合金材料在航空航天领域的应用

摘要：20世纪以来，太空探索浪潮席卷全球，世界大国纷纷涉足太空探索领域。从研究卫星制造到载人航天，人类空间探索领域迎来了良好的发展机遇。与此同时，虽然取得了很多成果，但我们也面临着许多困难和挑战，各种技术的研究还处于起步阶段。航天材料的选择是航天领域的重要难点之一，它极大地制约着航天领域的发展。本文为探索适合航空航天领域的金属合金材料提供了便利。经过不断的探索，镁合金最终被选定为航天材料的重要组成部分。本文就太空中航天器的生存环境的对航天器制作材料的严格需求以及镁合金的各种优秀的性能开展讨论，并最终说明镁合金适用于航空航天领域航天器制作的原因。

 

一、引言

镁是工业上常用的最轻金属之一，因此开发的镁合金材料已成为工业金属合金材料中密度最低的一种。

 

 

德国在十九世纪八十年代首次开始镁合金的工业化生产,并于二十世纪三十年代初次运用73.8公斤级的镁合金在汽车生产领域,二十世纪三十年代中期苏联将镁合金的应用于飞机生产行业,仅仅几年后,世界需要镁合金产量快速上升,每个世界强国都有制定和发布了金属镁的研究项目,极度重视镁合金产品的开发研究和使用。

镁合金具有密度低、比强度高、导热性能好、质轻等优点。但是，一般的加工方法不能使镁合金成形良好，导致其塑性较差。因此，针对的不同应用开发了不同的镁合金铸造方法。目前，镁合金在许多研究领域发挥着非常重要的作用。

在汽车制造领域，镁合金已广泛应用于许多发达国家的定向控制系统部件、变速箱壳体、汽车仪表盘、发动机罩盖、车架、车门等部件。电子通讯领域的行业,优秀的镁合金的特点有利于温和的产品,为产品超薄,超轻的方向发展带来了希望,相机、电视机、笔记本电脑、等离子显示器、手机等等许多常用的电子元件是由镁合金加工合成。

在医疗领域，镁合金良好的耐腐蚀性和化学物理稳定性保证了其结构和功能在人体内能长期保持相对稳定。因此，镁合金常被用于临床医学植入。此外，镁合金在其他许多领域也发挥着非常重要的作用，其价值难以估量。

航天材料应具有优异的抗老化和防腐性能，并能承受和适应空间中的极端空间环境，使航天器能够稳定地在空间中生存。对所用材料的基本要求是:密度高、强度大、刚度大。采用镁合金材料能使燃油消耗降低，飞行距离和飞行时间可以提高。此外，飞机还需要较高的比强度和比刚度。飞机不仅要承受静载荷，还要承受起飞和降落、机动飞行和突风等各种因素引起的交变载荷。因此，人们对飞机材料的抗疲劳性能也十分重视。而镁合金材料的轻质、比强度、低密度、导热性好等优良特性恰恰满足了航空航天材料的要求。

目前来看，日本、美国、英国等世界强国都在不断加大对镁合金材料研究的投入。目前，世界各国都在增加镁合金的产量。目前，中国镁产业在三个方面均居世界第一。我国是镁资源大国、镁原产大国和出口大国，金属镁储量居世界首位。然而，我国镁合金的工业化生产和制造还存在许多问题于短板。我国镁合金生产技术相对落后，镁合金生产率低，能耗高，经济价值大打折扣。我国镁合金出口比重偏低;目前，中国出口的镁合金几乎都是按国外品牌生产的。镁合金制造加工所采用的关键技术和设备很少是自主研发的，而是采用国外先进技术和设备。

 

二、航空航天材料的性能要求

材料应该有条件与航空航天材料的许多地方通常需要超高温、高温和高真空,在极端条件下,如压力,强烈的腐蚀,其他人按重量和持有空间,需要的最小体积和质量通常的功能等效,一些需要在大气中或在太空运行很长一段时间,不能停止检查或更换零件,所以要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境对航空航天材料的性能有不同的要求。

 

 

