輕質高性能鎂合金開發(fā)及其在航天航空領域的應用

丁文江，吳國華，李中權，肖 旅，陳玉獅

(1. 上海交通大學 輕合金精密成型國家工程研究中心，上海 200240； 2. 上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

隨著航天航空和國防工業(yè)的快速發(fā)展，我國對高性能輕質結構材料的需求越來越大，并已制定了相應的輕量化目標，如：航空發(fā)動機推重比不小于10，戰(zhàn)略導彈彈頭單位側面積質量小于30 kg/m2，戰(zhàn)術導彈結構質量減小30%以上，衛(wèi)星結構質量減小5%左右，殲擊機的結構質量系數(shù)從32%～34%降至27%～28%等。鎂合金作為目前實際應用中最輕的金屬結構材料，能帶來巨大的減重效益[1-3]。1枚洲際導彈質量若減小1 kg，則運載火箭的起飛質量可減小50 kg，地面設備的結構質量可減小100 kg；戰(zhàn)斗機質量若減小15%，則其滑跑距離可縮短15%，航程增加20%，有效載荷質量增加30%；噴氣發(fā)動機結構質量若減小1 kg，則飛機結構質量可減小4 kg，升限高度提高10 m[3-4]。

純鎂的密度為1.74 g/cm3，約為鋁合金的2/3，鋅合金的1/3，鋼鐵的1/4，鈦合金的2/5，與多數(shù)工程塑料相當。鎂合金具有較高的比強度和比剛度，良好的尺寸穩(wěn)定性、導熱導電性，以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能，并具有高阻尼、電磁屏蔽、資源豐富、易回收利用等優(yōu)點，被譽為“21世紀綠色工程材料”[1]。限制鎂合金在航天航空領域應用的主要因素如下：高溫強度等材料強度偏低，抗蠕變性差；鎂合金鑄件容易形成縮松和熱裂紋，成品率低；鎂合金變形件塑性加工條件控制困難，導致組織與力學性能不穩(wěn)定[2,5]。

本文介紹了高性能鎂合金的開發(fā)研究現(xiàn)狀及鎂合金成形技術，重點介紹新型鎂合金材料在我國航天航空領域的應用。

1 高性能鎂合金材料開發(fā)

1.1 非稀土鎂合金

非稀土鎂合金主要包括Mg-Al系和Mg-Zn系鎂合金。Al是鎂合金中最主要的合金化元素，與Al合金化的Mg約占鎂合金應用總量的43%[6]。現(xiàn)有的Mg-Al系非稀土鎂合金主要是在AZ91合金中添加Ca，Mn等元素。如ZHU等[7]研究發(fā)現(xiàn)：在Mg-9Al-2Sn合金中添加微量Mn能形成Al8(Mn, Fe)5相，起到晶粒細化和促進時效強化的效果，對其進行T6熱處理后，Mg-9Al-2Sn-0.1Mn合金的抗拉強度、屈服強度分別為292 MPa，154 MPa，伸長率為5%。

在Mg-Zn系合金中，Zn主要起固溶強化作用，熱處理后可提高合金的屈服極限。在該系合金中添加Al，Zr，Mn等元素，可進一步提高合金力學性能。如：馮凱等[8]通過調整Zn，Al的質量分數(shù)，系統(tǒng)研究了Mg-(5%～20%)Zn-(0～6%)Al合金的組織和性能，發(fā)現(xiàn)ZA74合金經(jīng)半固態(tài)觸變壓鑄后，抗拉強度達352 MPa；WANG等[9]在Mg-Zn-Al-Mn合金中添加少量Cu元素，目的是使合金能在較高溫度下固溶，促進更多的Zn溶進鎂基體，并增強隨后的時效強化效果。研究發(fā)現(xiàn)：Mg-8.0Zn-1.0Al-0.5Cu-0.5Mn合金的屈服強度、抗拉強度分別為228 MPa，372 MPa，伸長率為16%。

1.2 含稀土鎂合金

稀土元素對鎂合金具有固溶和沉淀強化作用[10]。在Mg-Al系和Mg-Zn系合金中添加稀土元素能提高合金的室溫和高溫強度，提高高溫蠕變抗力，改善鑄造性能，有利于提高耐蝕性能。如ZHANG等[11]研究發(fā)現(xiàn)在AZ91壓鑄合金中添加質量分數(shù)為0.8%的富Y混合稀土后，初生α-Mg和共晶β-Mg17Al12相均得到細化，組織中形成了少量的Al2Y相，合金室溫拉伸的抗拉強度、屈服強度分別為270 MPa，160 MPa，伸長率為11%，且在150 ℃拉伸時仍可保持較高的力學性能。此外，合金的耐蝕性能也得到大幅度提高。但此類合金的室溫和高溫性能仍無法滿足航天航空材料的強度要求。

