ZM6鑄造鎂合金在空間飛行器主承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

李成祥，李海巖，張耀磊，王 彬，郭 劍

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心， 北京 100076)

輕質(zhì)化設(shè)計(jì)作為國內(nèi)外航天領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)方向之一，是提高導(dǎo)彈武器和空間飛行器機(jī)動(dòng)能力、飛行速度、射程及有效載荷的重要途徑。鎂合金是目前可工程化應(yīng)用密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比重輕、比強(qiáng)度及比剛度高、阻尼性及切削加工性好、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)和易于回收等性能優(yōu)勢(shì)[1]。因此將鎂合金材料應(yīng)用于空間飛行器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，無疑會(huì)顯著提高飛行器的機(jī)動(dòng)能力。然而，鎂合金化學(xué)性能極其活潑，存在耐蝕性差、燃點(diǎn)低、易氧化等缺點(diǎn)，鑄件容易形成縮松和熱裂紋，成品率低。這些缺點(diǎn)限制了其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 某空間飛行器主承力結(jié)構(gòu)

某空間飛行器采用整體式主艙段作為主承力結(jié)構(gòu)，上/下安裝板為輔助承力結(jié)構(gòu)，承受地面運(yùn)輸、吊裝、火箭運(yùn)載段和空間飛行段等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各種靜、動(dòng)載荷，保證結(jié)構(gòu)的完整性；為各系統(tǒng)和單機(jī)提供完整的安裝空間和良好的安裝精度，同時(shí)保證可靠的連接強(qiáng)度與剛度，給各電子產(chǎn)品提供良好的工作環(huán)境。

主艙段為柱形承力殼式結(jié)構(gòu)，既是主承力結(jié)構(gòu)，又是外形結(jié)構(gòu)，由艙壁、上/下法蘭端框、中間安裝板及基準(zhǔn)盒組成，艙段總高588 mm，外包絡(luò)直徑630 mm。艙壁為16面棱柱結(jié)構(gòu)，壁板厚3 mm，中間安裝板厚10 mm。上法蘭為外翻邊結(jié)構(gòu)，與上安裝板相連接。下法蘭端框?yàn)閮?nèi)外法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)法蘭與下安裝板相連接，外法蘭與轉(zhuǎn)接框相連接。為了滿足產(chǎn)品吊裝、測(cè)量及停放運(yùn)輸要求，主艙段上法蘭設(shè)計(jì)了4個(gè)基準(zhǔn)盒，作為產(chǎn)品加工、檢驗(yàn)、裝配、測(cè)量的基準(zhǔn)，見圖1。

主艙段是典型的薄壁結(jié)構(gòu)件，為了滿足整體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、小型化的要求，提高產(chǎn)品的機(jī)動(dòng)性，摒棄傳統(tǒng)采用鑄造鋁合金作為主承力結(jié)構(gòu)材料，采用ZM6鎂合金整體鑄造后再精密機(jī)械加工的成型方案。鎂合金在主艙段中的應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)有：

1) 鎂合金密度較低，與鋁合金相比，鎂合金材料的應(yīng)用可使主艙段減輕5kg左右；

2) 主艙段內(nèi)部裝有精密的電子產(chǎn)品，鎂合金材料具有較高的振動(dòng)阻尼容量，有極好的吸收能量的能力,可吸收振動(dòng)和噪音,保證設(shè)備正常工作；

3) 鎂合金切削阻力小，可采用較大的切削速度加工，有較高的穩(wěn)定性，鑄件有較高的加工精度，有利于滿足動(dòng)力系統(tǒng)的安裝精度[2]；

4) 在100 ℃以下，鎂合金可以長時(shí)間保持尺寸的穩(wěn)定；體積收縮僅為6%，冷卻至室溫的線收縮率為2%左右；在負(fù)載情況下具有良好的蠕變強(qiáng)度,這一特性能保證艙體結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定；

5) 鎂合金具有優(yōu)于鋁合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔電磁波功能,能提高飛行器的抗干擾能力，增強(qiáng)對(duì)抗能力。

