镁的应用:镁合金在武器装备领域的应用

文摘   科学   2024-06-17 00:00   浙江  

引言镁及镁合金当前有近100万吨的产量,虽明显不及铝合金的产量,但镁合金在轻量部件制造、医疗以及矿物冶炼等方向开展了大范围的研究和应用。本文展开论述镁及镁合金在武器装备领域的应用。镁合金作为最轻的金属材料,其运用可有效降低部件重量,增加运载,提高飞行器的机动性和续航,并尽可能的降低发射成本。

“文章内容来源于镁合金文献和大量的镁合金推广应用报道。本公众号仅做汇总和阐述。在此感谢各位前辈在镁及镁合金行业的开拓和付出”。所述并不详尽(尤其缺乏国外相关单位信息),欢迎留言沟通,促成镁合金更广泛的研究和应用。

镁合金在中国军工领域的首次应用

首先以一个报道的小故事展开:击落U-2飞机的“杀手锏”

实现镁合金在中国军工领域的首次应用——纪念“中国模锻之父”曾苏民逝世一周年
https://www.cnmn.com.cn/ShowNews1.aspx?id=361496
U-2飞机是高空间谍侦察机,能不分昼夜地在2万多米的高空执行全天候侦察任务。“1956年起,美国的U-2飞机曾侦察过苏联、古巴、朝鲜、中国、越南等国家。对付它,对所有被入侵的国家来说都是一道难题。”1962年9月9日,当U-2飞机在江西省南昌市郊区上空巡航时,被中国人民解放军一举击落。

中央电视台播放《掠过台海的谍影 猎杀“黑猫”》,披露了U-2飞机被击落的史实。解放军导弹部队摸清了U-2飞机的行动轨迹,创造了“近快战法”,将U-2飞机击落。但令人疑惑的是,U-2飞机巡航高度在2万米以上,我军使用的萨姆-2A型导弹的射程只有1.3万米,无论什么战法也难以击落U-2飞机。

“谜底其实就在导弹上。”当年钱学森等众多国内导弹专家经过科学的分析计算,有了一个大胆的设想——以减轻导弹质量来增加导弹射程。这个设想很快被实施,研制出了对付U-2飞机的“杀手锏”——质量轻、强度高的镁合金锻件被装在萨姆-2A型导弹上,代替了原来的铝合金锻件。导弹射程因此得到极大提高,能够冲上3万米云霄。“这是镁合金在中国军工领域的首次应用,具有标志性意义。”镁合金锻件在萨姆-2A型导弹上的应用,为当时中国萨姆导弹的技术升级提供了可能,也为日后开发国产红旗-2型导弹系统提供了技术支持。

镁合金在军工领域的应用

现代战争需要军队具有远程快速部署运动的能力,要求武器装备轻量化,在手持式武器、装甲战车、运输车、航空制导武器上将大量采用轻金属材料。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。

镁合金最早应用于军事工业领域是在1916 年,被用于制造77mm 炮弹引线。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,镁合金在武器装备的应用需求越来越大。

B-36 轰炸机总重8600Kg,其中使用镁板300Kg

国内的案例不敢放,就放国外的吧)
镁合金是飞机、导弹、战斗机和战斗车辆的关键结构材料,可满足军工企业减重,降噪,减震,防辐射等要求。铸造镁合金被应用于炮车车轮、投掷器、迫击炮炮座、机枪托架、齿轮箱和变速箱壳体等,变形镁合金用于火炮装填器杆、加农炮、迫击炮底座、榴弹炮炮架架尾、底板炮手站台及运输机底板、航空火箭发射器、底面导弹发射器、导弹牵引器、雷达控制系统等。
技术上,镁合金在军事装备应用上主要有以下几方面:

(1)采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件,实现武器装备轻量化,主要产品有:
①枪械武器:机匣、弹匣、枪托体、下机
匣、提把、前护手、弹托板、瞄具座等。
②装甲车辆:坦克坐椅骨架、机长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等。
③导弹:导弹舱体、舵体本体、仪表舱体、舵架、飞行翼片等。
④火炮及弹药:供弹箱、牵引器、脚踏板、炮长镜、轮毂、引信体、风帽、火药筒等。
⑤光电产品:镜头壳体、红外成像仪壳体、底座等。
⑥计算机及通信器材:
军用计算机、通讯器材箱体、壳体、板类等零件。

