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稀土在航空工業中的應用

來源:包頭市佳鑫納米材料有限責任公司 | 發布時間:2018/7/28 | 瀏覽次數:

 1 前言

    早在50年代我國仿制的飛機和導彈的蒙皮、框架及發動機機匣已采用稀土鎂合金,70年代后,隨著我國稀土工業的迅速發展,航空稀土開發應用跨入了自行研制的新階段。新型稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金、非金屬材料、功能材料及稀土電機產品也在殲擊機、強擊機、直升機、無人駕駛機、民航機以及導彈衛星等產品上逐步得到推廣和應用。

2 稀土材料及其在航空工業中的應用

2.1 稀土鎂合全

    稀土鎂合金比強度較高,對減輕飛機重量,提高戰術性能具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司(簡稱:中航總)研制的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10多個牌號,很多牌號已用于生產,質量穩定。例如:以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金已擴大用于直升機后減速機匣、殲擊機翼肋及30KW發電機的轉子引線壓板等重要零件。中航總與有色金屬總公司聯合研制的稀土高強鎂合金BM25已代替部分中強鋁合金,在強擊機上獲得應用。“八、五”期間,為了擴大稀土鎂合金的推廣應用,還開展了稀土鎂合金在醫學工程上的應用。目前該材料正在做醫學生物實驗,有望稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現用金屬夾具,減少病人第二次取出夾具的手術,又將開辟了一個新的廣闊的應用天地。

    稀土鑄造鎂合金主要用作200~300℃以下長期使用,它具有好的高溫強度和長期抗蠕變性能。各種稀土元素在鎂中的溶解度不同,增加的順序為鑭、混合稀土、鈰、鐠、釹。它對常溫、高溫力學性能的良好影響也隨之增加。中航總研制的以釹為主要添加元素的ZM6合金在熱處理后不但具有高的室溫力學性能,而且還有良好的高溫瞬時力學性能和抗蠕變性能,可在室溫下使用,也可在250℃下長期使用。隨著含釔抗蝕新型鑄造鎂合金的出現,近年來鑄造鎂合金重新受到國外航空工業的青瞇。

    在鎂合金中添加適量的稀土金屬以后,可以增加合金的流動性,降低微孔率,提高氣密性,顯著改善熱裂和疏松現象,使合金在200~300℃高溫下仍具有高的強度和抗蠕變性能。

2.2  稀土鈦合金

    70年代初,北京航空材料研究院(簡稱:航材院)在Ti-A1-Mo系鈦合金中用稀土金屬鈰(Ce)取代部分鋁、硅,限制了脆性相的析出,使合金在提高耐熱強度的同時,也改善熱穩定性能。以此基礎上,又研制出了性能良好的含鈰的鑄造高溫鈦合金ZT3。它與國際同類合金相比,在耐熱強度及工藝性能方面均具有一定的優勢。用它制造的壓氣機匣用于WPI3Ⅱ發動機,每架飛機減重達39公斤,提高推重比1.5%,此外減少加工工序約30%,取得了明顯的技術經濟效益,填補了我國航空發動機在500℃條件下使用鑄鈦機匣的空白。研究表明,含鈰的ZT3合金組織中存在著細小的氧化鈰質點。鈰化合了合金中的一部分氧,形成了難熔的、高硬度的稀土氧化物質點Ce203。這些質點在合金形變過程中阻礙了位錯運動,提高了合金高溫性能,鈰奪取了一部分氣體雜質(尤其是在晶界上的),就有可能在使合金強化的同時,保持良好的熱穩定性能。這是在鑄造鈦合金中應用難溶質點強化理論的****嘗試。

    此外航材院在鈦合金溶模精密鑄造工藝中,經多年研究,采用了特殊的礦化處理技術,研制出了穩定廉價的氧化釔砂料與粉料,它在比重、硬度和對鈦液的穩定性上,都達到了較好的水平,而在調節控制殼料漿性能上,表現出更大的優越性。用氧化釔型殼制造鈦鑄件的突出優點是:在鑄件質量和工藝水平與鎢面層工藝相當的條件下,能制造比鎢面層工藝更薄的鈦合金鑄件。目前,該工藝已廣泛用于制造各種飛機、發動機及民品鑄件。

