鎂合金作為“21世紀(jì)綠色工程材料“，具有高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性，抗振能力強(qiáng)，可承受較大沖擊載荷，以及優(yōu)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(lǐng)域占有一席之地，可作為飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星等航空設(shè)備上重要構(gòu)件材料，隨著科技水平的不斷進(jìn)步，航空航天領(lǐng)域的發(fā)展越來越離不開鎂合金的參與。

表1 20世紀(jì)鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

航空航天工業(yè)對(duì)材料性能的要求

1 航空航天產(chǎn)品工作的極端條件。

由于航空航天產(chǎn)品工作的特殊性，因此對(duì)材料提出了如下苛刻的性能要求：

①低密度。由于飛行器的質(zhì)量直接影響到它的機(jī)動(dòng)性能，而空間站和衛(wèi)星的質(zhì)量決定了對(duì)運(yùn)送工具的要求和費(fèi)用，所以航空航天要求材料盡可能的輕質(zhì)，也就是盡可能的低密度。表1為航空航天材料每減少0.45kg質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。商用飛機(jī)與汽車減重相同質(zhì)量帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100倍，而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10倍。更重要的是其機(jī)動(dòng)性能改善可以極大提高戰(zhàn)斗力和生存能力。所以鎂合金的低密度，為它在航空航天中的應(yīng)用提供了較好的條件。

表2 航空航天材料每減少0.45kg質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益

②剛度和熱導(dǎo)率。材料的比剛度和熱導(dǎo)率是非常關(guān)鍵的參數(shù)。鎂合金具有比剛度高和高的熱導(dǎo)率。可使某些部位的振動(dòng)（飛機(jī)的機(jī)翼）以及在低重力、高真空的太空環(huán)境中，可避免太陽照射使得電子設(shè)備過熱而燒毀。

③減振能力。鎂合金具有良好的減振能力，可以保證航空航天產(chǎn)品承受較大的振動(dòng)載荷；鎂合金還具有高比強(qiáng)度、防輻射、良好的尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽性，可以抵御短波輻射和高能粒子的“轟擊”。

2 航空航天工業(yè)對(duì)材料性能的要求。

結(jié)構(gòu)減重和結(jié)構(gòu)承載與功能一體化是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重要方向。航空、航天領(lǐng)域要求鎂合金力學(xué)性能和高溫性能優(yōu)異，抗蝕性好，有良好的綜合性能。適合的合金包括AZ91E、QE22（MSR）、ZE41（RZ5）、EQ21、（ZRE1）、WE43等，其性能比較見圖1。從圖中可知，飛機(jī)的各種機(jī)箱體、傳送箱和電源裝置，直升機(jī)主要傳送系統(tǒng)的零部件，螺旋槳系統(tǒng)可以采用ZE41和QE22合金制造；而在高溫下服役的零部件可采用WE43或EQ21合金制造。另外，WE43合金還具有極好的耐蝕性能，可用作飛機(jī)螺旋槳罩殼。Mc Donnell Dougles MD50直升飛機(jī)采用了WE43合金的變速箱殼體。

圖1 鎂合金的主要性能

目前，常用的航空航天鑄造鎂合金及其性能和用途見表2。

表2 航空航天工業(yè)常用鑄造鎂合金的性能和用途

鎂合金材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用與開發(fā)

1 國外航空航天工業(yè)中的鎂合金應(yīng)用情況

過去RZ5鎂合金通常用于制造直升飛機(jī)的變速箱殼體和傳動(dòng)箱殼體，后來由于航空工業(yè)對(duì)材料的安全使用期限和抗腐蝕性能提出了更高的要求，使得WE43鎂合金逐漸取代了RZ5的位置而成為制造包括主變速箱殼體在內(nèi)的眾多直升機(jī)部件的首選鎂合金材料，比如歐洲直升機(jī)公司EC120型民用直升機(jī)和北約直升機(jī)工業(yè)公司的NH90軍用直升機(jī)就采用了WE43合金制造的變速箱殼體。