為進一步提高鎂合金的強度，上海交通大學研究了Mg-Nd，Mg-Gd，Mg-Y，Mg-Dy，Mg-Sm等多個Mg-RE系合金[10]，重點探討了合金的強韌化機制，發(fā)現(xiàn)JDM1～JDM4鎂合金具有優(yōu)良的綜合力學性能[12]，見表1。

表1 JDM1～JDM4的典型力學性能

JDM1鎂合金為Mg-Nd-Zn-Zr系合金[13]。強化機理主要是彌散Zr化合物和垂直基面的β″(Mg3Nd)亞穩(wěn)態(tài)析出相的協(xié)同強化，韌化機制主要是微量Zn，Zr元素促進室溫非基面位錯的滑移。合金典型的室溫拉伸屈服強度、抗拉強度分別為140 MPa，300 MPa，伸長率為10%。

圖1 JDM2合金時效析出相Fig.1 Precipitated phase of JDM2 alloy during aging treatment

JDM3鎂合金是Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金[15]。其在JDM2合金基礎上，引入適量Zn元素，使部分稀土元素與Zn原子形成高溫穩(wěn)定的長周期堆垛有序結構(LPSO)，LPSO具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗扭折能力，與析出相的慣析面垂直，形成“LPSO+析出相”共存強化單元。JDM3鎂合金在300 ℃下實驗室試棒的抗拉強度大于250 MPa。

JDM4鎂合金是Mg-Gd-Y-Ag-Zr系合金[16]。其在JDM2合金基礎上，通過Ag元素微合金化調控鎂稀土合金中沉淀析出相形態(tài)，形成“棱柱面析出相+基面析出相”的復合強化。JDM4鎂合金的室溫屈服強度超過300 MPa，抗拉強度可達420 MPa。

1.3 鎂鋰合金

鎂鋰合金密度一般為1.3～1.6 g/cm3，比普通鎂合金減小1/4～1/3，且減振和電磁屏蔽性能更為優(yōu)異，是航天航空和國防工業(yè)領域極具發(fā)展?jié)摿Φ慕Y構材料[4,15,17]。目前，關于鎂鋰合金的研究主要集中在Mg-Li-Al，Mg-Li-Zn或Mg-Li-Al-Zn系合金。在鎂鋰合金中添加Al，Zn分別形成時效強化相MgLi2Al和MgLi2Zn。但這2種相都是亞穩(wěn)相，在時效過程中容易分解成時效軟化相AlLi和MgLiZn，進而發(fā)生過時效軟化，導致鎂鋰合金的長期力學性能不穩(wěn)定。

研究表明：Ca，Sn，Cd，RE等同樣是鎂鋰合金的有效合金化元素。其中，稀土元素可與合金中的Al形成Al-RE第二相，如AlY，Al2Y，AL2La，Al2Ce,Al2Nd等，可有效抑制軟化相的形成，提升鎂鋰合金力學性能的穩(wěn)定性[18]。此外，Y,Gd等重稀土元素在鎂鋰合金中的固溶度較大，可起到較大的固溶強化效果。趙炯等[19]在Mg-8Li-3Al-2Zn(LAZ832)合金中添加少量Y元素，發(fā)現(xiàn)隨著Y元素含量的增加，合金的晶粒形貌由長條狀轉變?yōu)閳A球狀，晶粒尺寸逐漸減小，Al2Y相和β-Li相的含量逐漸增加，AlLi相的含量逐漸減少，如圖2所示[19]。LAZ832-0.5Y鑄態(tài)合金組織(見圖2(a))主要由α-Mg，β-Li，Al2Y，AlLi相組成，固溶后的大部分AlLi相溶入基體中(見圖2(b))，合金的屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為182 MPa，263 MPa，11.8%。目前該合金已用于導彈艙體試制。

圖2 Mg-8Li-3Al-2Zn合金的組織形貌Fig.2 Structural morphology of Mg-8Li-3Al-2Zn alloy

2 鎂合金成形技術

鎂合金成形工藝可分為液態(tài)成形和固態(tài)成形。其中：液態(tài)成形包括重力鑄造、低壓鑄造、壓鑄、擠壓鑄造、半固態(tài)成形等；固態(tài)成形又稱塑性加工成形，包括擠壓、軋制、鍛造、沖壓、拉深等。