2.3 稀土鋁合金

    中航總研制的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206,與國外含鎳的合金比較,具有優越的高溫和常溫力學性能,并已達到國外同類合金的先進水平。現已用于直升機和殲擊機工作溫度達300℃的耐壓閥門,取代了鋼和鈦合金。減輕了結構重量,已投入批量生產。稀土鋁硅過共晶ZL117合金在200~300℃下的拉伸強度超過西德活塞合金KS280和KS282,耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高 4~5倍,線膨脹系數小,尺寸穩定性好,已用于航空附件KY-5,KY-7空壓機和航模發動機活塞。稀土元素加入鋁合金中,明顯改善顯微組織和機械性能。稀土元素在鋁合金中的作用機制為:形成分散分布,細小的鋁化合物起著顯著的第二相強化作用;稀土元素的加入起到了除氣凈化作用,從而減少合金中氣孔的數量,提高合金的性能;稀土鋁化合物作為異質晶核細化晶粒和共晶相,也是一種變質劑;稀土元素促進了富鐵相的形成和細化,減少了富鐵相的有害作用。α-A1中Fe的固溶量隨稀土加入量的增加而減少。也對提高強度和塑性有利。

2.4 稀土非全屬材料

    稀土有機灌注料XZ-1已用于高性能發動機控油系統的燃油電磁開關,液壓電磁開關等八種電磁鐵產品,由于成本低,施工簡便,因此可以大量取代環氧灌注料,具有很好的經濟效益。系統防老化橡膠涂料KF-1的研制成功,解決了長期以來飛機油箱使用壽命短的難題,KF-1的投入使用,使得飛機油箱使用壽命由原來的3~5年延長到15~20年,并提高了使用性能,取得了顯著的技術經濟效益。含Y2O3的MCrAIY涂層是發動機渦輪葉片、導向葉片等發動機熱端部件用的可設計成分的第三代涂層,已在國外高性能、長壽命發動機上得到應用。航材院采用磁控濺射沉積工藝和多弧離子鍍技術已研制成功這種涂層系列,其抗熱腐蝕及綜合性能已達到國外同類涂層的先進水平。該涂層系列已被高溫合金、定向凝固合金、單晶合金和Ni-A1基合金渦輪葉片、導向葉片選用,作為高溫抗氧化涂層已在先進發動機和地面燃氣渦輪機上使用。Y2O3在該系列涂層中起著涂層與基體合金的“釘扎”作用,顯著提高了涂層與基體的結合力。

    稀土添加劑在化學熱處理方面也起到了重要的作用,由于稀土元素具有特定的電子結構和很高的化學活性,在化學熱處理中有顯著的活化作用,對改善滲層的組織和性能及提高滲層速度有明顯的效果。中航總310廠將常規滲碳、氮和碳氮共滲與加入稀土添加劑工藝進行比較,滲劑中加入稀土元素,初步試驗研究表明滲速可提高30%。加入稀土的高速鋼氮碳共滲硬度Hv從933~946可提高1350~1478。稀土元素用于化學熱處理的方法簡便易行,對設備無特殊要求,對提高產品重量和節省能源都具有重要意義,有很好的推廣應用價值。

2.5 稀土永磁材料

    稀土永磁材料發展十分迅速,現已在許多領域里得到了廣泛的應用,成為當代新技術的重要物資基礎。自80年代以來利用釤鈷合金做稀土永磁電機。產品類型包括伺服電動機、驅動電動機、汽車啟動機、地面軍用電機、航空電機等,部分產品出口,釤鈷永磁合金的主要特點是:

    (1)退磁曲線基本上是一條直線,其斜率接近于逆磁導率,即回復直線近似與去磁曲線重合;

    (2)具有極大的矯頑力,有很強的抗去磁能力;

    (3)具有很高的****磁能積;

