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航天用超輕鎂鋰合金研究進(jìn)展

2018-10-08 12:50:48 作者：馮凱，李丹明，何成旦，陳學(xué)康來(lái)源：蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分享至：

鎂鋰合金被認(rèn)為是最輕的結(jié)構(gòu)材料之一,密度比普通鎂合金輕1/4~1/3,比鋁合金輕1/3~1/2,同時(shí),鎂鋰合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度?彈性模量高?抗壓屈服強(qiáng)度高?各向異性不明顯?塑性和沖擊韌度好?對(duì)缺口敏感性低和良好的阻尼性能等,是航天?航空?兵器工業(yè)?核工業(yè)?汽車(chē)?3C產(chǎn)業(yè)?醫(yī)療器械等領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料之一?在航天領(lǐng)域,隨著衛(wèi)星和航天器小型化趨勢(shì)的發(fā)展,在相同承載能力條件下,鎂鋰合金可以替代一些相對(duì)質(zhì)量較大的結(jié)構(gòu)材料,減輕衛(wèi)星和航天器的質(zhì)量,從而使航天器可攜帶更多燃料和有效載荷,發(fā)揮更大的功能和作用,進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益,尤其在深空探測(cè)器?微納衛(wèi)星方面?本課題重點(diǎn)對(duì)鎂鋰合金國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀?航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景和需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行綜述,為鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考?

1 鎂鋰合金研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)鎂鋰合金的研究較早,而且發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鎂鋰合金的研制越來(lái)越重視?鎂鋰合金的研究主要涉及基礎(chǔ)理論研究和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā),集中在合金制備?新型合金開(kāi)發(fā)?合金化?加工成型方法?表面處理等方面,其中在合金的微觀組織?強(qiáng)化機(jī)理?超塑性成形機(jī)理?工藝優(yōu)化等方面取得了大量成果?目前研究開(kāi)發(fā)出的一系列鎂鋰合金主要有LA141?LA91?LAZ933?MA21?MA18等牌號(hào),力學(xué)性能見(jiàn)表1?通常添加的合金元素主要有Al?Zn?Si和RE等,形成Mg-Li-Al?Mg-Li-Zn?Mg-Li-Si?Mg-Li-RE系合金和Mg-Li基復(fù)合材料,并且可采用鑄造?擠壓?軋制?焊接等多種成形工藝對(duì)其加工,合金的抗拉強(qiáng)度在140~310MPa之間,其中劉旭賀等,王昌等對(duì)LA141?LA91合金的冷軋及退火進(jìn)行了研究,為鎂鋰合金的實(shí)際應(yīng)用提供了參考?另外,對(duì)部分鎂鋰合金的超塑性變形行為進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)LA141和LA91合金具有460%~610%的超高塑性?

在鎂鋰合金表面處理方面,國(guó)外研究較早,在前期研究和應(yīng)用中主要采用的是陽(yáng)極氧化技術(shù)?NASA應(yīng)用的鎂鋰合金采用陽(yáng)極氧化技術(shù)改善其耐蝕性?

SHARMA A K 等在K2Cr2O7?(NH4)2SO4弱酸性溶液中通直流電獲得黑色的陽(yáng)極氧化膜層,膜層具有很好的吸光性,適用于航天飛機(jī)和宇宙飛船上?目前,鎂鋰合金陽(yáng)極氧化膜大都是在含Cr的電解液中制備,由于其對(duì)人體和環(huán)境有很大的毒害,并且膜層都為黑色,使用范圍相對(duì)較窄?

在鎂鋰合金輕量化方面也進(jìn)行了大量研究,如開(kāi)發(fā)出了密度為0.95g/cm3 的鎂鋰合金,該材料可浮于水面上,可用于航天以及諸如筆記本計(jì)算機(jī)等需要使用堅(jiān)固而又輕質(zhì)材料的電子產(chǎn)品?雖然我國(guó)鎂?鋰資源豐富,但對(duì)Mg-Li合金的研究較晚,自20世紀(jì)90年代起才開(kāi)始對(duì)Mg-Li合金進(jìn)行研究,主要是由于Mg-Li合金熔煉比較困難?工藝復(fù)雜?力學(xué)性能相對(duì)較低,高溫性能?耐蝕性差,以及研制成本較高等?

