稀土在航空工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、稀土在航空工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢中國航空工業(yè)總公司航空稀土推廣 應(yīng)用辦公室李金桂.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. 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 箍稱：中航研制的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金

2、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 位為主要添加元素的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?、五”期間，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)用大地。稀土鑄造鎂合金主要用作200300c以下長期使用，它具有好的高溫強度

3、和長期抗蠕變性能。各種稀土元素在鎂中的溶解度不同，增加的順序為錮、混合 稀土、鈾、錯、被。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 的以數(shù)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250C 下長期使用。隨著含億 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200300c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

4、（簡稱：航材院）加i A1 Mo系鈦合金中 用稀土金屬鈾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鈾的鑄造 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500c條件下使用鑄鈦機匣的空白。研究表明，含鈾 的 ZT3合金組織中存在著細小的氧化鈾質(zhì)點。鈾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)

5、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，鈾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)定廉價的氧化鉆砂料與粉料，它在比重、硬度和對鈦 液的 穩(wěn)定性上，都達到了較好的水平，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。用氧化億型殼制造鈦鑄件的突出優(yōu)點是：9件質(zhì)量和工藝水平與鴇面層 工藝相當?shù)臈l件下，能制造比鴇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、

6、發(fā)動機及民品鑄件。3稀土鋁合金中航總研制的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206 ,與國外含鍥的合金比較，具 有優(yōu)越的高溫和常溫力學(xué)性能，并已達到國外同 類合金的先進水平?，F(xiàn)已用于直 升機和殲擊機工作溫度達300c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200300c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Z L108提高45 倍，線膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好，已用于航空附件KY5,KY7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，

7、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(shù)量， 提高合金的性能；稀土鋁化合物作為異質(zhì)晶核細化晶粒和共晶相，也是一種變質(zhì) 劑；稀土元素他1 了富鐵相的形成和細化，減少了富鐵相的有害作用。a -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。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

8、用，使得飛機油箱使用壽 命由原來的35年延長到1520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NiA1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發(fā)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(jié)合力。

9、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933946可提高 13501478。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。.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 代新技術(shù)的

10、重要物資基礎(chǔ)。自80年代以來利用物鉆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，物鉆永磁合金的主要特點是： 退磁曲戔基本上是一條直線，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 ）具有極大褥頑力，有 很強的抗去磁能力；3）具有很高的最大磁能積；的 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，稀土物鉆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鉆鐵硼NTP200/64 ）幽。用鉆鐵硼永磁代替物鉆永

11、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，使用了鉆鐵硼磁鋼，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，NdFeB系永磁材料的高溫穩(wěn)定性和耐 腐蝕性需要進一步提高，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（磁育骸4.6MGOe） AINiCo合金階 段（磁育顏11.5MGOe） ,SmCo階段（磁育骸31.0MGOe） NdFeB階段（磁育積 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(xiàn)了超小型化

12、。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4050%,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

13、 歸納為如下幾個方面：Q）郵非金屬雜質(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 來嚴重危害，實驗表明鋁及其合金中加入適 量稀土。.10.3%）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】 也 012/3RE203 （固）RE十H 一REH（固）RE （瓶）HMnS （固戶RES （固）Win （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)

14、品核。（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(tài)組織，使枝 品網(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)晶細化提供了較好的熱 力條件。3）儂夾雜物的形態(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)定品界，這 些都起到了提高材料 強度的作用。（5 ）稀土的引入

15、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 進一步開發(fā)研究。4稀土在航空材料上的應(yīng)用展望由于稀土金屬的原子半徑大，極易失掉最外 層2個s電子和次層的5d一個 電子或4f的一個電子，而成三價離子。因此稀土金屬在化學(xué)反應(yīng) 中異常活潑，極 易與其它物質(zhì)反應(yīng)。又由于稀土元素具有電 子未完全充滿4f層的特性，而引導(dǎo) 出各種磁、電和光的特性效應(yīng)以及其它特殊性能。稀土元素的這 些有吸引力的性 能及廣闊的潛在用途，引起了航空材料科學(xué)家的極大重 視及

