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镁合金产业发展报告 (二)

浏览:58 发表时间:2020-08-13 14:24:39

镁发展回顾

1808年科学家在实验室制得纯镁,1886年镁合金在德国开始工业化生产,1930年德国首次在汽车上使用镁合金73.8Kg;1935年苏联首次将镁合金用于飞机生产;1936年德国大众使用压铸镁合金生产"甲克虫"汽车发动机传动系统零件,1946年达到单车镁合金用18Kg;1938年英国伯明翰首次将镁合金运用到摩托车变速箱壳。20世纪40年代皮江炼镁法发明,由于工艺简单,生产成本大幅降低,使全世界的原镁产量大幅增加。而这些镁合金也在战争中使用的最多。

在第二次世界大战中,飞机上频繁使用镁合金。这也是镁合金使用的高峰期,那时数千吨的镁合金板材(为了简洁起见,除非给出具体的名称,镁合金将被称为“镁”)、挤压件和铸件被生产。但是直到现在差不多近80年以后,镁的使用尚未实现、或者说满足其工业,民用或军事应用的潜力。汽车行业在过去的十年中使用了镁的数量增加了四倍,但新的潜力的开发和军事应用却很少。

由于镁的低密度和实用性,在第一次世界大战(1914-1918)和第二次世界大战(1939 - 1945)期间,人们大量的使用镁。第一次世界大战的主要应用包括示踪剂、燃烧弹和弹药(目前为止也依然在这些领域使用镁)。在第二次世界大战期间,能够高速、大范围、大容量的向远处的战区提供部队和物资变得至关重要。由于早期的往复式和喷气式发动机的动力限制,因此人们使用镁来减轻重量以增加有效载荷和范围。事实上,从1941年到1944年,13个国家建立工厂来满足供应军事需求。在这期间,也出现了很多有趣的应用:例如开发了由AZ31和ZK60制备的支撑梁和由AZ31板材做顶层甲板组成的8.5英尺×25英尺的空中交付平台,该平台能够处理高达17000磅的货物,在各种地形下落时几乎没有损坏。到目前为止,镁的最大的用途是用于军用飞机机身和机翼蒙皮,结构框架构件,车身板,装饰板/地板,支架,发动机压缩机外壳,变速箱外壳和起落架的板材,板材,锻件,挤压件,管材和铸件车轮。

当时,在很多飞机上广泛使用镁元素,那时最主要的代表实例就是B-36轰炸机的设计,被称为“世界镁的奇迹”。B-36轰炸机使用了5,555公斤(12,200磅)的镁板,覆盖了25%的外部机身;700公斤(1,500磅)的镁锻件和300公斤(660磅)的镁铸件。 在B-36之后,B-47使用了5,500千克(12,000磅)镁。

二战后,军队对镁的需求急剧减少。美国的镁产量从1943年的18.4万吨下降到1946年的5300吨。更好的飞机设计和更强大的发动机减少了对镁元件的应用,甚至在一些情况下完全摒弃对镁的应用。 但是1950-1953年的朝鲜战争,镁又再次被重用。到1951年底,美国政府组建的镁工厂上线。应用的范围从深冲AZ31制备的MB-2救生工具包(在1947年至1960年期间生产15000个)到Sikorsky H-19 Chickasaw大型旋转翼飞机,并且H-19是所有飞机中使用镁铸件和薄板所占比例最高的(按重量计)。

二十世纪五十年代,镁被用于导弹和军械部件。美国开发了一种使用镁做弹壳的105mm穿甲弹,现在仍在使用。猎鹰GAR-1是一种空空导弹,于1956年首次投入使用,含有90%的镁结构;稳定器框架是AZ91B压铸件,方向舵ZK60AT5锻件,弹身是厚度为0.040的AZ31B-H24钢板和ZK60A-T5钢管。

那时,陆地车辆也大量的使用镁。20世纪50年代中期和60年代,越战期间(1959-1975)主要使用M-274“骡子”运输车,作为前线弹药和补给运输车。M-274重量只有870磅,可以在90-150英里的范围内运输1000磅。它的轻量化是由铸造镁轴壳体和车轮以及挤压镁合金平板实现的。

另一个越南战争时代使用镁成分的陆地(和海洋)运输工具是M116“赫斯基”两栖运兵车(1957-1973):17叶散热器冷却风扇和排气百叶窗,以及底盘和车顶结构都由镁制成。60磅的底盘覆盖24.8平方英尺,由11.1英寸宽,1英寸厚的AZ31B挤压件组成。M113布拉德利装甲运兵车(1960-1984)具有类似的底盘,甚至用镁锂合金(14%的锂和2%的铝)。改进版型号为M113的XM474E2型导弹运输车有两个11英尺长,10英寸宽的挤压镁通道,每个重量只有85磅,可以支撑总重量为16000磅。