近年來(lái),對(duì)Mg-Li合金研究和制備日益增多,在鎂鋰合金的熔煉制備?加工和表面處理等方面實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破,其中西安四方超輕材料有限責(zé)任公司和中國(guó)鋁業(yè)鄭州研究院實(shí)現(xiàn)了鎂鋰合金的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?前者在2010年建成我國(guó)第一條鎂鋰合金生產(chǎn)線,掌握了鎂鋰合金產(chǎn)品的制備技術(shù);后者掌握鎂鋰合金熔鑄與加工關(guān)鍵技術(shù),2012年可生產(chǎn)寬度>350mm?厚度<1mm,并可進(jìn)行室溫沖壓的3C產(chǎn)品用薄板,2013年生產(chǎn)出寬度>600mm的板材和大型鍛件?張密林以鎂鋰合金為研究對(duì)象,對(duì)材料輕量化進(jìn)行深入研究,研制的合金強(qiáng)度能達(dá)到300MPa左右,伸長(zhǎng)率達(dá)10%以上,密度小于1.65g/cm3,并能獲得各種尺寸的擠壓件和軋制件(冷軋薄板能達(dá)到小于0.5mm)?另外,研究者在Sr?Y?Ce等合金元素對(duì)鎂鋰合金進(jìn)行合金化處理方面也做了大量工作研究了其微觀組織及力學(xué)性能變化?任友良等,顧永坤等對(duì)衛(wèi)星用的鎂鋰合金埋件螺紋的強(qiáng)度?膠接等性能進(jìn)行了研究,為鎂鋰合金在衛(wèi)星上的應(yīng)用提供參考?

國(guó)內(nèi)在鎂鋰合金表面處理方面也采用了陽(yáng)極氧化技術(shù),如LI J F等在Mg-10.02Li-3.86Zn-2.54Al-1.76Cu合金表面獲得陽(yáng)極氧化膜層,但是膜層中含有較高含量的鉻離子?近年來(lái),微弧氧化技術(shù)在鎂鋰合金表面處理方面研究較多?景曉燕等在堿性磷酸鹽體系中以直流脈沖電源在鎂鋰合金表面成功制備了與基體結(jié)合良好的耐蝕性微弧氧化膜層,氧化膜層的結(jié)構(gòu)是由疏松層和致密層組成的雙層結(jié)構(gòu),顯著提高了鎂鋰合金的耐蝕性能?另外,微弧氧化復(fù)合處理技術(shù)得到快速發(fā)展,如微弧氧化+硅溶膠處理?微弧氧化+化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理等技術(shù)?添加硅溶膠后的微弧氧化膜層中表面單位面積內(nèi)微孔的數(shù)目及孔徑明顯減小,相應(yīng)的膜層耐蝕性能與基體結(jié)合力得到提高?盧一對(duì)Mg-5.6Li合金進(jìn)行表面微弧氧化+化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理,經(jīng)復(fù)合處理后表面生成的球狀顆粒填充在微弧氧化膜的結(jié)構(gòu)缺陷處(孔隙),一方面提高了膜層的致密性,另一方面阻擋了腐蝕介質(zhì)的通道,一定程度上延緩了電解液通過(guò)微孔或微裂紋向合金基體浸滲,提高了合金在腐蝕介質(zhì)中的耐蝕能力?李思振等對(duì)鎂鋰合金低吸收/高發(fā)射微弧氧化熱控膜層技術(shù)進(jìn)行了研究,制備的膜層均勻致密且與基體結(jié)合良好,膜層具有低吸收?高發(fā)射的熱控特性,各項(xiàng)性能均滿足宇航產(chǎn)品性能要求?

