镁合金在航空航天中的应用之变形镁合金

　　镁合金是最轻的金属结构材料，其密度为1.75~1.85g/cm2.用于航空、航天飞行器中可减轻结构重量，用于高速运行的零件可减少惯性力。镁合金的强度和弹性模量比钢、铝合金低，但有高的比强度和比刚度，在相同重量的构建中，采用镁合金可使构件获得更高的刚度。镁合金有很好的阻尼性能，吸收冲击和振动的能力高，适宜制造承受冲击载荷和振动的零部件。镁合金具有优良的切削加工性能，有利于零件的机械加工成形。除了结构上的用途外，镁合金还有许多非结构上的应用。由于镁及其合金具有高的负电性，可作为牺牲阳极材料，防止其他金属的腐蚀，保护重要的金属构件不受腐蚀而破坏。镁合金可用作为电池及蓄电池材料；镁可用作铝、锌、铅和其他有色合金中的合金元素。镁在镍合金及铜合金冶炼中作为除氧剂和脱硫剂，在钢铁工业中作脱硫剂和球墨铸铁的球化剂，在铍、钛、铪和铀的冶炼中用作还原剂。此外，还可用来制作烟火。
　　镁合金在海洋气候环境下抗腐蚀性能差，使其在航空产品上的应用受到限制。国外在镁合金的研究与应用上，一直是致力于提高镁合金的抗蚀性能，主要是采取提高镁合金的纯度的途径，美国对航空上应用较多的AZ91镁合金，采用提高合金纯度，最大程度降低合金中重金属杂质铜、镍、铁的含量。研究出适宜压铸的AZ91D和适宜砂型、金属型和溶模铸造的AZ91E高纯镁合金。根据美国宇航结构金属手册公布的实验数据表明，AZ91E瞩镁合金的抗蚀性能已接近欧美国家航空上广泛应用的A357铸造铝合金的抗蚀性能，这将对镁合金在航空上的扩大应用有重要意义。同样俄罗斯也研究出了高纯铸造镁合金并已成功地应用于航空产品上。
　　镁合金分为变形合金和铸造合金两大类。一下介绍航空和航天用的镁合金
　　镁-锰系合金 航空、航天用的MB8含有少量稀土铈（质量分数为0.15%~0.35%），是不可热处理强化的合金，具有较高的耐腐蚀性能，没有应力腐蚀倾向，焊接性能良好，可制成各种规格形状的半成品（板、棒、型和锻件），用于制造飞机蒙皮、壁板以及汽油、滑油系统的零件，可在200 C以下长期工作和在250C以下短时工作。
　　镁-铝-锌系合金 有MB2和MB3，都是不可热处理强化的合金。在应力下稍有腐蚀倾向，与MB3比，MB2的应力腐蚀倾向更小。焊接性能良好，可采用氩弧焊合电阻焊。室温力学性能优于MB8，可制成形状复杂的锻件和模锻件，用于制造飞机内部构件、舱门、壁板及导弹蒙皮等，可在150C以下长期工作，200C以下短时工作。
　　镁-锌-锆系合金 有MB15、MB22和MB25三种牌号，MB15、MB25属高强度镁合金。由于工艺塑性低于中等强度的MB2、MB3、MB8合金，因此生产的品种限于挤压制品、锻件和模锻件。MB15、MB25合金切削加工性能良好，焊接性能差。MB25室温拉伸性能优于MB15合金。这类合金用于制造飞机长桁、操作系统的摇臂、支座等受力构件，可在125C以下长期工作。MB22是含有高钇（质量分数为2.9%~3.5%）的镁-锌-锆系合金，主要制成厚板，其室温强度略高于MB3合金，室温拉伸屈服强度和压缩屈服强度、高温瞬时强度明显优于其他镁合金（如MB2、MB3、MB8），合金有良好的成形和焊接性能，无应力腐蚀倾向。可用于300C以下短时工作的宇航结构零件。
　　MB2是镁-铝-锌系不可热处理强化的变形镁合金。合金在室温下工艺塑性差，高温时塑性好，因此合金的压力加工工序必须在加热状态下进行。合金的切削加工性能、焊接性能良好，应力腐蚀倾向小，耐蚀性能较好。该合金可加工成板材、棒材、型材和形状复杂的锻件、模锻件，制成的零件可在150C以下长期工作和在200C下短时工作.