    (4)可逆溫度系數很小,磁性的溫度穩定性較好,由于以上特點,稀土釤鈷永磁合金特別適合在開路狀態、壓力場合、退磁場情況或動態情況下運用,并適合制造體積的小的元件。

    中航總125廠生產的160LY?.2永磁直流力矩電機使用釹鐵硼(NTP200/64)磁鋼。 用釹鐵硼永磁代替釤鈷永磁成本降低,性能提高。該廠生產的QZDM01-H稀土永磁淺車啟動機,使用了釹鐵硼磁鋼,該產品為稀土減速啟動機。使用稀土磁鋼,使啟動機體積小、效率高、輸出力矩大、啟動速度快。國內SmCo系永磁材料的溫度系數待改進,NdFeB系永磁材料的高溫穩定性和耐腐蝕性需要進一步提高,粘結NdFeB系永磁材料還處于研制開發階段。

    永磁材料的發展先后經歷了鐵氧體階段(磁能積4.6MGOe),AINiCo合金階段(磁能積11.5MGOe),SmCo階段(磁能積31.0MGOe),NdFeB階段(磁能積43MGOe)。鈦鐵硼稀土永磁材料的研制成功,使耳機、揚聲器、步進電機、無芯電機等實現了超小型化。美國通用汽車公司在1000cc汽車發動機上采用NdFeB永磁體,使發動機重量減少40~50%,尺寸減少45%。若能提高該材料的使用溫度,將開辟該材料更為廣泛的應用前景。

3 稀土元素在航空材料發展中的作用

    稀土元素在航空材料發展中的作有是由稀土元素的性質決定的。稀土元素的原子半徑大于常見金屬如Al、Mg等,因此稀土元素在這些金屬中的固溶度極低,幾乎不能形成固溶體;由于稀土元素具有很高的化學活性,稀土元素在化學反應中異常活潑,極易與氣體(如氧)、非金屬(如硫)及金屬作用,生成相應穩定的化合物;這些新形成的化合物多數是溶點高、密度小、化學性質穩定,稀土元素在金屬中的作用大體可歸納為如下幾個方面:

    (1)減輕非金屬雜質的有害影響。氫是鋼和鋁合金的有害雜質,溶入液態金屬的氫凝固時以原子態析出,聚集成分子,導致出現晶間裂紋、疏松和針孔等氫致缺陷,給鑄造、塑性加工和性能帶來嚴重危害,實驗表明鋁及其合金中加入適量稀土(0.1~0.3%)將明顯的降低氫的含量,起到減少氫的危害作用提高合金的性能,此外稀土金屬也有降低鋁中硫和氧含量的效果。其化學反應式如下:

4/3[RE]+2[O]→2/3RE203(固)
[RE]十[H]→REH(固)
RE(瓶)十MnS(固)→RES(固)+ Mn(瓶)

    反應生成的稀土化合物,熔點高、比重輕,上浮成渣。而它們的微小的質點則成為鋁結晶過程的異質晶核。

    (2)細化晶粒和枝晶組織,提高熱塑性。稀土可細化合金的鑄態組織,使枝晶網絡更為清晰,從而改善合金的熱塑性。稀土化合物微小的固態質點提供了異質晶核或在結晶界面上偏聚阻礙晶胞的長大,為鋼液結晶細化提供了較好的熱力條件。

    (3)改變夾雜物的形態和分布。稀土與雜質形成化合物,在晶界析出,改變了原來的固溶存在方式,使夾雜物量降低。

    (4)產生強化作用,稀土加入合金中使氫氧和夾雜物量降低,又細化了晶粒和枝晶網 絡,稀土與非金屬元素作用產生高溶點的化合物彌散于基體中,稀土與金屬元素生成高溶點的金屬問化合物,即消除粗大塊狀組織,又穩定晶界,這些都起到了提高材料強度的作用。

    (5)稀土的引入提高了含稀土合金材料的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。稀土元素的加入在鑄造、鍛造、焊接、熱處理及表面涂層技術中也作了一些研究,許多都取得了正的效應,但稀土元素在這些熱工藝過程中及制件中所超的作用機理有待進一步開發研究。

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