镁的应用：镁合金在航空航天领域的应用

文摘科学 2024-06-24 09:00 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航空航天领域的应用。镁合金是最轻的金属结构材料，在航空航天领域，镁合金被广泛应用于制造飞机、导弹、飞船、卫星上的重要构件。航空航天装备的轻量化可以显著提升运载能力、机动性、航程等关键指标。

“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。

航空航天领域对轻量化的必要性

“探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。”航空航天是高技术、高投入、高风险、高回报、高牵引的领域。无论是C919国产大飞机的成功商飞，还是神舟号航天员乘组圆满完成出舱活动，都彰显着我国航空航天事业发展已进入“快车道”，航空航天科技实现跨越式发展。

装备结构轻量化是永恒的主题。结构轻量化会带来一系列效益，如增加有效载荷，提高飞行航程或射程，减少能耗，保护环境等。钱学森先生早在1961年讲授《星际航行概论》课时指出：“航天器每一个零件减少1克重量都是贡献，协调重量是总设计师的首要任务。”
杜善义，公众号：中国建材报院士论坛 | 杜善义：新型空天飞行器要实现关键材料自主可控

NASA将轻量化作为十二项颠覆性技术之一，重点支持加快研发轻质高强的复合材料与结构、功能材料与结构，以及更有效的轻量化设计与制造技术。航天器每减重1 kg，按照近地轨道到月球轨道不同高度将节省5万到50万元发射费用（2021年全球共进行145次火箭发射，入轨重量769.6吨）。大型航空公司每架飞机减重100 kg，每年将减少油耗近5 000吨，减少二氧化碳排放近15 000吨。运载火箭发射的弹道导弹和高超声速飞行器每减重1 kg，可使射程提升16 km至22 km；新一代战斗机重量减轻15%，可增加航程20%，提高电子装备、武器挂载等有效载荷30%；军用航空发动机每减重1 kg，可以使战斗机减重近5 kg（航空航天装备的轻量化：挑战与未来）

航空航天材料每减少0.45kg质量所带来的经济效益

结构是航空航天装备的骨架，构成了系统轻量化的主要对象。材料结构的轻量化需要充分并合理运用高性能轻质材料（如轻质合金、复合材料、泡沫/蜂窝/点阵材料等）、新的结构优化设计手段（拓扑优化、整体优化等）以及新工艺技术（增材制造、复合制造等），通过材料在结构空间的合理拓扑布局和参数优化实现多种承载性能最优化与轻量化。需要充分考虑结构在多物理场环境下多种性能之间的相互制约关系、系统多学科功能以及多种制造工艺对结构构造和承载性能的制约关系，其关键难题在于材料-结构-工艺-功能等多因素的协调。

高性能空天装备轻量化研制的重大科技问题

设计是实现轻量化的第一步。空天飞行器的设计需要从概念、形状/结构、材料、功能一体化等多个维度，综合考虑所有可行的轻量化设计策略，创新理念，发挥结构作用，提高结构效率。

先进制造是实现轻量化的保障。工欲善其事，必先利其器。新型空天飞行器结构中采用的先进复合材料形式复杂、尺寸规模大，生产工艺复杂，自动化制造程度要求高，无损检测难度大。如今，以数字化、网络化、智能化为代表的先进制造技术为轻量化的实现提供了前所未有的手段，使材料—结构—产品（装备）一体化的先进制造成为可能。

高比性能的新材料是轻量化的基础。面向新兴高性能制造工艺，研究工艺与功能特征驱动的材料-结构-工艺一体化设计理论，开展增/等/减材工艺的金属结构-工艺参数协同设计-精密成型研究。“卡脖子”技术向上溯源，多数是材料问题。新材料是新型飞行器的物质基础，在满足空天装备需求的同时，材料本身也得到发展，两者相辅相成。高性能新材料的发展要靠创新，特别是颠覆性创新。

轻量化材料与结构

新型空天飞行器的发展，材料要先行，关键基础材料更要自主可控，强化材料科学、技术和工程的结合，通过技术创新，跨越向产业转化的“死亡之谷”，缩短新材料研发与应用周期，抓住机遇，应对挑战，迎接新的科技革命。

镁合金在航空航天领域的应用

镁合金能带来巨大的减重效益和飞行器战技性能的显着提升，在航空航天领域的应用具有重要意义和良好的应用潜力，同时，也为镁合金新材料的开发与应用提供了挑战。目前，镁合金（产量占比）在航空领域应用比例很低。在航空工业中，镁合金主要用于制造设备支架、仪器仪表壳体、操纵系统支座、座舱骨架、发动机附件机匣、直升机变速箱、发动机架、机轮轮毂等零部件，其中镁合金铸件超过 90%。

