稀土材料及其在航空工业中的应用
发布时间:2013-04-27 05:38
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稀土镁合全稀土
镁合金比
强度较高,对减轻飞机重量,提高战术性能具有广泛的应用前景。中国航空工业
总公司(简称:中航总)研制的稀土镁
合金包括铸造镁合
金及变形镁合金约有10多个
牌号,很多牌号已用于
生产,质量稳定。例如:以稀土
金属钕为主要添加元素的ZM6铸造镁合金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机翼肋及30KW
发电机的转子引线
压板等重要零件。中航总与有色
金属总
公司联合研制的稀土高强镁合金BM25已代替部分中强
铝合金,在强击机上获得应用。为了扩大稀土镁合金的推广应用,还开展了稀土镁合金在医学工程上的应用。目前该材料正在做医学生物实验,有望稀土镁合金作为人工骨接材料代替现用金属
夹具,减少病人第二次取出夹具的手术,又将开辟了一个新的广阔的应用天地。稀土铸造镁合金主要用作200~300℃以下长期使用,它具有好的高温强度和长期抗
蠕变性能。各种稀土元素在镁中的溶解度不同,增加的顺序为
镧、混合稀土、
铈、镨、钕。它对常温、高温力学性能的良好影响也随之增加。中航总研制的以钕为主要添加元素的ZM6合金在
热处理后不但具有高的室温力学性能,而且还有良好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能,可在室温下使用,也可在250℃下长期使用。随着含
钇抗蚀新型铸造镁合金的出现,近年来铸造镁合金重新受到国外航空工业的青眯。在镁合金中添加适量的稀土金属以后,可以增加合金的
流动性,降低微孔率,提高气密性,显著
改善热裂和
疏松现象,使合金在200~300℃高温下仍具有高的强度和抗蠕变性能。2.2稀土
钛合金北京航空材料研究院(简称:航材院)在Ti-A1-Mo系
钛合金中用稀土金属铈(Ce)取代部分
铝、
硅,限制了脆性相的析出,使合金在提高耐热强度的同时,也改善热稳定性能。以此
基础上,又研制出了性能良好的含铈的铸造高温钛合金ZT3。它与国际同类
合金相比,在耐热强度及
工艺性能方面均具有一定的优势。用它制造的压气机匣用于WPI3Ⅱ发
动机,每架飞机减重达39公斤,提高推重比1.5%,此外减少加工
工序约30%,取得了明显的技术
经济效益,填补了我国航空发动机在500℃条件下使用铸钛机匣的空白。研究表明,含铈的ZT3合金组织中存在着细小的氧化铈质点。铈化合了合金中的一部分氧,形成了难熔的、高
硬度的稀土氧化物质点Ce203。这些质点在合金形变过程中阻碍了
位错运动,提高了合金高温性能,铈夺取了一部分气体杂质(尤其是在
晶界上的),就有可能在使合金强化的同时,保持良好的热稳定性能。这是在铸造钛合金中应用难溶质点强化理论的首次尝试。此外航材院在钛合金溶模精密铸造工艺中,经多年研究,采用了特殊的矿化处理技术,研制出了稳定廉价的
氧化钇砂料与粉料,它在比重、硬度和对钛液的稳定性上,都达到了较好的
水平,而在调节
控制壳料浆性能上,表现出更大的优越性。用氧化钇型壳制造钛
铸件的突出优点是:在铸件质量和工艺水平与
钨面层工艺相当的条件下,能制造比钨面层工艺更薄的钛合金铸件。目前,该工艺已广泛用于制造各种飞机、发动机及民品铸件。稀土铝合金中航总研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206,与国外含
镍的合金比较,具有优越的高温和常温力学性能,并已达到国外同类合金的先进水平。现已用于直升机和歼击机
工作温度达300℃的耐压
阀门,取代了
钢和钛合金。减轻了结构重量,已投入批量生产。稀土铝硅过共晶ZL117合金在200~300℃下的
拉伸强度超过西德活塞合金KS280和KS282,耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高4~5倍,线膨胀系数小,尺寸稳定性好,已用于航空附件KY-5,KY-7空压机和航模发动机活塞。稀土元素加入铝合金中,明显改善显微组织和