1.2 鎂鋰合金應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代,美國(guó)NASA中心為了制造航天飛機(jī)?人造衛(wèi)星及發(fā)射用火箭,對(duì)Mg-Li基合金展開(kāi)了大量研究工作,開(kāi)發(fā)和研制了LA141A?LA91?LAZ933A?Mg-14Li-0.5Si等Mg-Li基合金,代替了常用的鎂合金?鋁合金及鈹?shù)炔牧?span lang="EN-US">,在阿金納助推器及其所發(fā)射的多個(gè)衛(wèi)星部件上獲得應(yīng)用?其中LA141合金被納入航空材料標(biāo)準(zhǔn)AMS4386,用于制造電器儀表的框架和外殼防護(hù)罩?防宇宙塵壁板等?洛克希德馬丁與IBM 合作,開(kāi)發(fā)了航天飛機(jī)Stern-V 用的鎂鋰合金部件?IBM 研制加工的鎂鋰合金在Saturn V運(yùn)載火箭計(jì)算機(jī)室獲得應(yīng)用,結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少了20kg,顯著降低了成本?同時(shí),美國(guó)開(kāi)發(fā)成功的LAZ933合金用于制造M113裝甲運(yùn)兵車(chē)車(chē)體部件,并通過(guò)了道路行駛試驗(yàn)?

美國(guó)休斯飛機(jī)公司與軍方開(kāi)發(fā)的TOW(管射式光學(xué)追蹤線導(dǎo)式導(dǎo)彈發(fā)射器管筒)中瞄準(zhǔn)裝置的圓盤(pán)也是用鎂鋰合金制造的?國(guó)外鎂鋰合金在航天器上應(yīng)用情況見(jiàn)表2和圖1?德國(guó)漢諾威大學(xué)成功研制了鎂鋰合金心血管植入件,開(kāi)辟了鎂鋰合金新的應(yīng)用領(lǐng)域?日本則將輕量化的鎂鋰合金應(yīng)用于擴(kuò)音器和眼鏡等民用產(chǎn)品,另外在筆記本電腦?手機(jī)殼體以及揚(yáng)聲器振膜?儀器儀表殼體等方面也得到應(yīng)用?日本NEC和聯(lián)想開(kāi)發(fā)的LaVie Z超級(jí)本于2012年上市,該產(chǎn)品首次采用鎂鋰合金制造機(jī)身,整機(jī)質(zhì)量小于999g?臺(tái)灣CNC工廠用鎂鋰合金制造出了自行車(chē)的全車(chē)車(chē)架?隨著制備技術(shù)?表面改性技術(shù)及力學(xué)性能等的提高,鎂鋰合金將在更多行業(yè)中得到應(yīng)用?

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目前,國(guó)內(nèi)部分鎂鋰合金產(chǎn)品已投入到市場(chǎng)中,但是,在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用還相對(duì)較少,主要是由于該合金的生產(chǎn)成本高和力學(xué)性能低限制了其廣泛應(yīng)用?因此,應(yīng)針對(duì)該合金應(yīng)用中存在的問(wèn)題制定解決途徑及發(fā)展目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)鎂鋰合金在汽車(chē)?武器裝備以及航空航天等方面的廣泛應(yīng)用[28~30]?

2 鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景

國(guó)內(nèi)鎂合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較晚?我國(guó)以“尖兵三號(hào)”為代表的一系列衛(wèi)星中,如貯箱?相機(jī)等設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)均采用了鎂合金薄壁框架型結(jié)構(gòu)作為承力主要構(gòu)架?嫦娥三號(hào)的電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)已使用鎂合金材料,電子產(chǎn)品機(jī)箱通過(guò)膜層元素的改性摻雜和微觀結(jié)構(gòu)的定向控制,實(shí)現(xiàn)微弧氧化膜層的防腐?熱控功能的攻關(guān),以達(dá)到“外表面”熱控,“內(nèi)表面”導(dǎo)電及整體防腐的目的,最終在鎂合金表面制備出了外觀均勻,熱控性能穩(wěn)定的微弧氧化熱控膜層?我國(guó)的神舟7號(hào)載人飛船釋放的伴飛小衛(wèi)星采用輕型鎂鋰合金材料作為主結(jié)構(gòu)框架,使整星質(zhì)量不超過(guò)40kg?2015年,“浦江一號(hào)”衛(wèi)星上部分結(jié)構(gòu)件使用了新型鎂鋰合金材料?2016年,我國(guó)發(fā)射的首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用了自主研制生產(chǎn)的新型鎂鋰合金材料?

隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的發(fā)展,以及鎂合金在航天方面的應(yīng)用,有更多的結(jié)構(gòu)件使用鎂合金,包括更具優(yōu)勢(shì)的輕量化鎂鋰合金?隨著鎂鋰合金在力學(xué)性能?耐蝕性等方面的提高,將有可能取代鋁合金和其他鎂合金,這將減輕航天器質(zhì)量,促進(jìn)航天事業(yè)的發(fā)展?

3 航天用鎂鋰合金關(guān)鍵技術(shù)

雖然鎂鋰合金在未來(lái)航天領(lǐng)域中具有非常廣闊的應(yīng)用前景,但是在其制備與研制上需要克服和解決大量的技術(shù)難題,包括材料制備?強(qiáng)化?加工成形?表面防護(hù)等技術(shù)?

3.1 鎂鋰合金制備技術(shù)

一般的金屬材料,包括常用的鎂合金都是通過(guò)熔煉等方法制備,但由于鎂鋰合金中的鎂和鋰都是非常活潑的金屬元素,因此,鎂鋰合金在制備方面存在一定的難度?目前鎂鋰合金制備最主要的是混熔-對(duì)摻法和熔鹽電解法?在混熔-對(duì)摻法制備鎂鋰合金時(shí),首先保證原材料的質(zhì)量,盡量避免含有雜質(zhì)元素的材料;盡可能采用真空感應(yīng)爐熔煉,并在惰性氣體和熔劑保護(hù)下進(jìn)行,對(duì)熔煉工藝細(xì)節(jié)嚴(yán)格控制,包括加料順序?升溫速度?精煉溫度?熔體保溫時(shí)間?攪拌時(shí)間?澆注溫度?熔體轉(zhuǎn)移?氣體保護(hù)?模具溫度等各方面因素?熔鹽電解法制備鎂鋰合金時(shí),熔鹽體系的選擇?電解槽的設(shè)計(jì)?電化學(xué)機(jī)理?電解工藝參數(shù)控制?合金產(chǎn)物與鹽的分離?精煉等方面非常重要,同樣要考慮各環(huán)節(jié)的制約因素和材料的穩(wěn)定性?

3.2 鎂鋰合金強(qiáng)化技術(shù)

鎂鋰合金雖具有較高的比強(qiáng)度和比剛度等優(yōu)點(diǎn),但是其抗拉強(qiáng)度?屈服強(qiáng)度相比其他結(jié)構(gòu)材料要低,這限制了其應(yīng)用,因此鎂鋰合金的強(qiáng)化技術(shù)非常關(guān)鍵?材料強(qiáng)化可通過(guò)合金化?細(xì)晶強(qiáng)化?固溶強(qiáng)化?熱處理等手段來(lái)實(shí)現(xiàn),并且還可以通過(guò)采用一些先進(jìn)成形技術(shù)達(dá)到強(qiáng)化目的?鎂鋰合金中富鋰β相具有低強(qiáng)度?高塑性的特點(diǎn),因此通過(guò)合金化的方法,在基體內(nèi)形成彌散析出的強(qiáng)化相,改變富鋰β 相的形態(tài)?數(shù)量?尺寸及分布,是提高鎂鋰合金綜合力學(xué)性能的關(guān)鍵?同時(shí),鎂鋰基復(fù)合材料的研究也將是提高強(qiáng)度的一種有效方法?另外,鎂鋰合金在航天器上的應(yīng)用以埋件形式的結(jié)構(gòu)件為主,在這些零部件上普遍存在著螺紋,螺紋的強(qiáng)度必須滿足衛(wèi)星上的使用要求,因此,螺紋強(qiáng)化技術(shù)也是應(yīng)用關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?

3.3 鎂鋰合金加工成形技術(shù)

在航天應(yīng)用領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)材料在力學(xué)性能滿足應(yīng)用要求的前提下,材料自身的加工性,隨著3D打印?激光成形?電子束焊接?半固態(tài)成形等新技術(shù)的開(kāi)發(fā),對(duì)鎂鋰合金在加工成形方面提出了更高的要求,并能拓展鎂鋰合金的應(yīng)用范圍?加工成形后的鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件在空間高?低溫環(huán)境下應(yīng)具備較高的穩(wěn)定性?結(jié)構(gòu)變形小?強(qiáng)度變化幅度小?應(yīng)力集中小,制造航天器結(jié)構(gòu)件還需保證產(chǎn)品的成品率和質(zhì)量要求?美國(guó)NASA為了驗(yàn)證鎂鋰合金利用電弧焊接方法的可行性,通過(guò)電弧焊實(shí)現(xiàn)了LA141A和LA91A焊接為一個(gè)壓力容器?在低溫條件下焊接件的強(qiáng)度和韌性良好,可用于一些中等負(fù)荷的航空航天結(jié)構(gòu)件,但是在高溫下焊接件的性能較差?

