稀土在航空航天中的应用

1前言

早在20世纪50年代，中国仿制的飞机和导弹的蒙皮、框架和发动机外壳就已经采用了稀土镁合金。20世纪70年代后，随着中国稀土工业的快速发展，航空稀土的开发和应用进入了自主发展的新阶段。新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金、非金属材料、功能材料和稀土电机产品也逐步在战斗机、强击机、直升机、无人机、民用飞机和导弹卫星上推广应用。

稀土材料及其在航空工业中的应用

2.1稀土镁合金

稀土镁合金具有较高的比强度，在减轻飞机重量和提高战术性能方面具有广阔的应用前景。中国航空工业集团公司(以下简称AVIC)研制的稀土镁合金包括铸造镁合金和变形镁合金，品牌超过10，其中许多产品已用于生产，质量稳定。如以钕为主要添加元素的ZM6铸造镁合金，已广泛应用于直升机后减速箱、战斗机翼肋、30KW发电机转子铅板等重要零件。BM25是由AVIC和有色金属公司联合开发的稀土高强度镁合金，已取代部分中强度铝合金，并已应用于攻击机。八五期间，为扩大稀土镁合金的推广应用，还开展了稀土镁合金在医学工程中的应用。目前，这种材料正在进行医学生物实验，有望用稀土镁合金作为人工骨的粘结材料，替代现有的金属固定物，减少患者二次取出固定物的手术，开辟新的广阔的应用天地。

稀土铸造镁合金主要用于200 ~ 300℃以下的长期使用，具有良好的高温强度和长期抗蠕变性能。各种稀土元素在镁中的溶解度不同，增加的顺序是镧、混合稀土、铈、镨、钕。其在室温和高温下对机械性能的良好影响也增加。AVIC研制的以钕为主要添加元素的ZM6合金，热处理后不仅具有较高的室温力学性能，而且具有良好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能，可在室温或250℃下长期使用。随着一种新型含钇耐腐蚀铸造镁合金的出现，铸造镁合金近年来再次被国外航空工业所忽视。

在镁合金中加入适量的稀土金属后，可以增加合金的流动性，减少气孔率，提高气密性，显著改善热裂和气孔率，使合金在200 ~ 300℃的高温下仍具有较高的强度和抗蠕变性能。2.2稀土钛合金

20世纪70年代初，北京航空材料研究所(以下简称航材所)用稀土金属铈(Ce)代替Ti-A1-Mo钛合金中的部分铝和硅，限制了脆性相的析出，提高了合金的热稳定性，也提高了热强度。在此基础上，开发了性能良好的含铈铸造高温钛合金ZT3。与国际同类合金相比，在耐热性和工艺性能上具有一定优势。用它制造的压气机机匣用于WPI3发动机。每架飞机重量减少39公斤，推重比增加1.5%，加工工序减少30%左右。取得了明显的技术经济效益，填补了我国500℃航空发动机用钛机匣的空白。结果表明，含铈的ZT3合金显微组织中存在细小的氧化铈颗粒。铈与合金中的一些氧结合形成难熔和高硬度的稀土氧化物颗粒Ce203。这些颗粒阻碍了合金变形过程中的位错运动，提高了合金的高温性能。铈捕获一些气体杂质(特别是在晶界上)，因此可以在保持良好热稳定性的同时强化合金。这是将难溶性溶质点强化理论应用于铸造钛合金的首次尝试。

此外，在钛合金的熔模铸造过程中，航材院经过多年的研究，利用特殊的矿化处理技术，开发出了稳定、廉价的氧化钇砂和粉，在比重、硬度、对钛液的稳定性等方面都达到了较好的水平，但在壳型浆料的性能调控方面显示出更大的优越性。用氧化钇型壳制作钛铸件的突出优点是，在铸件质量和工艺水平与钨表层工艺相当的情况下，可以制作比钨表层工艺更薄的钛合金铸件。目前，该工艺已广泛用于制造各种飞机、发动机和民用铸件。