16、廣泛的研究，近期的 研究重點：1稀土陶瓷材料稀土材料在高推比航空 發(fā)動機上的應(yīng)用出現(xiàn)新進展。近年來中航總 公司開 展了稀土在結(jié)構(gòu)陶瓷方面的應(yīng)用研究。氮化硅陶瓷具有高溫下強度高、抗熱 震性 能好、高溫蠕變小等優(yōu)良的性能，是一種最有希望用于高推重比 發(fā)動機的新型結(jié) 構(gòu)陶瓷材料。氮化硅陶瓷仍遵循著液相燒結(jié) 機理，需加入一些氧化物添加劑與 Si3N4,顆粒表面的出SiO2層反應(yīng)，生成液相以促進燒結(jié)。引入A1 203,、MgO等 氧化物為燒結(jié)助劑后，氮化硅陶瓷的斷裂韌性和強度并不高，但引人稀土氧化物 Y2O3即丫203 A1 203,或丫203 一 MgO為燒結(jié)助劑，氮化硅陶瓷的常溫斷裂韌 性和強度得到

17、明顯的改善，但高溫性能并不好。近年來的研究發(fā)現(xiàn) 以稀土氧化物 丫203和La203為添加齊L材料的力學(xué)性能大幅度提高，尤其是高溫斷裂 韌性得到 明顯改善。研究表明：丫203和La203的引入對氮化硅陶瓷中B 一 Si3N4,晶粒的 生長行為有重要影響，從而影響了氮化硅陶瓷的 結(jié)構(gòu)和性能。選適當比例和含量 的丫203和La2O3作添加劑，可得到軸比較大的B Si3N4晶粒，這樣使氮化硅 陶瓷產(chǎn)生了自增韌的效果。陶瓷屬脆性材料，一般不能用于結(jié)構(gòu)件。為 了克服其 脆性。通常引入纖維、晶須 等增強組份，但這就產(chǎn)生了不同形態(tài)的組份難以均勻 分散，給制造工藝帶來困難。目前這一問題正是限制陶瓷料在高技 術(shù)領(lǐng)

18、域里應(yīng)用 的關(guān)健。將稀土氧化物引入陶瓷粉未中，能夠 在陶瓷燒結(jié)過程中產(chǎn)生原位增韌即 自增韌的效果，恰好克服了上述引入 纖維、晶須等帶來的制造上的困難。因此在 陶瓷材料中引入稀土氧化物，將 為陶瓷材料在高新技 術(shù)領(lǐng)域里開闊一個更為廣 闊的應(yīng)用前景。專用集成電路為適應(yīng)作戰(zhàn)需要，必須抗輻射加固，提高可靠性， 同時集成電路和計算機技術(shù)向更高電路密度和更快運算速度 發(fā)展，均推動陶瓷 材料基片及其封裝向更高性能和更精 細工藝方向發(fā)展。作為基片材料，必須滿足 低介電常數(shù)，高熱導(dǎo)率，高機械強度，與半導(dǎo)體芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)。氮化 鋁Ain）”基片與傳統(tǒng)的氧化鋁A1 203）基片相比，儂高的導(dǎo)熱率，適用于高

19、功耗、高引線數(shù)和大尺寸芯片，成為近年來航空及軍工行業(yè)開發(fā)的重點。采用稀 土氧化億丫203,）和氧他混合添加齊L可以降低氮化鋁的燒結(jié)溫度，促進燒結(jié)。 這種摻雜后的氮化鋁AIN）陶瓷,導(dǎo)熱率260W/ m.K）,適于高密度儂，熱阻 僅為同樣結(jié)構(gòu)和相同引線數(shù)的氧化鋁封裝的1/4，這種基片已用于含1800個輸入 /輸出頭的計算機系統(tǒng)的多層布線陣列的封裝。4. 2稀土永磁材料稀土永磁材料是制 備高性能微波功率管一行波管的關(guān) 鍵材料?，F(xiàn)代軍事通 訊、雷達、導(dǎo)彈制導(dǎo)和電子戰(zhàn)都需要各種行波管，其特點是工作頻帶寬2T8GHz）,效率高（妙0%）。海灣戰(zhàn)爭中美國使用的電子干擾設(shè)備、預(yù)警飛 機、火控雷達、精密制導(dǎo)系