　　MB3是镁-铝-锌系不可热处理强化的变形镁合金，该合金的室温强度高于MB2合金，但室温下工艺塑性差，高温时工艺塑性好，因此零件成形需在加热状态下进行。合金的切削加工性能，焊接性能良好，有应力腐蚀开裂倾向，且比MB2合金大。该合金主要加工成板材用作飞机尾翼、舱门等部位的蒙皮、壁板及飞机内部零件。可在150C以下长期工作和在200C以下短时工作。
　　MB8是镁-锰系不可热处理强化的变形镁合金。合金中加入少量稀土元素铈（质量分数为0.15%~0.35%），使晶粒细化而改善了力学性能，合金强度比MB1提高约40MPa。合金具有较高的耐腐蚀性，没有应力腐蚀倾向。切削加工及焊接性能良好，易于氩弧焊合电阻焊。该合金可以制成品种多样饿变形半成品，可用于飞机蒙皮和壁板以及汽油和滑油系统的零件。制成的零件可在200C以下长期工作和在250C以下短时工作。
　　MB15是镁-锌-锆系可热处理强化的高强度变形镁合金。该合金的工艺塑性低于中等强度的MB2、MB3、MB8合金，因此生产的品种限于挤压制品、锻件和模锻件。合金热成形后通常在人工时效状态下使用，其室温强度、屈服强度优于其他镁合金，且切削加工性能良好，但焊接性能较差。可用于125C以下工作的零件，如飞机长桁、操纵系统零件、航空轮毂等。
　　MB22是镁-钇-锌-锆系热强变形镁合金，主要制成板材，其室温拉伸强度略高于MB3合金，高温屈服强度，高温瞬时强度和压缩屈服强度明显优于其他镁合金（如MB3、MB8）。合金具有良好的成形和焊接性能，无应力腐蚀倾向。该合金可推荐用于300C以下短期工作的航空结构件。
　　MB25是镁-锌-锆-钇系高强度变形镁合金，通常不经热处理，于热挤压或热锻压状态下使用，主要用于加工挤压制品及模锻件，室温拉伸强度、屈服强度、高温顺势强度均优于高强度镁合金MB15。
　　合金的塑性、韧性及耐腐蚀性能与镁合金MB15相近。合金在室温下工艺塑性差，高温时工艺塑性好，因此零件的压力加工成形需在加热状态下进行，合金切削加工性能良好。由于合金焊接性能较差，不推荐用作焊接零件。可代替部分中等强度的铝合金用于飞机的受力构件，是目前宇航工业中新型的结构材料。
　　与铸造镁合金相比，变形镁合金在组织上更细、成分上更均匀、内部更致密，因此变形镁合金比铸造镁合金具有高强度和高伸长率等优点，同时在满足相同工作条件下比变形铝合金更轻。因此航空器特别是导弹、卫星以及航天飞机大量应用各种变形镁合金。例如B-36重型轰炸机每架使用4086kg的镁合金薄板，喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼也是用镁合金制造的，由于采用了镁板，使结构零件的数量从47758个减少到16050个；Talon超音速教练机有11%的机身是由镁制成的（360lb的板材，280lb的铸件和少量挤压件、板材和管材）；B-52轰炸机用了3600lb的镁合金（其中199件挤压件、19件锻件、542件砂型铸件和380lb的板材）；Falon GAR-1空对空导弹有90%的结构采用镁合金制造，其中弹身是由0.04m的AZ31B-H24板轧制而成，纵向焊接，然后拉深成形。“德热米奈”飞船的启动火箭“大力神”中曾使用了600kg左右的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金；直径1m的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的；战术航空导弹的舱段，副翼蒙皮、壁板、加强框、舵面，隔框等厚件，诱饵鱼雷壳体，以及雷达，卫星上用的井字梁，也都大量采用变形镁合金。