应用中的问题

单纯的低机械性能和弹道性能不足以降低镁的使用量。但是可见的腐蚀性和可燃性却能极大的限制了镁的使用。并且这个问题在二十世纪五十年代和六十年代就显露出来了。可燃性的问题是来自于燃烧武器中的镁的大量使用,但是更多的是来自高中课堂上的镁条的照明实验。腐蚀问题的认知则不是那么简单。众所周知,镁具有较差的一般腐蚀和电偶腐蚀阻力,这很大程度不利于设备维护和产品长寿命。即使在保护性熔覆气体和阻隔涂层的高纯度铸造的技术发展下(例如Dow17®阳极氧化),镁产品的正常使用也会导致磨损和磨损引发腐蚀的机械损伤。不良的设计涉及不同金属的连接和裂缝导致水分的聚集更加剧了这个问题。一个典型的例子是镁轮的点蚀;这也迫使美国空军用铝合金替换所有镁飞机轮子。1987年,美国陆军材料技术实验室腐蚀与防控中心(美国陆军研究实验室最近的一个先行者)主办了一个关于军用镁硬件使用寿命的研讨会。这次会议的主题就是腐蚀问题。在会议上,关于镁的应用前景得到认可,确定镁是发动机零件合适的材料,但是确保部件的腐蚀问题是推进其应用发展的最大障碍。因此要推进镁在军事领域的应用,就必须解决腐蚀问题,而生产过程控制、产品的良品率、受保护部件和后期维护则是克服腐蚀问题的关键因素。

由于镁元素极为活泼,镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧,因此,镁合金的生产难度较大;镁合金的生产技术还不成熟和完善,特别是镁合金成形技术有待进一步发展;现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低,限制了镁合金在高温(150~350℃)场合的应用;镁合金的常温力学性能,特别是强度和塑韧性有待进一步提高;镁合金的合金系列相对很少,变形镁合金的研究开发严重滞后,不能适应不同应用场合的要求。

问题的解决

五十年的应用实践让科学家们认识到镁应用的局限性比较明显:接触反应,差的耐腐蚀性和低拉伸强度。此外,低温成形性差,断裂韧性低,高温蠕变响应差和成本问题也是其应用的限制。

腐蚀是一个长久的问题。对于腐蚀问题,科学家们已经意识到其主要有电偶腐蚀和一般腐蚀两种情况。对于电偶腐蚀,高纯度镁合金可以通过限制Fe,Co,Ni和Cu的含量显着改善了其耐腐蚀性。对于一般腐蚀,可以通过限制镁与腐蚀性环境接触,现代解决方案主要包括电化学电镀,转化涂层,阳极氧化,气相沉积工艺,激光表面合金化/包覆和有机涂层。涂层解决方案如Tagnite®阳极氧化自1996年以来,就被用在西科斯基CH53海军直升机,普惠F-22,海洋远征部队车辆(EFV)和波音阿帕奇直升机等的镁元件上。此外,美国陆军研究实验室开发了冷喷涂技术,成为一种成本效益和技术上都可行的解决方案,用于镁组件的现场修复和表面保护。除了合金设计和涂层,工程师现在还通过优化接头设计,采用绝缘金属,控制制造过程和定制维护计划来减轻腐蚀。

随着含有稀土的镁合金系列(AE,AX,AJ,WE和Elektron系列)的研究,镁合金的强度基本得到了解决。WE合金(Mg-Y-稀土)具有较高屈服强度和拉伸强度,优异的耐腐蚀性以及在高温(高达250℃)下保持其强度性能。Elektron合金,如Elektron 21和Elektron 675具有与其结构相当铝合金一样的高强度。此外,强度问题也可通过铸造和锻造领域的创新加工技术解决。触变成型,双辊铸造,快速凝固和等通道角挤压已被广泛研究,通过细化晶粒尺寸,从而增强镁合金。

镁产业链中涉及的另一重要研究领域是镁合金二次资源的综合利用和镁制品全生命周期评价。世界主要发达国家已把镁合金二次资源再生利用作为本国镁产业的重要发展方向。液态法重熔镁合金是镁合金二次资源再生利用的主要方法,但熔铸过程的阻燃保护剂涉及到具有严重温室效应的以SF6为组分的保护气体。面对这一现状,国外虽然开展了SF6 替代气体的研究开发,但由于迄今难以获得与SF6 媲美的保护气体,人们又把目光转向研究开发能将含SF6保护气体有效回收循环利用的技术,以便最大限度地减少SF6的排放。此外,镁制品全生命周期的生态效益评价伴随着镁合金应用领域的不断扩大已成为世界范围内镁研究的一个迫切要求。对我国而言,由于原镁生产技术的落后,其环境负荷大小不仅成为国内日益重视的环境问题,而且也受到国外高度关注。

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