镁合金在空天领域应用的特点：

①低密度。由于飞行器的质量直接影响到它的机动性能（机动性能改善可以极大提高战斗力和生存能力），而空间站和卫星的质量决定了对运送工具的要求和费用，所以航空航天要求材料尽可能的轻质，也就是尽可能的低密度。

②刚度和热导率。材料的比刚度和热导率是非常关键的参数。镁合金具有比刚度高和高的热导率，可使某些部位的振动（飞机的机翼）以及在低重力、高真空的太空环境中，可避免太阳照射使得电子设备过热而烧毁。

③减振能力。镁合金具有良好的减振能力，可以保证航空航天产品承受较大的振动载荷；

④镁合金还具有高比强度、防辐射、良好的尺寸稳定性、电磁屏蔽性，可以抵御短波辐射和高能粒子的“轰击”。

⑤ 镁合金高温强度差、抗蠕变性能差、耐腐蚀性能差、铸造缺陷严重、塑性变形差等缺点，限制了其在航天领域的广泛应用。近几十年来，学者和工业界一直在探索和开发新材料、新工艺，以期改善或解决镁合金上述问题。目前已取得系列成果，开发出适应不同工况和环境的轻量化镁合金零部件，应用于多种航空工业领域。

常用的航空航天铸造镁合金及其性能和用途（来源：16年论文）

20 世纪20 年代镁合金开始应用于航空领域，主要用于制造飞机、轰炸机、导弹等军用装备。战争年代武器装备大量战损，使用寿命较短，镁合金耐蚀性差的缺点被掩盖。到了七、八十年代，由于发现镁合金的耐蚀性差，特别是电化学腐蚀以及抗疲劳和蠕变的性能差，加上铝合金的迅速发展，镁合金的用量骤减，主要用于座舱骨架等非承力或受力较小、需要承受冲击和减振的部位。到了20 世纪90 年代，在汽车工业发展的推动下，解决了一些镁及其合金的一些存在的问题，也重新引起了航空航天工业使用镁材料的兴趣。我国在20 世纪 50 年代仿制的飞机和导弹的蒙皮、框架以及发动机机匣已采用镁稀土合金。70 年代后，随着我国航空航天技术的迅速发展，镁合金也在强击机、直升机、导弹、卫星等产品上逐步得到推广和应用。

1934年，德国开始将镁合金制造的飞机零部件应用到福克Fw-200飞机上，主要用在发动机罩、机翼蒙皮及座位框架上，每架飞机共用镁合金材料大约650kg

航空领域（来源：镁合金在航空领域应用的研究进展）

考虑到耐蚀性，舰载机基本不使用镁合金。法国的“台风”战斗机，在座舱盖和座舱骨架使用镁合金铸件。英国的“鹞”式战斗机也是在座舱等部位使用镁合金，但在由“鹞”式战斗机改型的“海鹞”舰载机，考虑到镁合金耐蚀性差，去掉全部镁合金。美国施行全球战略，其战斗机使用频率较高，且服役环境复杂多变，设计师们出于对耐蚀性的担忧而放弃选用镁合金，所以美国的 F-16、F-18、F-22、F-35 飞机在机身上未见镁合金应用的报道。由于俄罗斯空气多为寒冷干燥，所以与欧美国家的先进战斗机相比，苏系列飞机使用较多的镁合金。苏-27 单机使用变形镁合金超过 50 kg，主要用于承力不大的蒙皮、长桁、维持外形的垫块等部位，应用铸造镁合金部件 170余件，分布在机身、机翼、舵翼等多个部位，其中主要为座舱区域零件、连接件、支架以及边条等。

“台风”战机座舱

Su-27 战机

镁合金在轰炸机和运输机中的应用较多，使用的部位较为分散，有机身、座舱、操纵系统、起落架机轮等。这些主要还是从减轻质量、增加航程、增加载质量来考虑的。20 世纪 50 年代的 B-36 轰炸机被称为“镁合金使用的奇迹”，共使用 8. 6 t 的镁合金，其中包括 0. 7 t 镁锻件和 0. 3 t 镁铸件，25% 的蒙皮采用镁合金，实现减轻质量 855 kg，使航程扩大了190 英里。美国现役的 B-52H 轰炸机，使用镁合金板材 635 kg，挤压型材 90 kg，铸件超过 200 kg，使用部位集中在起落架机轮、操纵系统等非承力或次承力结构。俄罗斯的图-16 战略轰炸机，采用镁合金铸件制造座舱骨架。伊尔-76 运输机使用大量的镁合金，摇臂、维护口盖骨架、舱门骨架、操纵系统拉杆支座等。美国现役的 KC-135“同温层油船”加油机于 1965 年开始服役，参加过海湾战争，该飞机襟副翼的驱动变速箱壳体采用镁合金铸件。波音B767 的反向推力器格栅、座舱骨架以及座椅等采用镁合金铸件，即便如此，仍旧没有消除波音公司设计师们对镁合金耐蚀性差的顾虑。