2.3稀土铝合金

AVIC研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206与国外含镍合金相比，具有优越的高温和室温力学性能，达到国外同类合金的先进水平。现已用于直升机和战斗机的压力阀，工作温度可达300℃，取代了钢和钛合金。结构重量减轻，已投入量产。稀土铝硅超晶ZL117合金在200 ~ 300℃的抗拉强度高于德国活塞合金KS280和KS282，耐磨性是普通活塞合金ZL108的4 ~ 5倍，线膨胀系数小，尺寸稳定性好。它已被用于航空附件KY-5，KY-7空气压缩机和。稀土元素的加入可以明显改善铝合金的显微组织和力学性能。稀土元素在铝合金中的作用机理是:形成弥散分布，细小的铝化合物起显著的第二相强化作用；稀土元素的加入起到脱气和净化的作用，从而减少合金中的气孔数量，提高合金的性能；稀土铝化合物作为异质核细化晶粒和* * *晶相，也是一种变质剂；稀土元素促进富铁相的形成和细化，减少富铁相的有害影响。随着稀土添加量的增加，Fe在α-A1中的固溶体减少。也有利于提高强度和塑性。

2.4不完全稀土材料

稀土有机灌封料XZ-1已用于高性能机油控制系统中的燃油电磁开关、液压电磁开关等八种电磁铁产品。由于其成本低、施工简单，可大量替代环氧灌封料，具有良好的经济效益。抗老化橡胶涂层KF-1研制成功，解决了长期以来飞机油箱使用寿命短的难题。KF-1的应用，使飞机油箱的使用寿命从3 ~ 5年延长到15 ~ 20年，提高了使用性能，取得了显著的技术经济效益。含Y2O3的MCrAIY涂层是用于涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件的第三代成分可设计涂层，已在国外高性能、长寿命发动机上得到应用。航空材料研究所采用磁控溅射沉积工艺和多弧离子镀技术成功研制了该类涂层系列，其抗热腐蚀性能和综合性能达到国外同类涂层的先进水平。该涂层系列已被高温合金、定向凝固合金、单晶合金和Ni-A1基合金的涡轮叶片和导向叶片选用，并作为高温抗氧化涂层在先进发动机和地面燃气轮机上使用。Y2O3在该系列涂层中起到了涂层与基体合金之间的“钉扎”作用，显著提高了涂层与基体的结合力。

稀土添加剂在化学热处理中也起着重要作用。由于稀土元素具有特定的电子结构和较高的化学活性，在化学热处理中具有显著的活化作用，对改善渗层的组织和性能，提高渗速有明显的作用。对AVIC总厂310厂的常规渗碳、氮碳共渗工艺和添加稀土添加剂的工艺进行了比较。初步实验研究表明，渗透率可提高30%。稀土高速钢的氮碳共渗硬度Hv可由933提高到946，提高幅度为1350 ~ 1478。用稀土元素进行化学热处理的方法简单易行，对设备无特殊要求。对提高产品重量和节约能源具有重要意义，具有很好的推广应用价值。

2.5稀土永磁材料

稀土永磁材料发展非常迅速，已广泛应用于多个领域，成为当代新技术的重要物质基础。从20世纪80年代开始，钐钴合金被用作稀土永磁电机。产品类型包括伺服电机、驱动电机、汽车起动机、地面军用电机、航空电机等。部分产品出口。Sm-Co永磁合金的主要特点是:(1)退磁曲线基本上是一条直线，其斜率接近于反磁导率，即恢复直线与退磁曲线近似重合；(2)矫顽力大，抗退磁能力强；(3)它具有非常高的最大磁能积；(4)可逆温度系数很小，磁温度稳定性好。由于上述特性，稀土钐钴永磁合金特别适用于开路、压力场合、退磁场场合或动态场合，并适用于制造小型部件。