ZRE1,MSR和EQ21鎂合金也都被廣泛用于飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，如同WE43鎂合金由于具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和高溫性能而廣泛用于變速箱殼體一樣，這些合金的應(yīng)用也將會(huì)得到持續(xù)增長。許多大型鎂合金鑄件由于有這些鎂合金而得以制造，比如MSR鎂合金制造的重達(dá)130kg的勞斯萊斯Tay和BR710型發(fā)動(dòng)機(jī)的空壓機(jī)殼體。其他的航空應(yīng)用包括MSR或RZ5制造的F16,“歐洲戰(zhàn)機(jī)”EF2000、旋風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)的輔助變速箱殼體，MSR或EQ21制造的“airbus”A320、旋風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)和協(xié)和超音速飛機(jī)的發(fā)電機(jī)殼體。

進(jìn)入21世紀(jì)，鎂及鎂合金正重新登上航空航天的舞臺(tái)。歐盟自1996年以來在FP4、FP5、FP6領(lǐng)域內(nèi)開展了一系列項(xiàng)目對(duì)鎂合金進(jìn)行研究。其中，對(duì)未來航空航天領(lǐng)域起指導(dǎo)作用的主要有兩個(gè)項(xiàng)目，具體介紹如下：

2005年3月至2008年12月，歐盟在FP6 框架內(nèi)實(shí)施了一個(gè)名為“變形鎂合金在航空航天器的應(yīng)用（Aeronautical application of wrought magnesium，AEROMAG）”的研究項(xiàng)目，共有20個(gè)單位參與，其中有3個(gè)航空航天制造企業(yè)即空客公司、歐洲直升機(jī)公司（Eurocopter）和意大利阿萊尼亞（Alenia）公司，2個(gè)俄羅斯的研究院、即圣彼得堡輕金屬研究院和莫斯科航空材料研究院，還有7所大學(xué)、8個(gè)鎂材生產(chǎn)企業(yè)參與，對(duì)鎂合金的冶煉、成形工藝、燃燒性能、表面處理、連接技術(shù)和結(jié)構(gòu)性能等進(jìn)行了全方位的研究，取得一系列成果。

該項(xiàng)目所用鎂合金主要為Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr-Re和Mg-Y-Re系合金。一系列研究結(jié)果表明，鎂合金可以取代中等強(qiáng)度的5xxx鋁合金，對(duì)于某一項(xiàng)性能鎂合金可以達(dá)到甚至超過高強(qiáng)度的2xxx合金，但是綜合考慮強(qiáng)度、疲勞、加工、耐蝕、耐溫等性能，沒有一種鎂合金可以與2xxx鋁合金等同。這說明在較長一段時(shí)間之內(nèi)，鎂合金不可能在結(jié)構(gòu)制造層面上部分代替鋁合金，而在航空工業(yè)中廣泛應(yīng)用。2006年8月至2009年9月，歐盟在FP6框架內(nèi)實(shí)施了AEROMAG項(xiàng)目的姊妹項(xiàng)目—航空工業(yè)鎂合金的成形新技術(shù)研究。共有12個(gè)單位參與了該項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用鍛造、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(shù)，用以制造不同航空航天零件。MAGFORMING項(xiàng)目開發(fā)了許多可行的傳統(tǒng)鎂合金和新型鎂合金的商業(yè)化成形方法。根據(jù)這兩個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果，Ostrovsky I 等預(yù)測在2015~2020年期間，民用飛機(jī)使用10%~15%的鎂合金零部件是符合實(shí)際的目標(biāo)。

美國海軍衛(wèi)星上已將鎂合金復(fù)合材料用于支架、軸套、橫梁等結(jié)構(gòu)件，其綜合性能優(yōu)于鋁基復(fù)合材料。“德熱來奈”飛船的起動(dòng)火箭“大力神”曾使用了600kg的變形鎂合金；“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675kg的變形鎂合金；直徑約1m的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。英國Bloodhound MK-2（彈體直徑546mm，最高速度2.7馬赫）地空導(dǎo)彈艙體采用新型耐熱鎂合金鑄件和鍛件制成。日本利用鎂合金低密度的特征，開發(fā)了旨在提高具有鎂合金機(jī)翼的超音速飛行器特性的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以鎂合金成功地制作出了質(zhì)量僅為1kg的超小型人造衛(wèi)星。