2.1 重力鑄造

鎂合金可采用不同的重力鑄造方法生產，包括砂型鑄造、金屬模鑄造、半金屬模鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造等。其中，砂型鑄造的成本低，適用于大鑄件的小批量生產。如丁文江等[2]發(fā)明了鎂合金專用的非占位式轉移涂料技術：先將涂料涂在模樣表面上，然后在涂料上面充填造型材料，固化后涂層自發(fā)地轉移至型芯表面。涂層完整地復制了模型表面的形狀和粗糙度，顯著降低了鑄件表面的粗糙度，提高了鑄件尺寸的精度。涂層轉移法的關鍵是陰模制備，通過與快速成形和無收縮硅橡膠復膜等技術相結合來實現(xiàn)，可解決復雜鎂合金零件表面(非加工面)對粗糙度要求高的鑄造難題。該技術已經(jīng)用于鎂合金導彈殼體等產品的生產。

2.2 低壓鑄造

利用低壓鑄造平穩(wěn)充型和順序凝固的特點可生產出優(yōu)質的鎂合金鑄件。上海交通大學將涂層轉移制芯技術、坩堝液體金屬密封技術與低壓鑄造技術相結合，開發(fā)了鎂合金大型鑄件的精密低壓鑄造成型工藝，并采用雙爐熔爐、壓力轉爐方式保證鎂液的高純度。該工藝具有精密成型尺寸精度高、壓力凝固組織致密、涂層轉移表面光潔等優(yōu)勢，目前已具備研發(fā)并小批量生產質量為100 kg鎂合金鑄件的能力[2]。

2.3 壓鑄

壓鑄是指在高壓作用下，將液態(tài)或半固態(tài)合金熔體以高速度壓入模具型腔，熔體在壓力下凝固成形，從而獲得尺寸精確、輪廓清晰的鑄件的方法。由于鎂合金熔點較低(純鎂約為650 ℃)，凝固潛熱小，凝固速度快，且合金液黏度低、流動性好，因此特別適于壓鑄生產。但常規(guī)壓鑄的零件由于卷氣等原因容易產生氣孔而無法進行熱處理，且無法通過時效強化進一步提高性能。近幾十年來發(fā)展起來的真空壓鑄、充氧壓鑄和半固態(tài)壓鑄方法可解決該問題[3, 20]。

2.4 擠壓鑄造

擠壓鑄造，又稱液態(tài)模鍛，是對澆入模具型腔的液態(tài)金屬施加較高的壓力，金屬液在壓力作用下成形，從而獲得鑄件的方法[21]。該工藝結合了壓力鑄造和鍛造的優(yōu)點，可有效細化晶粒，減少疏松縮孔等缺陷。所得鑄件也能通過后續(xù)熱處理提高力學性能，該技術在高性能、厚壁鎂合金鑄件中具有廣泛的應用前景。近年來，越來越多的研究人員利用擠壓鑄造技術制備鎂合金材料[18,22-24]。如WANG等[18]利用擠壓鑄造技術制備了Mg-Gd-Y-Zr合金，研究了澆注溫度和壓力對合金組織與力學性能的影響。結果表明：Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金在壓力下凝固，能獲得細小、致密的組織，擠壓鑄造T6態(tài)合金的屈服強度、抗拉強度和伸長率分別比金屬模鑄造合金提高了9%，19%，114%。

2.5 半固態(tài)成形

半固態(tài)成形是20世紀70年代由美國麻省理工學院提出的一種先進金屬成形工藝[25]。該工藝與傳統(tǒng)的液態(tài)成形相比，具有成形溫度低、模具壽命長、可改善生產條件和環(huán)境、細化晶粒、減少氣孔和疏松縮孔、提高組織致密性、提高鑄件質量等優(yōu)點。此外，該工藝綜合了凝固加工和塑性成形的長處，即成形溫度低于液態(tài)、變形抗力小于固態(tài)，可一次以大變形量近凈成形大尺寸、復雜薄壁且精度和質量要求較高的零件。目前，用于鎂合金零件實際生產的只有半固態(tài)觸變射鑄成形技術[3]。該技術具有工藝簡單、自動化程度高等優(yōu)點，已應用于生產鎂合金汽車零件、計算機存儲器零件、筆記本電腦外殼和框架、手機外殼、航天航空工業(yè)儀器儀表等。