2 鑄造鎂合金艙體制造

2.1 鑄造工藝

整體艙段采用ZM6鎂合金，為II類鑄件，100%探傷，100%熒光檢驗(yàn)。相對(duì)鋁合金材料，ZM6鎂合金密度小，液態(tài)金屬的熱焓量低，結(jié)晶溫度范圍達(dá)到120 ℃，合金凝固以粗大樹枝晶為主。另外，產(chǎn)品高度和直徑尺寸相近，側(cè)壁薄，中間板厚，采用常規(guī)低壓鑄造法，從一個(gè)方向(自下而上)充型補(bǔ)縮，鑄件無法得到有效補(bǔ)縮，易于出現(xiàn)縮松、裂紋缺陷。鎂合金結(jié)晶溫度范圍寬，縮松傾向嚴(yán)重，鑄造時(shí)熱裂傾向比鋁合金大，在熔化、澆注及溫度控制等方面都比鋁合金要求嚴(yán)格，不能完全依靠壓力補(bǔ)縮。鎂合金液易氧化燃燒，澆注過程必須在保護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行。澆注系統(tǒng)的截面積不宜太大，結(jié)晶保壓時(shí)間不能太長，否則容易引起燃燒[3]。由于鎂合金材料屬于輕金屬材料，化學(xué)性能極其活潑，鎂合金鑄造成形技術(shù)存在一定技術(shù)難度，其工藝流程如圖2所示。

根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鎂合金結(jié)晶溫度范圍相對(duì)較寬的特性，設(shè)計(jì)了低壓鑄造工藝。綜合低壓鑄造和縫隙式澆注的優(yōu)點(diǎn)，縫隙澆道分布在鑄件外壁上，鑄件上部增設(shè)冒口，關(guān)鍵部位加入冷鐵加速凝固細(xì)化晶粒，使鑄件整體趨于同時(shí)凝固[4]。金屬液在壓力作用下以底澆的方式注入型腔，鑄件邊凝固邊補(bǔ)縮，鑄件組織更致密，充型平穩(wěn)，充型速度可控。澆注后，整個(gè)鑄件在高度上的溫度分布是上高下低，有利于自下而上順序凝固。特別是在薄壁部位，采用快速澆注、高澆注溫度和鑄件周圍密集分布澆口避免滯流，保證熔體平穩(wěn)流動(dòng)，保證分散充型。在澆道口附近局部趨于順序凝固，以便通過縫隙澆道補(bǔ)縮，獲得內(nèi)部組織合格的鑄件[5]。采用退讓性好的樹脂砂，在砂芯中部添加填料，保證型芯的退讓性，可有效克服鑄件的熱裂和偏析缺陷。

鎂合金熔體性質(zhì)非?；顫?，容易和周圍介質(zhì)中的氧氣、氮?dú)夂退l(fā)生反應(yīng)，熔煉溫度一般為650～750 ℃，在高于850 ℃時(shí)熔體表面會(huì)自燃。在鎂合金熔煉過程中，通過采用熔劑保護(hù)、氣體保護(hù)或兩者結(jié)合的保護(hù)技術(shù)，阻止鎂與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生燃燒、爆炸現(xiàn)象；同樣，鎂合金澆注、冷卻過程需在氣體保護(hù)狀態(tài)下進(jìn)行[6]。

由于金屬液補(bǔ)縮不足，鎂合金鑄件在晶界及枝晶網(wǎng)絡(luò)間等地方容易產(chǎn)生尺寸細(xì)小且分散的疏松，對(duì)力學(xué)性能會(huì)造成不良影響。按照QJ168—85標(biāo)準(zhǔn)要求，II類鑄件疏松級(jí)別應(yīng)不大于3級(jí)。為掌握不同疏松級(jí)別缺陷對(duì)力學(xué)性能影響，從鎂合金鑄件缺陷部位取下材料，加工成試棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出，相近疏松缺陷材料的力學(xué)性能差別不明顯，隨著疏松級(jí)別加大材料力學(xué)性能呈變差趨勢(shì)，高溫條件下的力學(xué)性能比室溫條件下差，隨著處在高溫環(huán)境下的時(shí)間加長，力學(xué)性能變差[7]。

