摘 要: 介绍国内外镁合金在航空领域的应用及研究进展，总结镁合金在航空领域的应用特点，讨论目前国内外镁合金应用方面的差距，对我国航空用镁合金及其应用技术的发展提出建议。
       关键词: 镁合金; 航空; 综述; 高温性能; 耐腐蚀性能
       镁合金作为目前最轻的工程金属材料，被誉为“21 世纪绿色工程材料”。近年来随着镁合金及其应用技术的不断发展，镁合金在航空领域也得到一定程度的应用。镁合金的优点主要表现在: 轻质高强，比强度和比刚度高于铝合金; 吸收冲击和振动波的能力高，即具有很高的阻尼容量和减振性能，适于制造承受冲击载荷和振动的零部件; 铸造性能优良，适于制造形状复杂的铸件。镁合金也存在一些缺点: 耐蚀性差，在 NaCl 溶液中，镁具有所有结构金属中最低的腐蚀电位，合金中的夹杂导致镁合金零件的耐蚀性进一步降低，极易发生接触腐蚀; 塑性变形能力差，所以镁合金零件多为铸件; 高温蠕变性能差; 燃点低。镁合金的这些特点决定其在航空领域的应用: 轻质高强、抗冲击能力强是其应用于航空领域的根本原因，耐蚀性差和高温性能差限制其在航空产品中广泛应用。
       介绍镁合金在航空领域的应用和研究现状，分析讨论国内外的应用差距及应用前景，指出我国航空用镁合金的发展方向。
1 镁合金在航空领域中的应用情况
       图 1 是美国镁合金产量的统计，3 个镁合金产量高峰期分别对应着第二次世界大战、抗美援朝和越南战争。战争期间镁合金被大量用于制造飞机等军用装备。其根源还是充分利用镁合金的轻质高强特性，而战争时期武器装备大量战损，使用寿命较短，所以镁合金耐蚀性差的缺点就被掩盖了。虽然说近年来镁合金的产量不断上升，甚至超过了战争年代，但其主要还是应用于汽车制造。现在镁合金产量的 10%用于航空、航天、电子、兵器等工业部门，其中在航空领域应用比例最低。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%。
1. 1 国外航空领域中的应用
       第二代战斗机主要用于二战时期，当时对耐蚀性的认识和要求不高，为了提高飞机的机动性能，在机身上使用了较多的镁合金。然而，发展到第三代战斗机后，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。


       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。
       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。
       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。镁合金在直升机减速机匣上的应用如表 1 所示。



       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”无人机配装的罗-罗公司 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。
1. 2 国内航空领域中的应用
       国内飞机使用镁合金的趋势和部位与国外相同。早期飞机大量使用 MB8、MB15、MB25 等变形镁合金，用于制造非承力框、机身等结构，使用ZM3、ZM5、ZM6、ZM7 等铸造镁合金制造座舱骨架、系统支架、操纵系统等结构。镁合金的种类有板材、棒材、型材和铸件，单机使用镁合金质量普遍在50 ～ 100 kg，运输机等大型飞机单机用量超过 200kg。随着对飞机使用寿命、承载能力、维护成本、可靠性、耐蚀性能等指标要求的不断提高，镁合金的用量逐渐减少。现在仅有部分飞机在座舱骨架处使用ZM5，单机用量 10 ～ 30 kg。镁合金更多的被用于直升机变速箱、减速机匣以及飞机发动机的附件机匣和变速箱壳体，主要采用 ZM5 和 ZM6。上海交通大学采用大型铸件低压铸造技术和 JDM2 铸造镁合金结合，成功制备某型直升机尾部减速机匣，如图 2所示。即便如此，考虑到耐蚀性，不排除舰载飞机配装的发动机去掉全部镁合金铸件，用铸造铝合金代替的可能。早期飞机机轮的轮毂和轮缘也大量采用ZM1 和 ZM5 镁合金，现在也被铸造铝合金代替。




1. 3 国内外的应用差距
       国内外飞机对于镁合金应用的部位是一致的，在工程应用的差距主要有 4 个方面: 耐蚀镁合金的应用、高强耐热镁合金的应用、腐蚀防护措施、铸件的成品率较低。
我国广泛应用的 ZM5 性能相 当 于 美 国 的AZ91C、俄罗斯的 Мл5。各种镁合金耐蚀性能如图3 所示，未进行纯净化处理的 AZ91C 耐蚀性很差，但高纯的 AZ91E 耐蚀性大大提高，高于含有稀土元素的 ZE 系列和 WE 系列，甚至高于压铸铝合金A380。美国从 20 世纪 70 年代开始，航空领域使用的 AZ 系列镁合金绝大多数都是高纯的 AZ91E 以及耐蚀性能较好的 WE 系列和 Elektron 21。俄罗斯的苏-27 等飞机，原型机使用的是普通铸造镁合金 Мл5，但定型批产后使用的都是高纯镁合金，而我国现有航空领域使用的镁合金大都不是高纯的。国内对耐蚀镁合金的研究也相对较少。