(2)替代工程塑料,解决零件老化、变形和变色的问题。目前,轻武器、光电及通讯器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高,但弹性模量小,比刚度远小于镁合金,且难以回收,环境适应性差,易磨损和老化变形、变色,既影响兵器战术性能,又影响兵器外观。该类零件采用镁合金及镁基复合材料可以从根本上克服工程塑料的这些缺陷。主要产品有:
①枪械武器:塑料弹匣、护盖体、附件筒、前护手等。
②光电产品:镜头塑料壳体、瞄具塑料壳体、夜视仪塑料壳体等。
③军用器材:各种仪表盘、通讯器材箱体、壳体零件、军用头盔等。

无人机、舰载的机吊舱、机箱

3)导弹及其他飞行器零部件的镁合金化。过去镁合金在导弹上的应用较少,只在照明弹中使用镁粉。近年来镁合金用于战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵面、隔框等零件,材料为MB2、MB3、MB8变形镁合金。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了一定数量的镁合金构件。

镁合金 机匣  和战机座舱架
随着镁合金制备技术的发展,强度、比刚度和耐热、耐蚀性等材料性能如进一步提高,使镁合金应用范围进一步扩大。武器装备上使用的材料工况条件恶劣,经常需要在震动、沙尘、腐蚀、高温等苛刻环境下服役,现在已经用高性能稀土镁合金取代部分中强铝合金在武器装备上获得应用。稀土镁合金WE43、WE54被广泛应用于发动机齿轮箱和直升机的变速系统中,如某公司的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。ZM6铸造镁合金已用于直升机减速机匣,歼击机翼肋及30kw发电机的转子引线压板等重要零件。坦克座椅骨架、车长后视镜、变速器本体、发动机过滤座等技术上也可以使用镁合金。

此外,高性能稀土镁合金的应用包括各种民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构,以及火箭、导弹和卫星的一些零件。耐温性提高,飞机的各种发动机箱体、传送箱和电源装置等都将逐步采用镁合金制造。镁合金的板材主要用于制造各种壁板、整流罩、发动机罩、门、盖板、框架、整流包皮、翼尖、尾面、副翼及油箱等。我国的歼击机、轰炸机、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件,某型号的飞机最多选用了300~400项镁合金构件,一个零件的重量最重近300kg,一个构件的最大尺寸大于2m。

应用案例

Racegun枪 扳机等零件采用镁、钛合金,重量减轻45%,击发时间减少66%。

俄罗斯生产的POSP6×12枪用变焦距观测镜壳体采用镁合金

38mm转轮防暴发射器的转轮 采用镁铝合金注射成型工艺

美国研制中的新式单兵作战系统(OICW),功能齐全,很多零件采用了轻合金,重量仅8.172kg, 但军方仍希望进一步减重1.8kg 以上

英军的大口径120mmBAT L6 Wombat无后座力反坦克炮采用了镁合金,大大减轻了重量,加上所配的M8 0.5in 步枪,总重才308kg
美军M274A1型军用吉普车采用了镁合金车身及桥壳,大大减轻了重量,具有良好的机动性及越野性能,4个士兵可以抬起来
法国AMX-30 坦克为法国装甲部队的主要装备之一,是二次世界大战后法国生产数量最多的坦克,AMX-30 坦克的CN105F1 型105mm 线膛炮的身管热护套采用镁合金

美国M102式 105mm榴弹炮的大架、摇架前座板、左右耳轴托架等采用镁合金部件,火炮重量从3.7吨降到1.4吨,射程提高30-40%

法国WK50 式反坦克枪榴弹应用了镁合金,全弹质量仅800g 

美国“猎鹰”Falcon空对空导弹,使用大量的镁板材,其中弹体、外壳蒙皮、稳定架、管件、导向陀螺底盘等采用AZ32BAZ91D镁合金

美国水陆两栖突击车AAAV采用WE43A镁合金制造动力传送舱。

参考文献:

[1]  根据网络资料进行整理。

[2] 镁合金在兵器装备中的应用前景分析

[3] 镁合金在航空航天和国防军工上的应用

[4] 丁文江院士:先进镁合金材料及其在航空航天领域中的应用

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镁合金见闻录
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