航天器经历了高温环境的气动加热,气体发动机,以及空间由于太阳的照射,航天器将会在空中飞行很长一段时间,一些飞行速度高达3倍音速,使用高温材料具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度、腐蚀介质的空气和抗氧化性能和抗热腐蚀性能,和应该有结构稳定的长期在高温下工作,火箭发动机燃气温度可以达到超过3000°C和喷射速度可以达到超过10马赫数,和固体火箭燃料气体与固体颗粒混合,弹道导弹的头再次进入大气层时,20多马赫数的速度,温度高达几万度,有时会影响粒子云的侵蚀,所以在空间技术领域涉及高温的环境通常包括高温高速气流和粒子侵蚀同时,的情况下需要使用材料和熔化热蒸发热,热升华,分解热,结合热和高粘度等物理特性设计高温抗磨材料和发汗冷却材料来满足需求的环境高温、太阳辐射会导致卫星在太空和飞艇表面温度交替,一般温度控制和绝缘涂层用于解决,形成自然和低温推进剂的低温环境,飞机在平流层飞行亚音速时表面温度将降至约50°C,极圈冬天可以在每个地区的机场环境温度低于40°C,在这种环境下组件需要金属或橡胶轮胎不产生脆化现象,液体火箭使用液态氧(沸点-183°C)和液态氢(沸点-253°C)推进剂,对材料提出了更严峻的环境条件。

金属材料和绝大多数高分子材料在这些条件下会变脆，通过开发或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，解决结构在温度荷载承载力和密封问题的各种媒介和大气环境对材料腐蚀和老化的作用,航空航天材料的平面介质接触的燃料(如汽油、煤油),火箭推进剂,如硝酸、四氧化二氮,肼类)及各种润滑油,液压油等。它们大多对金属和非金属材料或有强烈的腐蚀，在大气中受太阳的照射膨胀，风雨侵蚀，地下潮湿环境中长期储存时模具会加速高分子材料的老化过程，耐腐蚀，耐老化，抗霉性能是航天材料应具有的良好的空间环境特性，对材料作用的主要特点是高真空(1.33×10 mpa)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下相互接触,因为表面是由高真空净化环境,加快分子扩散过程,出现“冷焊”现象,非金属材料在高真空和宇宙射线照射可以加快挥发和老化,有时这种现象能使光学透镜的挥发物沉积污染、密封失败由于老化,空间材料通常是通过地面模拟试验选择和发展。

为了适应太空的环境,为了减少飞机的结构重量,选择尽可能小实现绝对可靠安全生命安全裕度,被认为是飞机设计的目标之一,在短时间内一次使用导弹或火箭等飞机,人们使材料性能的极限,为了充分利用材料强度,确保安全,为金属材料已经使用“破坏公差设计原则”,这就要求材料不但具有较高的比强度,但也有高的断裂韧性,确定使用的材料在模拟条件下的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率和其他数据,并计算允许的裂纹长度和相应的生活,作为一个设计的重要基础,对于有机非金属材料的生产和使用，需要进行自然老化和人工加速老化试验来确定其寿命其保险期。

 

三、镁合金的性能特点

（1）密度大

降低燃料负载的难题一直是航天领域亟待解决的问题。但在现有的工程金属合金中，镁合金中等密度最低，约为1.8g/cm3，约为铝密度的三分之二，钢密度的四分之一。这一优势使镁合金在航空航天领域的应用成为可能。镁合金的比重是所有结构合金中最轻的，所以可以在不降低零件强度的情况下降低铝或铁零件的重量。镁合金重量轻，应用于航空航天领域。它不仅大大减轻了飞机机身的重量，而且也大大减轻了燃料的负担，这对飞机的飞行具有重要意义。

（2）高强度比，比刚度

镁合金具有较高的比强度和密度。与铝合金和钢相比，镁合金在比强度和密度方面具有更好的性能。因此，镁合金材料可用于飞机装配，制造载荷大的部件，如航天器舱室、发动机工作部件等。

（3）散热性能好

与其它合金相比，镁合金在散热方面具有绝对优势。这表明空气温度之间的差异在根部和顶部的空气温度的热沉的镁合金材料远远大于其他合金材料制成,从而加速扩散对流散热器内的空气,大大提高散热器的散热效率。在相同的温度下，镁合金制造的散热器所用时间仅为铝合金制造的散热器的一半。