1947 年 8 月 30 日，第 1 架生产型 B-36 轰炸机正式服役（阴影部分为镁合金材料)（来源：航空航天用镁合金的研究进展）

镁合金在直升机上主要应用于变速系统壳体和减速机匣，这样可以使旋翼获得更大的升力。随着耐热镁合金的使用和发展，使直升机能在振动、沙尘、腐蚀、高温的环境下服役。UH60“黑鹰”直升机、CH47“支努干”直升机以及 AH64“阿帕奇”武装直升机的变速箱均采用 ZE41 镁合金铸件。最新型的 AH64D 用最新研发的 Elektron 21 镁合金替代ZE41，用于制造变速箱和座舱部位的零件。由美国贝尔直升机公司和意大利阿古斯塔公司联合研制的BA609 双发侧旋翼直升机( 军民两用) 其转轴变速箱为 WE43 镁合金铸件，单件质量达到 12 kg。Mc Donnell Dougles MD50直升飞机采用了WE43合金的变速箱壳体。

同轴直升机变速箱模型

镁合金铸造的某型飞机机尾减速机匣（上海交通大学 JDM合金）

飞机发动机中一些形状复杂、承力较小的典型结构为镁合金铸件提供了合适的应用平台，因而镁合金在飞机发动机中的应用较多，镁铸件在直升机发动机结构质量比中占 2%，主要用于制造中介机匣、附件机匣以及驱动变速系统的外壳等。这些还是充分利用镁合金轻质高强、铸造性能良好的特性实现发动机减轻质量、增加推重比的目的。“全球鹰”无人机配装的 AE-3007 发动机的中介机匣采用 ZE41 镁合金铸件。F-16、F-18、F-22 等飞机采用附件传动系统“AMAD”，通过发动机和机身采用分离附件设计，减少飞机与发动机之间的连接接头，从而大大缩短发动机换装的时间。“AMAD”系统壳体多为 ZE41 镁合金铸件，F-16 和F-18 飞机配装的 F-110 发动机附件机匣以及 F-22飞机配装的 F-119 发动机变速箱壳体均为 WE43 镁合金铸件。

镁合金铸件在直升机主减机匣上的应用

国内外飞机对于镁合金应用的部位是一致的。我国用于航空航天工业中的镁合金主要有铸造稀土镁合金ZM2、ZM3、ZM4、ZM5、ZM6、ZM9 和变形稀土镁合金MB25、MB26。其中ZM2 应用于涡喷-7、涡喷-13 发动机的前机匣、后机匣和主机匣等零件。ZM3 用于制造歼-6 飞机涡喷-6 发动机的前舱铸件和涡喷-11 发动机的离心机匣；用ZM4 制造飞机液压恒速装置壳体。某涡桨发动机的附件传动机匣和减速器机匣采用ZM5 制造，我国研制的昆仑号发动机附件机匣采用ZM5 镁合金，某燃气涡轮起动机的附件传动后机匣选用ZM6 镁合金，某型直升机主减速器主机匣采用ZM6 镁合金，可在海洋环境下使用，MB25 可以制造飞机机身长桁和操作系统的栓臂、支座等受力构件。随着镁合金制备技术的发展，具有综合性能的镁合金（强度、比刚度和耐热、耐蚀性的进一步提高）使其应用范围进一步扩大。

上海交大团队在某高超声速飞行器镁稀土重要部件的研制与生产任务，首次采用新一代镁稀土合金替代钛合金，成功铸造了大型复杂异型薄壁形状的主承力部件，多次飞行试验均获巨大成功，为我国首创。高原之王”新一代直升机采用新一代高性能镁稀土合金材料，突破性地实现了关键部件的轻量化。此外，将先进镁合金材料与成型新工艺相结合，成功制备了某型号轻型导弹舱体、发动机机匣，某型号轻型导弹弹翼，直径145 mm 的无缝管用于某型号轻型导弹壳体的制备、某型号直升机尾部减速机匣和某型号导弹壳体、某型雷达部件。