AVIC 125厂生产的160LY？. 2永磁DC力矩电机采用钕铁硼(NTP200/64)磁钢。用钕铁硼永磁体代替钐钴永磁体，降低了成本，提高了性能。该厂生产的QZDM01-H稀土永磁浅车起动机采用钕铁硼磁钢，是一种稀土减速起动机。稀土磁钢的使用使起动机体积小，效率高，输出转矩大，起动速度快。国产SmCo永磁材料的温度系数有待提高，钕铁硼永磁材料的高温稳定性和耐腐蚀性有待进一步提高，粘结钕铁硼永磁材料仍处于研发阶段。

永磁材料的发展经历了铁氧体阶段(磁能积4.6MGOe)、艾尼科合金阶段(磁能积11.5MGOe)、SmCo阶段(磁能积31.0MGOe)、钕铁硼阶段(磁能积43MGOe)。Ti-Fe-B-RE永磁材料的研制成功，使耳机、扬声器、步进电机、无芯电机超小型化。美国通用汽车公司的1000cc汽车发动机采用了永磁钕铁硼，使发动机的重量和体积分别减轻了40 ~ 50%和45%。如果能提高材料的使用温度，将为材料开辟更广阔的应用前景。

3稀土元素在航空材料发展中的作用

稀土元素在航空材料发展中的作用是由其性质决定的。稀土元素的原子半径大于Al、Mg等常见金属，所以稀土元素在这些金属中的固溶度极低，几乎不能形成固溶体。由于稀土元素的化学活性很高，稀土元素在化学反应中极其活跃，容易与气体(如氧气)、非金属(如硫)、金属反应生成相应的稳定化合物；这些新形成的化合物大多具有高熔点、低密度和稳定的化学性质。稀土元素在金属中的作用可以概括如下:

(1)减少非金属杂质的有害影响。氢是钢和铝合金中的有害杂质。溶解在液态金属中的氢凝固时，以原子状态析出并聚集成分子，导致晶间裂纹、气孔、针孔等氢致缺陷，给铸造、塑性加工和性能带来严重危害。实验表明，在铝及其合金中加入适量的稀土(0.1 ~ 0.3%)会明显降低氢含量，减轻氢的危害，提高合金的性能。其化学反应式如下:

4/3[RE]+2[O]→2/3RE203(实心)

[RE]十[H]→REH(实心)

RE(瓶)10 MnS(固体)→RES(固体)+Mn(瓶)

反应生成的稀土化合物熔点高，比重轻，浮于渣中。并且它们的微小颗粒在铝的结晶过程中成为异质核。

(2)细化晶粒和枝晶组织，提高热塑性。稀土可以细化合金的铸态组织，使枝晶网络更加清晰，从而提高合金的热塑性。稀土化合物的微小固体颗粒在结晶界面提供异质晶核或偏析，阻碍晶胞的生长，为钢水的结晶和细化提供了更好的热条件。

(3)改变夹杂物的形状和分布。稀土与杂质形成化合物，在晶界析出，改变了原来的固溶体存在方式，减少了夹杂物的数量。

(4)有强化作用。向合金中添加稀土元素减少了氢、氧和夹杂物的量，并细化了晶粒和枝晶网络。稀土与非金属元素相互作用生成的高熔点化合物弥散在基体中，稀土与金属元素生成高熔点金属间化合物，既消除了粗大的块状组织，又稳定了晶界，都起到了提高材料强度的作用。(5)稀土的引入提高了含稀土合金材料的耐腐蚀性和高温抗氧化性。稀土元素的添加在铸造、锻造、焊接、热处理和表面涂层技术中也有研究，其中许多取得了积极的效果，但稀土元素在这些热过程和零件中的作用机理还需要进一步的开发和研究。

4稀土在航空材料中的应用前景

由于稀土金属的原子半径大，很容易在最外层失去两个S电子，在第二层失去5d或4f的一个电子，变成三价离子。因此，稀土金属在化学反应中极其活跃，容易与其他物质发生反应。由于稀土元素具有电子不完全填充4f层的特性，导致了各种磁、电、光特性等特殊性质。稀土元素的这些吸引人的性质和广泛的潜在用途引起了航空材料科学家的极大关注和广泛研究。最近的研究重点是:

4.1稀土陶瓷材料

稀土材料在高推重比航空发动机上的应用取得新进展。近年来，中国航空集团公司开展了稀土在结构陶瓷中的应用研究。氮化硅陶瓷具有高温强度高、抗热震性好、高温蠕变小等优异性能，是最有希望用于高推重比发动机的新型结构陶瓷材料。氮化硅陶瓷仍然遵循液相烧结的机理，需要添加一些氧化物添加剂与颗粒表面的Si3N4和SiO2层反应生成液相来促进烧结。引入A1203、MgO等氧化物作为烧结助剂后，氮化硅陶瓷的断裂韧性和强度不高，而引入稀土氧化物Y2O3，即y2 O3-a 1203，或Y2O3-MgO作为烧结助剂，氮化硅陶瓷的室温断裂韧性和强度明显提高，但高温性能不好。近年来发现，以稀土氧化物Y203和La203为添加剂，材料的力学性能，特别是高温断裂韧性有很大的提高。结果表明，Y2O3和La203的引入对氮化硅陶瓷中β-Si3N4晶粒的生长行为有重要影响，从而影响氮化硅陶瓷的结构和性能。选择适当比例和含量的Y203和La2O3作为添加剂，可以获得大轴比的β-Si3N4晶粒，使氮化硅陶瓷具有自增韧作用。陶瓷是脆性材料，一般不能用于结构件。以克服其脆性。通常引入纤维、晶须等增强组分，但这使得不同形态的组分难以均匀分散，给制造工艺带来困难。目前，这个问题是限制陶瓷材料在高科技领域应用的关键。在陶瓷粉体中引入稀土氧化物，可以在陶瓷烧结过程中产生原位增韧即自增韧的效果，这正好克服了纤维和晶须的引入带来的制造困难。因此，将稀土氧化物引入陶瓷材料，将为陶瓷材料在高科技领域拓宽更广阔的应用前景。为了满足业务需求，ASIC必须抗辐射，提高其可靠性。同时，集成电路和计算机技术向更高的电路密度和更快的运算速度发展，推动了陶瓷基板及其封装向更高性能和更精细的技术发展。作为衬底材料，必须满足低介电常数、高热导率、高机械强度和与半导体芯片匹配的热膨胀系数的要求。与传统的氧化铝(A1203)基板相比，氮化铝(AIN)多层基板具有更高的热导率，适用于高功耗、高引线数和大尺寸芯片，成为近年来航空和军工发展的重点。使用稀土氧化钇(Y203)和氧化钙作为混合添加剂可以降低氮化铝的烧结温度，促进烧结。这种掺杂氮化铝(AIN)陶瓷的热导率为260W/(m.K)，适用于高密度布线，其热阻仅为相同结构、相同引线数的氧化铝封装的1/4。这种衬底已经用于封装具有65，438+0，800个输入/输出头的计算机系统的多层布线阵列。

4.2稀土永磁材料

稀土永磁材料是制备高性能微波功率管-行波管的关键材料。现代军事通信、雷达、导弹制导、电子战等都需要各种行波管，行波管的特点是工作频率宽(2 ~ 18 GHz)，效率高(最高可达50%)。美国在海湾战争中使用的电子干扰设备、预警机、火控雷达和精确制导系统中大量使用了高性能宽带大功率行波管。制造这些大功率行波管的关键是高磁能积、低温度系数的稀土永磁材料。这种材料对于实现军用电机的高效率、小型化和轻量化，促进军用计算机性能的提高也非常重要。根据我国稀土永磁材料发展的实际情况，未来航空航天领域稀土永磁材料研发的主要方向是:(1)高稳定性的SmCo永磁材料；(2)工作温度高的钕铁硼永磁材料；(3)快淬钕铁硼磁粉和粘结钕铁硼永磁材料；(4)新型SmFeN永磁材料；(5)低成本高性能的第四代稀土永磁材料。4.3稀土铝合金航空用A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐热铝合金LD7、LD8工作温度不超过270℃，Al-Cu-Mn系LYI6或2021工作温度不超过300℃。除了烧结铝粉，还没有能在350 ~ 400℃工作的铝合金。Sc能使铝合金的再结晶温度提高到450 ~ 550℃，* * *晶格析出相A13Sc，特别是与Zr复合的A13(ScZr)具有极高的热稳定性。长时间在350℃或450℃加热时，颗粒尺寸增长速度极慢，可以长时间保持* * *晶格，这就是显影工作温度。目前综合性能最好的航空用高强度高韧性铝合金是A1-Zn-Mg-Cu-Zr系列7075、7150和7010。Zr替代Mn和Cr，显著提高了合金的淬透性，适用于生产厚板(≥75mm)。但这种合金的铸造性很差，厚度方向的强度和韧性都不够高。如果加入0.1 ~ 0.2%的Sr和Zr，形成* * *晶格析出相A13(ScZr)，不仅强度提高，再结晶温度也提高。颗粒A13Sc抑制了合金的再结晶，获得了未再结晶组织，起到了强化亚结构的作用，可以提高板材在厚度方向的强度和韧性。完全时效后，疲劳强度和断裂韧性(K1c。)和抗应力腐蚀性能(SCR)得到显著提高，完全有可能开发出新一代超高强高韧铝合金用于火箭和飞机。