       国内外广泛使用的耐热镁合金性能对比如图4所示。现在美国在发动机传动系统中广泛使用的耐热镁合金是 WE 系列，使用温度可以达到 300 ℃，而且 WE 系列镁合金的耐蚀性接近于高纯镁合金。最近又开发低稀土含量、低成本的 Elektron 21。国内使用最多的 ZM6 虽然最高使用温度为 250 ℃，但力学性能相当于美国 20 世纪 80 年代广泛应用的 QE系列。
       国内对耐热铸造镁合金也进行了系统的研究，何尚明等人开发 Mg-Gd-Y-Ca-Zr 高强耐热镁合金，刘子利等人通过锑和稀土等元素的固溶强化作用和高熔点 Ｒe-Sb 颗粒相质点的弥散强化作用，开发高强韧性耐热稀土镁合金，其强韧性和高温抗蠕变能力均高于现有的 AE 系镁合金。然而，由于全面性能的原因，这些耐热镁合金没有在航空领域得到广泛应用。当然，我国发动机用耐热镁合金落后于美国，有部分原因在于需求牵引不够。



       腐蚀防护措施。添加稀土元素、合金纯净化固然可以提高耐蚀性，使镁合金耐蚀性接近铝合金的水平，但表面处理是提高耐蚀性最有效的方法，也是所有航空镁合金零件必须采用的。表面处理主要有化学氧化和阳极氧化两类方法。化学氧化典型的方法有 DOW7、DOW9 等，对耐蚀性提高不大，其提高后续漆层与基体结合力的作用更大，我国和俄罗斯飞机


上多采用这种方法。阳极氧化是在镁合金表面形成一层氧化膜，典型方法有 DOW17、HAE 和微弧氧化等。应用表明，微弧氧化是现阶段提高镁合金耐蚀性最有效的表面处理方法，且其槽液含有的化学成分低于 10%，对环境和操作人员几乎没有危害。因而美军已经将微弧氧 化 技 术 应 用 于 飞 机 制 造，以 替 代 早 期 的DOW17、HAE 技术。美军计划 KC-135 和 B-52 飞机服役至 2040 年，其中 KC-135 飞机襟副翼驱动变速箱壳体和 B-52 飞机操纵系统的镁合金铸件都采用微弧氧化技术，如图 5 所示。
       我国部分飞机发动机中的镁合金铸件采用微弧氧化技术，但对于工艺规范以及膜层厚度的优化、耐蚀膜层与基体的结合力、膜层耐应力腐蚀性能、机械连接部位的腐蚀防护等还缺乏系统地、有针对性地研究，因而未得到广泛应用。
       铸件成品率较低。镁合金铸件主要用于制造形状复杂的大型零件，以提高结构完整性。由于镁合金铸件容易形成缩松和热裂纹，导致成品率低。大型座舱骨架铸件的出厂合格率低于 40%，零件合格率仅为 10%。发动机机匣的零件合格率为 30% 左右。近年来，开发多种镁合金铸造新技术，如挤压铸造、反重力铸造等，可以极大地减少铸件疏松和气孔缺陷，提高铸件的致密度，但目前国内航空镁合金铸件大都仍采用压铸方法。部分座舱骨架采用反重力铸造，零件合格率由 10% 提高到 30%，但仍需要进一步改善和提高。
2 航空用镁合金的发展
航空用镁合金的发展和应用是相互促进的。美国航空用镁合金的发展过程如图 6 所示，各牌号的使用情况如表 2 所示。

       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。耐热镁合金不断发展，表 3 是各种镁合金的使用温度，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。



       随着我国航空发动机的跨越发展，推重比增大，必将对耐热镁合金的综合性能提出更高的要求，从而促进耐热镁合金的发展。对于座舱等机身非主承力结构部位使用的镁合金，应该围绕镁合金阳极氧化表面防护技术，在前期理论研究的基础上，针对具体应用部位和零件形状，开展工程应用技术研究，以便使阳极氧化防护技术顺利推广应用。
       低强度根本不是阻碍镁合金在航空领域应用的原因，因此单纯的追求高强度对于航空用镁合金是没有任何意义的
3 结语
       镁合金在国内外航空领域都没有被较大规模的应用，应用多是如座舱系统、发动机附件机匣等特定的非承力部位，且短期内镁合金也没有大规模应用的可能。通过对成分优化、合金纯净化和表面处理技术进行系统地研究，提高镁合金的高温性能和耐蚀性能，从而在特定的非承力或承力较小的结构上，延续使用或取代铝合金是可以实现的，是现阶段最切实可行的目标。