轻质稀土镁合金材料在航天军工领域的应用

稀土镁合金的应用性能优势，主要体现在耐高温和高强度方面，通过加入稀土元素合金化，能显著提高镁合金的强度和耐热温度。国外已将耐热稀土镁合金应用到飞机蒙皮、导弹舱体、卫星空间结构件、飞船框架、发动机引擎盖、发动机汽缸体和变速箱壳体等零部件上。随着社会经济发展，在军工领域和民用领域均会有更大拓展。

高性能稀土镁合金以其优异的综合性能，正被广泛应用于汽车工业、轨道交通、航空航天、武器装备、3C产品和生物医用植入材料等领域。

镁合金是减轻武器装备质量，实现武器装备轻量化，提高武器装备各项性能的理想结构材料。武器装备的需要，推动了高性能镁合金材料及应用技术开发的发展。在军工方面，以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6铸造镁合金已用于直升机减速机匣、歼击机翼肋及30 kW发电机的转子引线压板等重要零件。随着冶炼和加工技术的进步、价格的降低、武器装备轻量化要求的日益提高，镁合金在武器装备上的应用需求越来越大。

图1 军事装备中使用镁合金可以提高结构件强度，减轻装备重量，例如掩体支架、迫击炮底座和导弹等。

1.国外镁合金在武器上应用的典型实例

(1)美军正在研制的21世纪士兵武器—理想的单兵综合作战系统，计划用镁合金做壳体等构件，使质量从8.17 kg降到6.37 kg；

(2)美军正在研制的先进水平水陆两柄突击车，采用镁合金做壳体，并采用了先进的镁合金表面防护技术，经试验证明，表面性能良好；

(3)国外已将镁合金用于次口径脱壳弹软壳，穿甲弹弹托；

(4)法国MK50式反坦克枪榴弹部分零件应用了镁合金材料，其全弹质量仅为800 g；

(5)美国制造的Racegan(强装药，先进战斗用手枪)扳机等零件采用镁合金，重量减轻45%，击发时间减少66%。

2.国内稀土镁合金研发与应用

近几年，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心在中国工程院院士丁文江的领导下，在高性能镁合金材料开发及应用方面取得了一系列重大科研成果。吴国华及其课题组通过努力阐明了稀土镁合金强韧化理论与耐热机制，开发了国际领先水平的高强耐热新型镁稀土合金材料，力学性能尤其是高温力学性能比现有镁合金材料提高了近一倍，揭示了镁熔体中稀土元素动态损耗机制，发明了稀土镁合金复合净化系统，解决了镁稀土合金纯净化及稀土损耗的世界性难题。开发了多种航天航空关键重要部件，保证了国家重点型号的顺利实施，满足了国家重大战略需求。为国防工业的发展做出了重要贡献，产生了显著的社会效益。这些应用均属国际首创。

长春应化所承担“高性能稀土镁合金及其在汽车上的应用”项目，利用应化所的稀土镁中间合金，开发有自主知识产权的高强、耐热、抗蠕变稀土镁应用合金；充分利用我国丰富的镁和稀土资源，完成高性能、廉价、成分均匀的系列稀土镁合金的规模化生产，形成生产系列稀土镁合金的成熟技术；掌握高性能稀土镁合金的熔炼技术，为汽车用镁合金压铸产品提供高品质的系列镁合金铸锭，其性能达到或超过目前国外同类合金的水平，其合金成本增加控制在A291合金价格的30%以内；推动耐热、抗蠕变稀土镁合金在一汽集团汽车上的应用，将新型稀土镁合金推广到长春客车集团公司、航空航天等部门应用。

我国中长期科学和技术发展规划中，有多个重点领域、优先主题和重大科技专项对轻量化材料提出了明确而迫切的重大需求，如“大型飞机”、“高分辨率对地观测系统”、“空天工程”、“深空探测”等对轻质高强的先进金属材料均有迫切的应用需求。可以说，材料“减重”已成为我国航天航空、国防工业发展的一个重要且紧迫的任务。

当前，我国航空航天、国防军工、轨道交通、汽车等领域对材料轻量化都提出了迫切需求。就航空器而言，材料轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。专家指出，商用飞机与汽车减轻相同重量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍;而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍，更重要的是其机动性能改善可以极大地提高其战斗力和生存能力，具有重要战略意义。试验研究表明，航天飞行器每减重1g，可节约发射燃料4kg。而飞机减重1磅的经济效益：商用机为300美元，战斗机为3000美元，航天器为30000美元。

在我国，高性能的稀土镁合金以前主要应用于航空航天、导弹等军工领域，近年来，镁合金及镁基复合材料已逐步在武器和弹药上得到成功应用，发展十分迅速。

高性能轻金属材料在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位。航空航天器的轻量化带来的经济效益和性能改善十分显著。MD600N直升机的变速装置采用了稀土镁合金，降低了重量，极大提高了旋翼的升力。我国神舟6号载人飞船使用稀土镁中间合金开发的MB26镁合金制作电器箱，实现减重13kg。

航空航天和武器装备上使用的材料工况条件恶劣，经常需要在振动、沙尘、腐蚀、高温等苛刻环境下服役，这使得稀土镁合金如WE43、WE54被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中，如西科斯基公司的S-92型直升机和贝尔BA-609型倾斜旋翼飞机和欧洲的NH90直升机。

稀土镁合金被广泛用于制造飞机部件，如发动机零部件、座椅、踏板、起落轮、飞机座舱顶棚框架、涡轮喷气发动机机罩以及各种无线电设备底座等。美国的B-36战略轰炸机大量使用稀土镁合金，共使用了5555kg镁板、700 kg镁合金锻造件及300 kg镁合金铸造件。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星和飞船上均选用了稀土镁合金构件。

主要参考资料

（1）  张文毓，高性能稀土镁合金研究与应用，《稀土信息》：2018（4）

（2）  发挥中国战略资源优势，开发轻质高性能稀土镁合金材料，《访上海交通大学吴国华教授》，2017年8月