表1 鎂合金鑄件試棒拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 機(jī)械加工

主艙段屬薄壁型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，加工時(shí)易發(fā)生變形，而且尺寸精度要求高。鎂合金具有良好的切削加工性能和散熱性能，其切削阻力遠(yuǎn)小于其他金屬，產(chǎn)生的熱量能迅速擴(kuò)散到零件的各個(gè)部位從而散發(fā)，可實(shí)現(xiàn)加工過程中零件的變形量小[8]。為保證產(chǎn)品加工精度，選用先進(jìn)的數(shù)控銑加工中心進(jìn)行加工，并制定了專用的定位工裝，保證產(chǎn)品加工過程中不發(fā)生顫動(dòng)和大變形。通過研制攻關(guān)，掌握了鎂合金材料的加工特性，確定了主艙段復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工工藝，生產(chǎn)出合格的整體式鎂合金結(jié)構(gòu)件，見圖3。在加工過程中，還有以下5項(xiàng)注意事項(xiàng)[9]。

1) 為了提高鎂合金零件的力學(xué)性能和消除零件加工后的殘余應(yīng)力，需對(duì)零件進(jìn)行熱處理；

2) 高速切削時(shí)往往會(huì)使金屬切屑的溫度高達(dá)700～1 000 ℃，此溫度足以引燃鎂屑，因此，鎂合金艙體加工過程中，要控制好切削速度；

3) 鎂合金材料在切削加工過程中一般不需要切削液，只有在鉆、鏜深孔等排屑不好的情況才需要切削液。切削液使用黏度較低的礦物油。禁止使用普通的冷卻液，以免冷卻液中的水與鎂合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起火災(zāi)和爆炸事故；

4) 暴露于空氣中的鎂合金產(chǎn)品表面極易發(fā)生氧化，當(dāng)工件處于工序間等待超過兩周時(shí)，須進(jìn)行表面處理，防止工件被腐蝕；

5) 要及時(shí)清理機(jī)床內(nèi)及其周圍的切屑，避免鎂合金在加工過程中起火，引起安全事故。

2.3 表面處理技術(shù)

鎂是負(fù)電性較高的金屬之一，耐蝕性較差，鎂合金的氧化膜不致密，不能對(duì)內(nèi)部起保護(hù)作用，在干燥的空氣中具有耐腐蝕性，需要在鑄造、加工工序間保持工件干燥，加工超過兩周應(yīng)進(jìn)行工序間表面保護(hù)，加工完成后進(jìn)行最終防護(hù)處理[10-11]。

鎂合金防護(hù)工藝方法主要有化學(xué)氧化、陽極氧化、有機(jī)涂層和金屬涂層等?；瘜W(xué)氧化處理是目前鎂合金最常用的表面處理方法。由于化學(xué)氧化處理生成的氧化膜層是表面微孔結(jié)構(gòu)，厚度約3 μm，膜層硬度較低，顏色為深褐色，膜層的形貌如圖4(a)所示，用光學(xué)顯微鏡觀察存在龜裂現(xiàn)象，易劃傷脫落，不能作為產(chǎn)品的最終防護(hù)措施，可用于鎂合金加工過程中或短時(shí)間存放時(shí)的臨時(shí)表面防護(hù)處理，生成化學(xué)氧化膜層的主艙段產(chǎn)品見圖5(a)。鎂合金陽極氧化處理生成的氧化膜層與化學(xué)氧化處理的膜層類似，其致密性差，也不能作為產(chǎn)品的最終防護(hù)措施[12]。