2.6 塑性成形

塑性成形包括擠壓、鍛造、軋制、沖壓、拉深等[1]。其中，鎂合金擠壓有以下優(yōu)點：可細化晶粒，可通過保留擠壓纖維織構提高強度，可獲得優(yōu)良的表面質量及良好的尺寸精度。目前，鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產品主要采用擠壓成形。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構而造成材料力學性能的各向異性等缺點[25]。

鎂合金鍛造一般有2種方式：自由鍛和模鍛。常用來鍛造的鎂合金有ZK系列和AZ系列。鎂合金鍛件的力學性能通常取決于鍛造過程中所產生的應變硬化程度。鍛造溫度越低，其應變硬化效果越顯著。但如果溫度過低，則鍛件容易開裂；如果溫度過高，則鍛件氧化嚴重[3]。為解決航天航空領域應用中大尺寸鎂合金鍛件制備的技術難題，上海交通大學基于大尺寸半連續(xù)鑄造坯料，將鎂合金塑性變形計算機模擬與實際鍛造工藝相結合，開發(fā)了鎂合金大型鍛件成型技術[2]。通過半連續(xù)鑄造方式制備大尺寸坯料，可制備的最大鑄錠坯料可達φ400 mm；通過計算機模擬確定鍛造工藝，確保鍛件各個方向的總變形量和變形溫升均勻，減小鍛件的各向異性；通過鍛件實際鍛造工藝與計算機模擬的對比研究，提高后續(xù)計算機模擬的準確度；通過鍛造后續(xù)熱處理，調整鍛件的力學性能。

鎂合金一般采用軋制成形的方法生產帶材及板材。軋制過程可細化晶粒，改善鎂合金組織，顯著提高鎂合金的力學性能。軋制溫度是鎂合金軋制過程中的關鍵參數(shù)。軋制溫度過低時，高應力集中，導致孿晶形核和切變斷裂；軋制溫度過高時，晶粒容易長大，使板材熱脆傾向增大[1]。

3 鎂合金在航天航空領域的應用

當前，世界各國開展了一系列項目對鎂合金展開深入研究，取得了諸多成果[26-27]。如歐盟在框架計劃 (framework programme for research，F(xiàn)P)中開展的“變形鎂合金在航空航天器的應用(aeronautical application of wrought magnesium，AEROMAG)”項目，共有空中客車公司、歐洲空客直升機公司(Eurocopter)、意大利阿萊尼亞(Alenia)公司、圣彼得堡輕金屬研究院、莫斯科航空材料研究院，以及7所大學、8個鎂材生產企業(yè)等20家單位參與，全方位研究鎂合金(主要為Mg-Al-Zn，Mg-Zn-Zr-RE，Mg-Y-RE系合金)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。結果表明：鎂合金可取代中等強度的5xxx鋁合金，對于某一項性能鎂合金可達到甚至超過高強度的2xxx合金，但綜合考慮強度、疲勞、加工、耐蝕、耐溫等性能，沒有一種鎂合金可與2xxx鋁合金等同。這說明在較長一段時間之內，鎂合金無法在結構制造層面上部分代替鋁合金，但可在航空工業(yè)中廣泛應用。此外，共有12個單位參與了航空工業(yè)鎂合金的成形新技術的研究。該項目采用鍛造、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制備不同航天航空零件，開發(fā)了許多可行的傳統(tǒng)鎂合金和新型鎂合金商業(yè)化成形方法。

在航天航空領域，鎂合金被廣泛應用于制造飛機、導彈、飛船、衛(wèi)星上的重要構件，以減小零件質量，提高飛行器的機動性能，降低航天器的發(fā)射成本[2]。圖3為美國海軍研發(fā)的AGM-154C無動力滑翔制導炸彈[28]。2007年，美國雷聲公司采用改進后的AZ91E合金和AZ91D合金制備AGM-154C連接艙艙體、尾艙艙體、翼片骨架、設備箱箱體等，力學性能和耐蝕能力均能滿足侵徹型制導炸彈的整體要求。德國金牛座系統(tǒng)公司和瑞典博福斯公司合作開發(fā)的動能侵徹和毀傷導彈KEPD-350(見圖4)于2010年交付使用，該導彈結構中的加強框、壁板、舵面、隔板等30余種零件分別應用了約100 kg的GW83，ZK61等高性能鎂合金[28]。2015年，德國座椅制造商ZIM Flugsitz GmbH公司利用美國Magnesium Eletron公司提供的Elektron?43鎂合金成功生產了航空座椅，該座椅在保持強度和韌性的前提下，可取代現(xiàn)有鋁合金座椅，質量減小25%[3]。