航天领域

镁合金满足卫星减重和电磁屏蔽两大需求，镁合金微弧氧化层，可实现航天器表面的温度控制。在卫星、探月卫星、空间站等关键结构材料，在航空航天和国防建设中发挥着非常重要的作用。

美国海军卫星上已将镁合金复合材料用于支架、轴套、横梁等结构件，其综合性能优于铝基复合材料；“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600 kg 的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675 kg 的变形镁合金；直径约1 m 的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的；IBM公司加工的镁锂合金应用在Saturn V火箭计算机室和双子座宇宙飞船上，减重20KG；日本利用镁合金低密度的特征，开发了旨在提高具有镁合金机翼的超音速飞行器特性的结构最优化设计方法，并以镁合金成功地制作出了质量仅为1 kg 的超小型人造卫星。

2022年3月，在酒泉卫星发射中心，长征系列运载火箭成功将某卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功。该卫星大量运用了航天科工（长沙）新材料研究院研制的镁锂合金预埋件、壳体、支架、星垫片等零部件，满足了超轻量化需求，大大提高了卫星的有效载荷量。

神舟六号飞船电控箱及其他航天器用的一些零部件采用金属研究所研发的镁合金，获得应用。制造电控箱壳体，减重约13 kg，最后一道工序是表面镀镍处理，以确保载荷在空间环境中使用时的导电性能和电磁屏蔽特性并赋予电控箱在地面环境长时间保存时的抗腐蚀性能。用研发的镁合金制备的天宫1号、神舟6号飞船及其他几种型号航天器的一批批零部件实现了轻质材料物理性能(密度、导热、热膨胀系数、电磁屏蔽功能)、力学性能、规格尺寸(单件最大约100kg)、加工成形性能、长期储存和航天环境下的抗腐蚀性能、冷热疲劳性能等要求的综合统一，解决了航天器相关系统的减重和镁合金在此类系统服役的安全可靠性问题，圆满地完成了承担的航天任务。

北京卫星制造厂近年开展了大量技术攻关和设备改造，突破了大型镁合金表面的防腐处理、机械加工、焊接技术，实现了大型镁合金结构件在多个航天器上的应用。开展了镁合金表面涂覆、微弧氧化、高发射率表面阳极化处理等技术研究，突破了镁合金表面防腐、导电性和高发射率热控要求的综合表面处理技术，实现了镁合金在航天器电子产品机箱中的应用，达到了产品轻量化的目标。

美国在20世纪五六十年代开发了LZ91、LAZ933、商业化的 LA141等合金，将其广泛用作航天领域的次级结构材料。苏联也开发了MA21等牌号合金，并将其应用于登月车。近年来,我国以“尖兵三号”为代表的一系列卫星中,如贮箱､相机等设备的支撑结构均采用了镁合金薄壁框架型结构作为承力主要构架。嫦娥三号的电子设备机箱结构已使用镁合金材料，电子产品机箱通过膜层元素的改性掺杂和微观结构的定向控制,实现微弧氧化膜层的防腐､热控功能的攻关，以达到“外表面”热控，“内表面”导电及整体防腐的目的，最终在镁合金表面制备出了外观均匀,热控性能稳定的微弧氧化热控膜层。

洛克希德公司为卫星开发的镁合金。（陀螺仪安装框架板、负载传递接头处的振动膜片、安装电子设备的角托盘、抽屉隔板、微波装置安装框架）

我国的神舟7号载人飞船释放的伴飞小卫星采用轻型镁锂合金材料作为主结构框架，使整星质量不超过40kg。2015年，“浦江一号”卫星上部分结构件使用了新型镁锂合金材料，它的密度比常规镁合金的轻20%~30%，比铝合金的轻40%~50 %。2016年，我国发射的首颗全球二氧化碳监测科学实验卫星应用了自主研制生产的新型镁锂合金材料。（航天用超轻镁锂合金研究进展）

其他案例：

埃塞克斯飞机公司用镁合金板材及型材制造的190-8327L飞机油箱，与用铝合金制造的油箱相比，每升容积可减重0.144-0.168kg，整架飞机的最大减重可达454kg。目前，一些高温镁合金如WE43、WE54等已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。这些镁合金材料能较好地适应高温、腐蚀、震动和沙尘等比较恶劣的环境。