（4）减震效果好

在弹性范围内，当镁合金受到冲击时，弹性变形相对较小，碰撞时吸收的能量相对较大，使镁合金材料在碰撞时振动较小，镁合金材料具有良好的减震能力。同时，由于大量的碰撞能量吸收，碰撞产生的噪声也会显著降低，使得镁合金具有良好的降噪性能，从而可以大大降低噪声对飞机的各种不利影响。镁合金材料优异的减震降噪性能，为飞机安全提供了重要保障。

（5）重塑性优良

在19世纪初，压铸技术被用于镁合金材料的形成。由于传统压铸方法在消除铸件表面缺陷、提高铸件内部质量方面的不足，人们不断改进工艺，并在此基础上发展和发展了先进的镁合金压铸工艺。镁合金具有良好的重塑性能，可用于航天器发动机零部件制造形状复杂、承载能力小的结构件，如发动机附件制动器等。

（6）抗腐蚀能力

各种介质和大气环境对材料的影响主要表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机燃料(如汽油、煤油)、火箭推进剂(如浓硝酸、四氧化二氮、联氨类)和各种润滑剂、液压油等。它们大多对金属和非金属材料有强烈的腐蚀或膨胀作用。在大气中受太阳照射产生的模具、受风雨侵蚀的模具、在地下潮湿环境下长期储存，可以加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀、耐老化、耐霉菌是航空航天材料的优良性能。

镁是活性最前列的金属，镁合金往往由于原电池的表面发生反应，容易发生腐蚀，造成很大的损失。因此，镁合金的表面保护受到高度重视。过去镁合金的表面保护主要是通过化学氧化进行的。20世纪80年代，阳极氧化技术的迅速发展取代了传统的化学氧化法。在CO2 + SF6气体的气氛铸造技术、SF6气体镁合金基体的保护机制的相关研究发现,镁合金表面会产生一层优先级和Mg的电影形式,F离子可以作为MgO的媒介粒子和内部液体Mg进一步MgF2生成反应,物质将保护膜和基体之间的存在,使保护膜更紧凑。由于环境问题，研究人员正在进一步寻找其他污染更少、也含有F的气体来替代SF6。镁合金对许多碱性物质具有极强的腐蚀性，航天器在碱性环境中具有较强的稳定性。

（7）某些化学性质稳定

镁合金在一些有机化合物中有较强的稳定性，如汽油、煤油和其他燃料。因此，镁合金可用于制造汽油和煤油等燃料的储罐，以及需要与汽油接触的各种部件，如发动机齿轮和刹车。镁合金产品广泛应用于各种民用飞机和军用飞机，特别是轰炸机上。例如，B-25的机身部分由镁合金制成，有90公斤的挤压零件和200公斤以上的铸件。镁合金也用于导弹和一些卫星部件，如仪表舱、尾舱和中国红旗地对空导弹的发动机支撑。

（8）对温度具有耐受性镁合金对高温和低温有一定的耐受性，一般能适应航天器在空气中的生活环境。而其他金属材料由于某些地方温度较高，容易在空间中熔化，镁合金的耐高温性能可以保证镁合金能够承受高温。同时，铝合金能适应低温环境，具有较强的保温效果，可保护飞机内部部件的正常运行。镁合金具有良好的高温力学性能，能在太空中表现出优异的力学性能，为宇宙飞船的太空飞行奠定基础。

 

四、结论

在航空航天领域，飞机生产的材料要求极其严格，飞机的所有部件都有极其严格的要求。工业材料在航空航天领域很难达到我们所需要的性能。这个问题已经困扰我们很久了。而镁合金优异的性能却非常符合航天对航天器制造材料的要求。无论是大到车身，还是小到发动机部件，镁合金都非常适合应用。镁的高密度可以大大降低航天器的燃料负荷，使航天器能够飞得更长，飞行时间更长。高比强度和比刚度保证了航天器的稳定性，使飞行器在空间中具有优异的防御能力。良好的改型性能有利于航天器零部件的生产。高阻尼的效果为航天器提供了可靠的保证，耐腐蚀、耐高温和铝合金材料在太空中能够具有强大的生命力。镁合金优良的特性非常适合它在航空航天领域发挥重要作用。