4.4稀土高温组合

稀土元素在改善高温合金性能方面起着重要作用。高温合金用于航空发动机的热端部件，但高温下抗氧化、耐腐蚀、强度降低，限制了航空发动机性能的进一步提高。最近的研究表明，在镍基合金中添加少量稀土可提高抗硫化物能力、高温强度和热塑性。在钴基合金中加入0.1 ~ 0.2% Y，在镍基合金中加入Cu或Ce，可使材料的耐蚀性提高10倍。在镍铬合金中，稀土能明显提高合金的抗氧化性能，如在Ni-30Cr合金中添加0.3% Y；添加0.05%的La和Ce，合金在1200℃和1300℃下的使用寿命分别为2970小时和613小时，而不添加稀土的相同镍铬合金在上述温度下的使用寿命仅为1518小时和270小时。稀土元素与高科技新材料的研发密切相关。研究稀土元素在航空材料中的作用和机理，以及稀土元素对性能变化的影响，从而更广泛地探索新型航空材料，开发高科技产品，是稀土材料研究者的历史使命。近年来，人们把重点放在研究稀土对改善材料性能的作用上，但对稀土的作用机理研究得不够。为了将稀土在材料中的应用建立在坚实的科学基础上，开发出更多更好的稀土金属和非金属新材料，有必要系统深入地研究稀土对材料的改性机理。结合丰富的稀土元素(镧、铈、钕、镱、镝、钪等。)在国内对这些稀土和材料科学进行系统深入的研究，旨在为有效合理利用每一种稀土的特性开辟新的应用渠道，获得更多的稀土材料专利，把中国的稀土材料建设在自己的知识产权上。

“七五”和“八五”期间，航空稀土元素的开发和应用，通过稀土元素在新材料中的作用，提高材料的应用功能，延长其使用寿命，提高经济效益，做了大量的工作。但是，在稀土材料的开发和应用中，要充分发挥航空稀土材料的功能，还有很大的潜力，还需要我们继续不懈地努力开发和进一步研究应用。作为中国在世界上的主导产业，稀土在国际市场上的份额逐年增加，地位越来越重要。我们应该抓住机遇，加快稀土在航空工业中的开发和应用。综上所述，稀土元素可以强化金属材料，降低杂质的有害作用，改变夹杂物的形状和分布，提高耐腐蚀性和抗氧化性。开发了许多航空用稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金和功能材料，并在应用中取得了良好的技术经济效益。但与稀土在航空材料发展中的特殊作用和潜在用途相比，这些成绩只能说是稀土发展的一个良好开端，这也与我们的稀土大国地位极不相称。为充分满足国民经济和高新技术发展的需要，今后应加强航空稀土材料应用基础理论研究和科研成果的工程应用，加大投入，以深化稀土材料开发，加快我国稀土材料发展，建立具有中国特色的材料科学及其工程应用体系，充分发挥我国稀土资源优势。