【航化说】让飞行器“瘦身”的魔法材料——镁合金
来源:航化网发表时间:2025-07-30 13:56:05浏览量:693
航天航空结构轻量化是永恒的主题。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。” 而镁合金作为最轻的金属结构材料,被广泛应用于制造飞机、导弹、飞船、卫星上的重要构件。
接下来就让我们一起认识下,材料界的“轻量化明星”——镁合金。
镁合金的百年进化史
镁的英文名称为Magnesium,它的命名取自希腊文,原意是“美格尼西亚”,因为在希腊的美格尼西亚城附近当时盛产一种名叫“苦土”的镁矿(氧化镁),古罗马人把这种矿物称为“美格尼西亚·阿尔巴(magnesia alba)”,“alba”的意思是“白色的”,即“白色的美格尼西亚”。我国则根据这个词的第一音节译成镁,镁的元素符号为Mg。
回溯镁合金的历史长河。1808 年,英国化学家Sir Humphrey Davy就像一位神奇的炼金术士,采用熔融电解法首次制得了金属镁。1828 年,法国科学家A.A.Bussy又以还原法从熔融的无水氯化镁中成功提取出纯镁。直至1886年,德国以Bunsen的电解槽为基石,建立起首个商业性电解镁厂,镁合金这才正式登上工业生产的舞台。
而在我国,新中国成立初期在苏联的援助下,才开始发展镁合金产业。随着多个“五年计划”的稳步推进,云海金属、南京瑞宝等众多重点生产单位与科研院所如雨后春笋般涌现,为我国镁合金产业的发展注入了源源不断的动力。
镁合金的分类
工业用的镁可达到99.99%以上的纯度,但纯镁本身不能用作结构材料。为了增强纯镁的性能,可以添加铝、锌、锂、锰、锆和稀土等合金元素,制成镁合金,具有较高的强度,并广泛应用于结构材料领域。根据不同的合金元素,镁合金可以分为Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-Zr和Mg-RE五个系列。
图1
表1
镁合金按照应用工况与服役载荷可分为8种,其中压铸镁合金与稀土镁合金近年来的需求量持续增加,见图1。与其他金属材料、工程塑料相比,镁合金密度低、减震性高、电磁屏蔽效果好、降噪性能优,且具有良好的加工成形与回收性能,在制造加工难度与材料应用发展两个维度都属于当今材料学领域的研究热点,见图1。表2所示为国内常用镁合金材料的微观组织与材料特性。
镁合金重要性及应用
镁合金能带来巨大的减重效益和飞行器战技性能的显著提升,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。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%。
由于飞行器的质量直接影响到它的机动性能,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量化,也就是尽可能的低密度。商用飞机与汽车减重相同质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民用飞机的近10倍。更重要的是其机动性能改善可以极大提高战斗力和生存能力。所以镁合金的低密度,为它在航空航天中的应用提供了较好的条件。
在航天航空领域中,材料的比刚度和热导率是非常关键的参数。镁合金具有较高比刚度和热导率。可使飞行器某些部位的振动(比如:飞机的机翼)以及在低重力、高真空的环境中避免太阳照射使得电子设备过热而烧毁。同时,镁合金还具有良好的减振能力,可以保证航空航天飞行器承受较大的振动载荷。此外,较高的防辐射、良好的稳定性、电磁屏蔽性,也可抵御短波辐射和高能粒子的“轰击”。
国际应用情况
据了解,美国B-52H轰炸机使用镁合金板材、挤压型材和铸件于机轮、机身等非承力或次承力结构。波音767的反向推力器格栅、座舱骨架及座椅等采用镁合金铸件,实现减重并提升性能。同时,美国还将镁合金复合材料用于卫星上支架、轴套、横梁等结构件,其综合性能优于铝基复合材料。日本则利用镁合金低密度的特征,开发出质量仅1kg的超小型人造卫星,实现卫星轻量化。
根据中研普华产业研究院发布的《2024—2029年镁合金产业现状及未来发展趋势分析报告》显示,预计2030年全球镁和镁合金市场规模将达到24.8亿美元,未来几年年复合增长率CAGR为4.1%。这一增长主要得益于镁合金在轻量化、节能减排等方面的优势,以及在航空航天、汽车、电子、医疗等领域的广泛应用。
国内应用情况
中国是全球最大的镁资源储备国和生产国,据中国有色金属工业协会镁业分会不完全统计:2025年6月份中国原镁产量为7.82万吨,环比增长1.82%,同比下降2.19%。1-6月中国共产原镁约为47.68万吨,同比下降约2.19%。尽管产量有所下降,但中国在全球镁市场中的份额依然稳固,对全球镁供应具有重要影响。
近年来,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。应用于部分涡喷系列发动机的前机匣、后机匣、主机匣和直升机主减速器主机匣、飞机液压恒速装置壳体以及飞机机身长桁和操作系统的栓臂、支座等受力构件。
此外,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。
镁合金作为最轻的金属结构材料,凭借其低密度、高比刚度、优异的热导率及多环境适应性,已成为航空航天领域实现轻量化的核心选择。从钱学森先生强调的“每一克减重都是贡献”,到如今全球市场规模有望突破24亿美元的产业趋势,镁合金的应用价值贯穿卫星、导弹、飞机等关键装备的全生命周期。
未来,随着全球航天航空事业的持续飞跃,镁合金材料将在轻量化、耐辐射等方向进一步拓展边界,而工艺创新与标准化的推进,必将推动这一“轻量化明星”在航天航空领域绽放光彩。
版权声明:本文为航化网原创,版权归航化网平台所有。任何机构或个人在未经明确授权的情况下,禁止擅自转载。如需转载,请联系客服电话:010 - 8273 1800。转载时注明出处为“航空航天化工网”,违反者本网站将追究法律责任。
下一篇:全球首套链式AI模型"风宇"问世