主艙段最終防護(hù)采用等離子體微弧陽極氧化技術(shù)，使用雙向脈沖微弧氧化電源提供能源，電解液成分為硅酸鈉、氫氧化鈉和丙三醇，通過控制工藝參數(shù)有效降低起弧電壓和氧化電流，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。鎂合金微弧氧化膜層大致由疏松層、致密層以及過渡層構(gòu)成，疏松層陶瓷膜組織較為疏松，厚度較大，存在一些孔洞；致密層陶瓷膜組織致密；過渡層與基體金屬緊密結(jié)合[13]。與普通的化學(xué)氧化及陽極氧化膜相比，微弧氧化膜的空隙小，空隙率低，生成的膜與基體結(jié)合緊密、質(zhì)地堅(jiān)硬、分布均勻。膜層形貌如圖4(b)所示，其孔洞絕大部分為非穿透性，厚度達(dá)到10 μm左右，具有更高的耐蝕耐磨性能[14]。

主艙段通過等離子體微弧陽極氧化處理，表面形成灰白色陶瓷層，表面硬度大于HV750，形成的防護(hù)膜層表面光滑、致密，厚度均勻，結(jié)合力強(qiáng)，生成微弧氧化膜層的主艙段產(chǎn)品見圖5(b)。試樣按GJB 150.11A—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鹽霧腐蝕性能評(píng)價(jià)，在NaCl濃度為5%、pH值為6.5～7.2、溫度為(35±2)℃條件下，鹽霧壽命大于1 000 h。

3 結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度與靜剛度分析

在Pro/E軟件中建立飛行器結(jié)構(gòu)三維模型，然后導(dǎo)入FEA軟件MSC.Patran中，整個(gè)結(jié)構(gòu)全部采用殼單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，主艙段與上/下安裝板之間通過單元共節(jié)點(diǎn)連接，轉(zhuǎn)接框與主艙段之間通過beam單元建立連接。單元總數(shù)約6.5萬，節(jié)點(diǎn)總數(shù)7萬。添加產(chǎn)品材料屬性見表2。

表2 材料屬性

通過參考點(diǎn)模擬三個(gè)爆炸螺栓加載點(diǎn)。參考點(diǎn)與轉(zhuǎn)接框結(jié)構(gòu)之間通過與螺孔邊緣耦合連接，各單機(jī)質(zhì)量與結(jié)構(gòu)之間采用MPC剛性連接[15]。綜合分析飛行器在各工況下的受力情況，軸向最大過載7.2 g和橫向最大過載2 g共同作用下為極限工況，按照安全系數(shù)為1.25進(jìn)行加載分析，圖6所示為極限工況下的應(yīng)力云圖和位移云圖。主艙段上最大應(yīng)力約為26.7 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.64 mm，位于中安裝板上兩個(gè)貯箱之間，小于材料的屈服強(qiáng)度σ0.2=135 MPa，剩余強(qiáng)度系數(shù)為4，結(jié)構(gòu)靜剛度和靜強(qiáng)度性能較好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

采用同樣的有限元方法，分析了相同結(jié)構(gòu)尺寸鋁合金結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，應(yīng)力云圖和位移云圖如圖7所示。兩結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的力學(xué)性能參數(shù)值見表3。其中，鎂合金結(jié)構(gòu)比鋁合金結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度質(zhì)量比提高了10.2%，剛度質(zhì)量比提高了28.9%。

性能參數(shù)ZM6鎂合金結(jié)構(gòu)ZL114A鋁合金結(jié)構(gòu)密度ρ/(g·cm-3)1.82.7極限應(yīng)力σb/MPa235320最大應(yīng)力σm/MPa26.726.1最大變形量δ/cm0.1640.141強(qiáng)度質(zhì)量比σb/ρ130.6118.5剛度質(zhì)量比1/(δ·ρ)3.3872.627

4 結(jié)論

1) 實(shí)現(xiàn)了ZM6鎂合金鑄件在大尺寸承力結(jié)構(gòu)中的工程化應(yīng)用。仿真分析結(jié)果表明，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和靜剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，與鋁合金產(chǎn)品相比，強(qiáng)度質(zhì)量比提高10.2%，剛度質(zhì)量比提高28.9%。

2) ZM6鎂合金產(chǎn)品的功能和性能已通過地面靜力試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)考核，制造工藝基本成熟。

3) 鎂合金材料在航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用需要高校、研究所和航天企業(yè)相互合作，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，擴(kuò)大鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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