另外,攪拌摩擦焊比較適合于航天器大型鎂合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件毛坯料的焊接,如衛(wèi)星鎂合金承力底盤(pán)?安裝肼瓶用的鎂合金支架?大梁等,因此焊接成形是鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件必不可少的加工成形手段,焊接過(guò)程中的工藝和產(chǎn)品質(zhì)量是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵因素?

3.4 鎂鋰合金表面防護(hù)技術(shù)

鎂?鋰都具有很高的化學(xué)活性,高鋰含量的鎂鋰合金在潮濕和腐蝕性環(huán)境中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的均勻腐蝕,因此,這也成為限制鎂鋰合金實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一?

未來(lái)大多數(shù)航天器將在海上發(fā)射,則航天器在海上運(yùn)輸及存儲(chǔ)上將面臨潮濕的海洋大氣等惡劣環(huán)境,這對(duì)耐蝕性較差的鎂鋰合金是嚴(yán)峻的考驗(yàn);另外,將鎂鋰合金應(yīng)用于航天器上,還需考慮空間環(huán)境對(duì)其作用和影響,比如在空間各種射線的輻照?原子氧侵蝕?帶電粒子碰撞等,必須對(duì)其采用表面防護(hù)技術(shù)處理?為保證航天器產(chǎn)品在空間環(huán)境中的穩(wěn)定性,需要減少產(chǎn)品對(duì)空間輻射能量的吸收以及輻射出內(nèi)部元器件工作時(shí)放出的富余熱量,因此需在宇航鎂鋰合金產(chǎn)品表面原位生長(zhǎng)出一層與基體附著力良好,具備防腐?低吸收?高發(fā)射的熱控一體化功能膜層?目前,國(guó)內(nèi)外已有研究表明,利用陽(yáng)極氧化?微弧氧化等表面處理技術(shù)可以得到致密的陶瓷氧化膜,顯著改善鎂鋰合金的耐蝕性和耐磨性?鎂鋰合金表面防護(hù)膜層功能可向多樣化發(fā)展,要求膜層不僅要具有防腐?耐磨等功能,而且向熱控?導(dǎo)電等方面發(fā)展,適合更苛刻的應(yīng)用環(huán)境?

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合鎂鋰合金研究現(xiàn)狀,采用先進(jìn)的制備方法及成形加工技術(shù),解決鎂鋰合金制備?力學(xué)性能及耐蝕性等方面的關(guān)鍵技術(shù)與困難,研制出高比強(qiáng)度?高比剛度的鎂鋰合金,適用于航天領(lǐng)域的一些低承力的結(jié)構(gòu)件,并能承受空間高低溫?輻照等惡劣環(huán)境的考驗(yàn),確保該合金材料在空間應(yīng)用中的高可靠性;通過(guò)先進(jìn)的表面工程技術(shù)處理,使得鎂鋰合金表面防護(hù)膜層功能可向多樣化發(fā)展,要求膜層不僅要具有防腐?耐磨等功能,而且向熱控?導(dǎo)電等方面發(fā)展,適合更苛刻的應(yīng)用環(huán)境?進(jìn)一步加大對(duì)鎂鋰合金的基礎(chǔ)研究,解決鎂鋰合金應(yīng)用所需的關(guān)鍵技術(shù)和瓶頸,開(kāi)發(fā)新型高強(qiáng)鎂鋰合金,對(duì)其微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究,在新方法?新工藝和新結(jié)構(gòu)等方面開(kāi)展工作,揭示材料的成形理論?強(qiáng)韌化機(jī)理?加工過(guò)程中的組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律?服役過(guò)程性能演變規(guī)律等,研究適合鎂鋰合金成形的先進(jìn)加工方法,為我國(guó)鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用做出貢獻(xiàn)?