机械性能。稀土元素在铝合金中的作用
机制为:形成
分散分布,细小的铝化合物起着显著的第二相强化作用;稀土元素的加入起到了除气净化作用,从而减少合金中
气孔的数量,提高合金的性能;稀土铝化合物作为异质晶核细化晶粒和共晶相,也是一种变质剂;稀土元素促进了富
铁相的形成和细化,减少了富铁相的有害作用。α-A1中Fe的
固溶量随稀土加入量的增加而减少。也对提高强度和塑性有利。稀土非全属材料稀土有机灌注料XZ-1已用于高性能发动机控
油系统的燃油
电磁开关,液压电
磁开关等八种
电磁铁产品,由于
成本低,施工简便,因此可以大量取代环氧灌注料,具有很好的经济效益。
系统防老化
橡胶涂料KF-1的研制成功,解决了长期以来飞机油箱使用寿命短的难题,KF-1的投入使用,使得飞机油箱使用寿命由原来的3~5年延长到15~20年,并提高了使用性能,取得了显著的技术经济效益。含Y2O3的MCrAIY涂层是发动机涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件用的可设计成分的第三代涂层,已在国外高性能、长寿命发动机上得到应用。航材院采用磁控溅射沉积工艺和多弧
离子镀技术已研制成功这种涂层系列,其抗热
腐蚀及综合性能已达到国外同类涂层的先进水平。该涂层系列已被高温合金、定向凝固合金、单晶合金和Ni-A1基合金涡轮叶片、导向叶片选用,作为高温抗氧化涂层已在先进发动机和地面燃气涡轮机上使用。Y2O3在该系列涂层中起着涂层与基体合金的“
钉扎”作用,显著提高了涂层与基体的结合力。稀土添加剂在化学热处理方面也起到了重要的作用,由于稀土元素具有特定的电子结构和很高的化学活性,在化学热处理中有显著的活化作用,对改善渗层的组织和性能及提高渗层速度有明显的效果。中航总310厂将常规
渗碳、氮和
碳氮共渗与加入稀土添加剂工艺进行比较,渗剂中加入稀土元素,初步试验研究表明渗速可提高30%。加入稀土的
高速钢氮碳共渗硬度Hv从933~946可提高1350~1478。稀土元素用于化学热处理的方法简便易行,对设备无特殊要求,对提高产品重量和节省能源都具有重要意义,有很好的推广应用
价值。稀土永磁材料稀土永磁材料发展十分迅速,现已在许多领域里得到了广泛的应用,成为当代新技术的重要物资基础。自80年代以来利用
钐钴合金做稀土永
磁电机。产
品类型包括伺服
电动机、驱动电动机、
汽车启动机、地面军用
电机、航空电机等,部分产品
出口,
钐钴永磁合金的主要特点是:(1)退磁曲线基本上是一条直线,其斜率接近于逆
磁导率,即
回复直线近似与去磁曲线重合;(2)具有极大的
矫顽力,有很强的抗去磁
能力;(3)具有很高的最大磁能积;(4)可逆温度系数很小,磁性的温度稳定性较好,由于以上特点,稀土钐
钴永磁合金特别适合在
开路状态、压力场合、
退磁场情况或动态情况下运用,并适合制造体积的小的元件。中航总125厂生产的160LY?.2永磁直流力矩电机使用钕铁
硼(NTP200/64)
磁钢。用钕铁硼永磁代替钐钴永磁成本降低,性能提高。该厂生产的QZDM01-H稀土永磁浅车启动机,使用了钕铁硼磁钢,该产品为稀土减速启动机。使用稀土磁钢,使启动机体积小、效率高、输出力矩大、启动速度快。国内SmCo系永磁材料的温度系数待改进,NdFeB系永磁材料的高温稳定性和耐腐蚀性
需要进一步提高,
粘结NdFeB系永磁材料还处于研制开发
阶段。永磁材料的发展先后经历了
铁氧体阶段(磁能积4.6MGOe),AINiCo合金阶段(磁能积11.5MGOe),SmCo阶段(磁能积31.0MGOe),NdFeB阶段(磁能积43MGOe)。
钛铁硼稀土永磁材料的研制成功,使耳机、
扬声器、步进电机、无芯电机等实现了超小型化。美国通用汽车公司在1000cc汽车发动机上采用NdFeB永磁体,使发动机重量减少40~50%,尺寸减少45%。若能提高该材料的使用温度,将开辟该材料更为广泛的应用前景。
备注:数据仅供参考,不作为投资依据。