圖3 AGM-154C聯(lián)合防區(qū)外武器Fig.3 AGM-154C joint defense zone weapon

圖4 KEPD-350防區(qū)外對地攻擊導彈Fig.4 KEPD-350 off-site ground attack missile

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)。目前，我國殲擊機、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[1]。有關高校、研究所和航空航天企業(yè)對鎂合金在航天航空領域的應用也做了相關研究工作[3]。如：哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學采用等溫精密鍛造工藝、反重力真空低壓消失模鑄造方法等研發(fā)生產了鎂合金機匣、飛機導輪和排氣管；北京衛(wèi)星制造廠突破了大型鎂合金表面的防腐處理、機械加工、焊接技術，實現(xiàn)了大型鎂合金結構件在多個航天器上的應用；中國科學院金屬研究所研發(fā)的G04鎂合金已成功用于“神舟六號”載人飛船的電控箱，為其減重約13 kg，并使用G04鎂合金成功制造出“天宮一號”等型號中的航天器零部件；上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心采用涂層轉移精密鑄造技術、大型鑄件低壓鑄造技術、鎂合金大型鍛件成型技術、溫熱擠壓工藝等結合JDM1～JDM4鎂合金，制備了多種航天航空部件，滿足了某衛(wèi)星和火星探測器的使用要求，實現(xiàn)了20%～30%的減重效果。圖5為衛(wèi)星支架。圖6為某空天飛行器系列部件。圖7為CZ-6運載火箭所需的近1.5 t高性能大規(guī)格鍛件，其尺寸為400 mm×250 mm×210 mm。研究人員已研制出100件防爆盒類零件，比鋁合金產品質量減小30%，并具有更好的阻尼減振性能。采用高強度JDM合金研制成功的大尺寸鍛件，達到2024鋁合金大鍛件的水平。圖8為某型戰(zhàn)斗機導彈發(fā)射架，質量比之前產品減小25%。圖9為美國波音民用飛機公司研發(fā)的大飛機座骨椅架，該公司已完成了燃燒實驗、靜態(tài)及部分動態(tài)實驗。圖10為我國自主設計的新一代發(fā)動機機匣蓋。圖11為某型武裝直升機的傳動系統(tǒng)鎂合金機匣部件，突破了Mg-Y-RE鎂稀土合金伸長率低的瓶頸，在大型復雜薄壁鎂合金鑄造工藝技術方面取得了一系列重大突破。圖12為某輕型導彈艙體，滿足了艙體內表面(非加工面)對粗糙度的要求。上海航天精密機械研究所實現(xiàn)了Mg-Gd-Y系列鑄造鎂合金的批量工程化應用，飛行器結構件質量較以往產品減小25%，如圖13所示。

圖5 衛(wèi)星支架(尺寸為300 mm×300 mm×300 mm)Fig.5 Satellite bracket(size：300 mm×300 mm×300 mm)

圖6 某空天飛行器系列部件Fig.6 Parts of aerospace vehicle series

圖7 鎂合金在運載火箭中的應用Fig.7 Application of magnesium alloy in launch vehicle

圖8 某殲擊機導彈彈射架(尺寸為2 300 mm×300 mm×160 mm)Fig.8 Fighter missile projectile(size：2 300 mm×300 mm×160 mm)

圖9 大飛機座骨椅架Fig.9 Large aircraft seat frame

圖10 某新型發(fā)動機機匣蓋(尺寸為500 mm×220 mm×50 mm)Fig.10 New-type engine cover(size：500 mm×220 mm×50 mm)

圖11 某新型武裝直升機傳動系統(tǒng)鎂合金機匣部件Fig.11 Magnesium alloy machine parts for transmissionsystem of new-type gunship

圖12 某輕型導彈艙體Fig.12 Light missile nacelle

圖13 Mg-Gd-Y鑄造鎂合金艙體Fig.13 Mg-Gd-Y cast magnesium alloy cabin

4 結束語

隨著我國航天航空事業(yè)的飛速發(fā)展，輕質高性能鎂合金材料在航天航空領域的應用越來越廣泛，為航天航空制造業(yè)輕量化作出了重要貢獻。我國是鎂合金資源大國，應進一步加快發(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(jīng)濟優(yōu)勢轉變。新型鎂合金材料在航天航空領域的應用需要相關高校、科研院所和航天航空企業(yè)相互合作，在技術上不斷創(chuàng)新，不斷擴大鎂合金在航天航空領域的應用范圍。