高端航空铝、镁合金机匣属大型薄壁复杂铝、镁合金铸件中制造难度较大的产品，内部存在多个封闭腔和多个复杂油管通路。目前世界上只有极少数发达国家拥有此类铸件的生产技术。机匣内部质量、尺寸精度及机械性能要求均较高，铸造难度较大，沈阳铸造研究所有限公司针对薄壁复杂机匣铸件产品，先后开发出精炼、变质、细化为一体的熔体处理技术、低温加硅技术以及真空充型加压凝固短流程铸造成形、细长弯曲油管整体铸造、数字化全流程高尺寸精度控制等国内领先的高端航空铝、镁合金机匣铸造技术。利用上述技术，成形的铸件产品本体力学性能：Rm≥335MPa，Rp0.2≥285MPa，A≥8%，HBS≥90，典型壁厚最薄2mm，油管最大总长4m，最小直径4mm，铸件尺寸精度CT6-CT7级，内部质量满足航空标准 I类铸件要求，目前，沈阳铸造研究所有限公司已建成航空铝、镁合金铸件多品种柔性生产线，保障多种型号薄壁复杂机匣铸件产品的研制和生产。

各型号使用镁合金的情况

德国ZIMFLUGSITZ GmbH 公司生产的航空座椅（Lektron 43合金），在保持强度和韧性的前提下，取代现有铝合金座椅，减重25%。

门止动配件,其三向尺寸平均在 60mm 左右,主要采用 AZ80和 WE43锻件制造,可实现比铝合金门止动配件减重约30% (来源：航空航天用镁合金的研究进展)

压缩机叶轮,其直径为220mm,高度为103mm, 采用 AZ80和 WE43锻造成功,并减重30% (来源：航空航天用镁合金的研究进展)

压缩机上壳,合金材料为 WE43或 WE54,分别经过了5500kN 的一次锻造和10500kN 的二次锻造,再经 T5处理和阳极氧化镀膜后获得。服役性能高达 200 ℃,比铝合金制品成功减重约 30% (来源：航空航天用镁合金的研究进展)

G-150 服务门，其尺寸为 1170mm×1240 mm,由 AZ31B-H24 或 ZK10A 经过超塑性成形获得 (来源：航空航天用镁合金的研究进展)

卫星支架

上海航天精密机械研究所研制的大尺寸镁合金产品

制造的 175 毫米球面镁合金反射镜。左面板和右面板分别显示镜子的镜面和背面

展望

两种观点：

1、镁合金的应用部位由最初的机身，逐步转变为变速箱和发动机机匣，由次承力结构件转变为非承力构件。对于机身上使用的镁合金，研究工作主要集中在表面处理技术的开发和工程化应用。这种应用部位和研究重点的转变说明航空用镁合金的发展思路: 高强耐热，兼顾耐蚀。镁合金的高强是为进一步减轻质量，而不是为了向承力构件转变。由于镁合金与铝合金相比，具有更高的比强度，所以有观点认为随着镁合金的不断发展，有望在航空应用中部分取代铝合金。如果解决了镁合金的耐蚀技术，那么飞机结构重量的 15% ～25% 有可能采用镁合金制造。这样一来似乎又可以恢复镁合金在飞机制造中的重要地位。2005 年 3 月至 2008 年 12月，欧盟对变形镁合金在航空航天材料中可否代替铝合金进行研究，该项目名为“变形镁合金在航空航天器中的应用”。结果表明，对于某一项性能镁合金可以达到甚至超过 2000 系、5000 系铝合金，但是综合考虑强度、疲劳、加工、耐蚀、耐温等性能，没有一种镁合金可以与铝合金等同。就是说在相当长一段时间之内，镁合金不可能在结构制造层面上部分代替铝合金，而在航空制造领域广泛应用。从航空用镁合金的发展和应用情况来看，结构用变形镁合金几乎没有发展，也说明结构用变形镁合金发展难度很大。

2、在高性能镁合金的开发方面，我国新研发的镁合金与国外商用合金在合金成分上有微小的差别。如商用Elektron 21 与NZ30K 镁合金均已在航空航天领域取得应用，而Elektron 21 是在NZ30K 上添加少量Gd 元素形成的合金。这说明在我国现有高强镁合金上，可以通过微合金化调整成分，以适用不同场合，从而使合金商业化，使产品标准化。在高性能镁合金产品的生产应用方面，国内当前都停留在一些简单小体积，用于低温环境的非受力/次承力结构件，而国外在大型、复杂、承力结构件已有部分应用。此外，我国的腐蚀防护技术和国外还有一定的差距，铸件成品率也较低。究其原因，主要是我国对先进镁合金材料的研究时间较短，工业基础也较薄弱。

参考文献：

[1] 根据网络资料进行整理。

[2] 航空航天装备的轻量化：挑战与未来

[3] 镁合金在航空航天领域研究应用现状与展望

[4] 航空航天用镁合金的研究进展

[5] Applications of magnesium alloys for aerospace: a review...

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镁合金见闻录

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