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1 前言 早在50年代我國仿制的飛機和導(dǎo)彈的蒙皮、框架及發(fā)動機機匣已采用稀土鎂合金，70年代后，隨著我國稀土工業(yè)的迅速發(fā)展，航空稀土開發(fā)應(yīng)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(chǎn)品也在殲擊機、強擊機、直升機、無人駕駛機、民航機以及導(dǎo)彈衛(wèi)星等產(chǎn)品上逐步得到推廣和應(yīng)用。 2 稀土材料及其在航空工業(yè)中的應(yīng)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(zhàn)術(shù)性能具有廣泛的應(yīng)用前景。中國航空工業(yè)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(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)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(fā)電機的轉(zhuǎn)子引線壓板等重要零件。中航總與有色金屬總公司聯(lián)合研制的稀土高強鎂合金B(yǎng)M25已代替部分中強鋁合金，在強擊機上獲得應(yīng)用?！鞍恕⑽濉逼陂g，為了擴大稀土鎂合金的推廣應(yīng)用，還開展了稀土鎂合金在醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用。目前該材料正在做醫(yī)學(xué)生物實驗，有望稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現(xiàn)用金屬夾具，減少病人第二次取出夾具的手術(shù)，又將開辟了一個新的廣闊的應(yīng)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(xué)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(xué)性能，而且還有良好的高溫瞬時力學(xué)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(xiàn)，近年來鑄造鎂合金重新受到國外航空工業(yè)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(xiàn)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(wěn)定性能。以此基礎(chǔ)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(yōu)勢。用它制造的壓氣機匣用于WPI3Ⅱ發(fā)動機，每架飛機減重達(dá)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(shù)經(jīng)濟效益，填補了我國航空發(fā)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(xì)小的氧化鈰質(zhì)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(zhì)點Ce203。這些質(zhì)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(zhì)（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(wěn)定性能。這是在鑄造鈦合金中應(yīng)用難溶質(zhì)點強化理論的首次嘗試。 此外航材院在鈦合金溶模精密鑄造工藝中，經(jīng)多年研究，采用了特殊的礦化處理技術(shù)，研制出了穩(wěn)定廉價的氧化釔砂料與粉料，它在比重、硬度和對鈦液的穩(wěn)定性上，都達(dá)到了較好的水平，而在調(diào)節(jié)控制殼料漿性能上，表現(xiàn)出更大的優(yōu)越性。用氧化釔型殼制造鈦鑄件的突出優(yōu)點是：在鑄件質(zhì)量和工藝水平與鎢面層工藝相當(dāng)?shù)臈l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(fā)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(yōu)越的高溫和常溫力學(xué)性能，并已達(dá)到國外同類合金的先進(jìn)水平?，F(xiàn)已用于直升機和殲擊機工作溫度達(dá)300℃的耐壓閥門，取代了鋼和鈦合金。減輕了結(jié)構(gòu)重量，已投入批量生產(chǎn)。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(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好，已用于航空附件KY－5，KY－7空壓機和航模發(fā)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(xì)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(shù)量，提高合金的性能；稀土鋁化合物作為異質(zhì)晶核細(xì)化晶粒和共晶相，也是一種變質(zhì)劑；稀土元素促進(jìn)了富鐵相的形成和細(xì)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(fā)動機控油系統(tǒng)的燃油電磁開關(guān)，液壓電磁開關(guān)等八種電磁鐵產(chǎn)品，由于成本低，施工簡便，因此可以大量取代環(huán)氧灌注料，具有很好的經(jīng)濟效益。系統(tǒng)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(shù)經(jīng)濟效益。含Y2O3的MCrAIY涂層是發(fā)動機渦輪葉片、導(dǎo)向葉片等發(fā)動機熱端部件用的可設(shè)計成分的第三代涂層，已在國外高性能、長壽命發(fā)動機上得到應(yīng)用。航材院采用磁控濺射沉積工藝和多弧離子鍍技術(shù)已研制成功這種涂層系列，其抗熱腐蝕及綜合性能已達(dá)到國外同類涂層的先進(jìn)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(dǎo)向葉片選用，作為高溫抗氧化涂層已在先進(jìn)發(fā)動機和地面燃?xì)鉁u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(jié)合力。 稀土添加劑在化學(xué)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(jié)構(gòu)和很高的化學(xué)活性，在化學(xué)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(guī)滲碳、氮和碳氮共滲與加入稀土添加劑工藝進(jìn)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(xué)熱處理的方法簡便易行，對設(shè)備無特殊要求，對提高產(chǎn)品重量和節(jié)省能源都具有重要意義，有很好的推廣應(yīng)用價值。 2.5 稀土永磁材料 稀土永磁材料發(fā)展十分迅速，現(xiàn)已在許多領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)代新技術(shù)的重要物資基礎(chǔ)。自80年代以來利用釤鈷合金做稀土永磁電機。產(chǎn)品類型包括伺服電動機、驅(qū)動電動機、汽車啟動機、地面軍用電機、航空電機等，部分產(chǎn)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(dǎo)率，即回復(fù)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）具有很高的最大磁能積； （4）可逆溫度系數(shù)很小，磁性的溫度穩(wěn)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(tài)、壓力場合、退磁場情況或動態(tài)情況下運用，并適合制造體積的小的元件。 中航總125廠生產(chǎn)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(chǎn)的QZDM01－Ｈ稀土永磁淺車啟動機，使用了釹鐵硼磁鋼，該產(chǎn)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(nèi)SmCo系永磁材料的溫度系數(shù)待改進(jìn)，NdFeB系永磁材料的高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性需要進(jìn)一步提高，粘結(jié)NdFeB系永磁材料還處于研制開發(fā)階段。 永磁材料的發(fā)展先后經(jīng)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(jìn)電機、無芯電機等實現(xiàn)了超小型化。美國通用汽車公司在1000cc汽車發(fā)動機上采用NdFeB永磁體，使發(fā)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(yīng)用前景。 3 稀土元素在航空材料發(fā)展中的作用 稀土元素在航空材料發(fā)展中的作有是由稀土元素的性質(zhì)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(xué)活性，稀土元素在化學(xué)反應(yīng)中異?；顫姡瑯O易與氣體（如氧）、非金屬（如硫）及金屬作用，生成相應(yīng)穩(wěn)定的化合物；這些新形成的化合物多數(shù)是溶點高、密度小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(zhì)的有害影響。氫是鋼和鋁合金的有害雜質(zhì)，溶入液態(tài)金屬的氫凝固時以原子態(tài)析出，聚集成分子，導(dǎo)致出現(xiàn)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(yán)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(xué)反應(yīng)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(yīng)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(zhì)點則成為鋁結(jié)晶過程的異質(zhì)晶核。 （２）細(xì)化晶粒和枝晶組織，提高熱塑性。稀土可細(xì)化合金的鑄態(tài)組織，使枝晶網(wǎng)絡(luò)更為清晰，從而改善合金的熱塑性。稀土化合物微小的固態(tài)質(zhì)點提供了異質(zhì)晶核或在結(jié)晶界面上偏聚阻礙晶胞的長大，為鋼液結(jié)晶細(xì)化提供了較好的熱力條件。 （3）改變夾雜物的形態(tài)和分布。稀土與雜質(zhì)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(chǎn)生強化作用，稀土加入合金中使氫氧和夾雜物量降低，又細(xì)化了晶粒和枝晶網(wǎng) 絡(luò)，稀土與非金屬元素作用產(chǎn)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(wěn)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(shù)中也作了一些研究，許多都取得了正的效應(yīng)，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(jìn)一步開發(fā)研究。
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