用比例, 有效减轻航空航天机身重量。这就要求各高校、研究所及航空航天企业通力合作, 解决镁合金在航空领域的应用难点, 扩大其应用范围。与发达国家相比, 我国对镁合金的研究起步较晚, 差距较大, 需要科学工作者的不断努力。
一是继续加大高性能镁合金的开发研究, 扩大应用范围。镁合金在航空领域的应用国内当前主要集中于非承力/次承力结构件, 而国外在大型、复杂、承力结构件已有部分应用, 进一步提高镁合金的性能, 扩大应用范围。
二是提高镁合金的耐腐蚀性, 以适应飞行器在海洋领域对航空航天材料的要求。我国的腐蚀防护技术距国外还有一定的差距, 铸件成品率有待提高, 这大大限制了镁合金在飞行器中的应用。
三是进一步提高镁合金的加工制造性, 改善其对加工过程与加工条件的严格要求, 扩大变形镁合金在航空领域的应用。
参考文献:略