2 國內(nèi)航空航天工業(yè)中的鎂合金應(yīng)用情況

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。其中ZM2應(yīng)用于渦噴-7、渦噴-13發(fā)動(dòng)機(jī)的前機(jī)匣、后機(jī)匣和主機(jī)匣等零件。ZM3用于制造殲-6飛機(jī)渦噴-6發(fā)動(dòng)機(jī)的前艙鑄件和渦噴-11發(fā)動(dòng)機(jī)的離心機(jī)匣；用ZM4制造飛機(jī)液壓恒速裝置殼體。某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的附件傳動(dòng)機(jī)匣和減速器機(jī)匣采用ZM5制造，我國研制的昆侖號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣采用ZM5鎂合金，某燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)的附件傳動(dòng)后機(jī)匣選用ZM6鎂合金，某型直升機(jī)主減速器主機(jī)匣采用ZM6鎂合金，可在海洋環(huán)境下使用，MB25可以制造飛機(jī)機(jī)身長桁和操作系統(tǒng)的栓臂、支座等受力構(gòu)件。我國的殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星和飛船上均選用了稀土鎂合金構(gòu)件。

目前，我國高校、研究所和航空航天企業(yè)對(duì)鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也做了相關(guān)研究：

01 采用涂層轉(zhuǎn)移精密鑄造技術(shù)和JDM1鑄造鎂合金結(jié)合，成功制備了某型號(hào)輕型導(dǎo)彈艙體（圖2）和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣（圖3），滿足了艙體和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的內(nèi)表面（非加工面）對(duì)光潔度的高要求。

圖2 JDM1鑄造鎂合金某輕型導(dǎo)彈艙體

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣

02 采用大型鑄件低壓鑄造技術(shù)和JDM2鑄造鎂合金結(jié)合，成功制備了某型直升機(jī)尾部減速機(jī)匣（圖4）和某型號(hào)導(dǎo)彈殼體（圖5）。這兩類鑄件尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)鑄造很難避免鑄造縮松的產(chǎn)生。通過提高低壓鑄造保壓壓力和控制鑄件凝固溫度場的方法，成功解決了上述問題，制備的鑄件已經(jīng)通過用戶嚴(yán)格檢查。

圖4 某型直升機(jī)尾減速機(jī)匣

圖5 某型導(dǎo)彈殼體

03 JDM2鎂合金與常規(guī)等溫?zé)釘D壓工藝相結(jié)合，成功制備了某型號(hào)輕型導(dǎo)彈彈翼（圖6）。

圖6 JDM2鎂合金擠壓導(dǎo)彈尾翼

04 JDM1鎂合金與常規(guī)等溫?zé)釘D壓工藝相結(jié)合，成功制備了φ145mm的無縫管（圖7），該管材用于某型號(hào)輕型導(dǎo)彈殼體的制備。

圖7 JDM1合金擠壓輕型導(dǎo)彈管材

參考文獻(xiàn)：

《輕合金加工技術(shù)》2016年01期《航空航天變形鎂合金應(yīng)具備的性能》

《簡明鎂合金材料手冊(cè)》

隨著我國航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，輕量化勢必成為航空航天制造業(yè)的主流，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛。我國是鎂合金資源大國，加快發(fā)展鎂合金科技、提升我國鎂產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，使我國鎂產(chǎn)業(yè)從資源優(yōu)勢向經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢轉(zhuǎn)變，無疑是當(dāng)前的最佳選擇。新型鎂合金材料在航空航天領(lǐng)域的推廣應(yīng)用需要相關(guān)高校、研究所和航空航天企業(yè)相互合作，在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)航空航天鎂合金產(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。