20、統(tǒng)，都用了大量高性能寬帶大功率行波管，制造這些 高功率行波管的關(guān)鍵是高磁能積、低溫度系數(shù)的稀土永磁材料。這材料對實現(xiàn)軍 用電機的高效率、小型化和輕質(zhì) 化，以及促進軍用計算機性能的提高也是十分重 要的。根據(jù)我國目前稀土永磁材料發(fā) 展的實際情況，今后在航空航天領(lǐng)域里稀 土永磁材料研制開 發(fā)的主要方向有：1）高急一性SmCo系永磁材料；（2 ）高工作 溫度NdFeB系永磁材料；3）快淬NdFeB磁粉及粘結(jié)NdFeB系永磁材料；（4 ）新 型SmFeN系永磁材料；（5）低成本、高性能第四代稀土永磁材料。4. 3稀土鋁合金 航空用A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金LD7和LD8的工作溫度不能超 過

21、270C , Al-Cu-Mn系的LYI6或2021的工作溫度不能超過300C ,除了燒結(jié)鋁粉末外，還沒有可在350400c下工作的鋁合金。Sc能將鋁合金的再結(jié)晶溫度提 高到450550c ,共格沉淀相A13Sc特別是與Zr復(fù)合形成的A1 3 ScZr）白熱穩(wěn) 定性極高，在350c或450c長時間加熱時質(zhì)點尺寸長大速度極慢，而且能長期 保持共格性不破壞，是開發(fā)工作溫度大于350c的耐熱鋁合金最有希望的合金元 素。目前，航空用綜合性能最好的高強高韌鋁合金是A1-Zn-Mg-Cu-Zr系的 7075、7150和7010,它用Zr代替了 Mn和Cr,顯著提高了合金的淬透性，適于 生產(chǎn)厚板（75mm）

22、。但是，這類合金的鑄造性能極差，厚向強韌性還不夠高。若加入0102%Sr與Zr形成共格沉淀相A1 3 ScZr），除了增力強度外，還能使 再結(jié)晶溫度提高。A13SC質(zhì)點抑制合金的再結(jié)晶，得到未再結(jié)晶組織，起至血結(jié) 構(gòu)強化的作用，能改善板材厚向的強韌性。經(jīng)過充分時效，疲勞強度、斷裂韌性 kic。）和抗應(yīng)力腐蝕能力SCR）得到明顯的提高，為火箭和飛行器開發(fā)出新一代 超高強高韌鋁合金是完全有可能的。4.4稀土高溫合全稀土元素對改善高溫合金的性能作用顯著。高溫合金用于航空發(fā)動機的熱 端部件，但由于在高溫下抗氧化、耐腐蝕 及強度的下降，使得航空發(fā)動機性能的 進一步提高受到限制。近期的研究表明：鍥 基合金中添加少量稀土后，提高了抗 硫化性能及高溫強度和熱塑性。鉆基合金中加入0.10.2%億、鍥基合金中加 入銅或鈾，能使材料的耐腐蝕性能提高10倍。在鍥銘合金中，稀土對提高合金的 抗氧化性能有明顯的作用，如在Ni-30Cr合金中加0.3%丫；0.05% La和Ce,合金 在1200c和1300c下的壽命分別為2970小時和613小時，而未加稀土同一鍥 銘合金，在上述溫度下，其壽命僅為1518小時和270小時。稀土元素對高技術(shù) 新材料研究與發(fā)展有密切的關(guān)系，更深入地研究稀土元素在航空材料中的作用 及其機理，稀土元素對性能變化的影響規(guī)律，從而更廣泛地探求新的航空材料，