稀土在航空航天方面的應用
1 前言
早在50年代我國仿制的飛機和導彈的蒙皮、框架及發動機機匣已采用稀土鎂合金，70年代後，隨著我國稀土工業的迅速發展，航空稀土開發應用跨入了自行研制的新階段。新型稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金、非金屬材料、功能材料及稀土電機產品也在殲擊機、強擊機、直升機、無人駕駛機、民航機以及導彈衛星等產品上逐步得到推廣和應用。
2 稀土材料及其在航空工業中的應用
2.1 稀土鎂合全
稀土鎂合金比強度較高，對減輕飛機重量，提高戰術性能具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司(簡稱：中航總)研制的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10多個牌號，很多牌號已用於生產，質量穩定。例如：以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金已擴大用於直升機後減速機匣、殲擊機翼肋及30KW發電機的轉子引線壓板等重要零件。中航總與有色金屬總公司聯合研制的稀土高強鎂合金BM25已代替部分中強鋁合金，在強擊機上獲得應用。 “八、五”期間，為了擴大稀土鎂合金的推廣應用，還開展了稀土鎂合金在醫學工程上的應用。目前該材料正在做醫學生物實驗，有望稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現用金屬夾具，減少病人第二次取出夾具的手術，又將開辟了壹個新的廣闊的應用天地。
稀土鑄造鎂合金主要用作200～300℃以下長期使用，它具有好的高溫強度和長期抗蠕變性能。各種稀土元素在鎂中的溶解度不同，增加的順序為鑭、混合稀土、鈰、鐠、釹。它對常溫、高溫力學性能的良好影響也隨之增加。中航總研制的以釹為主要添加元素的ZM6合金在熱處理後不但具有高的室溫力學性能，而且還有良好的高溫瞬時力學性能和抗蠕變性能，可在室溫下使用，也可在250℃下長期使用。隨著含釔抗蝕新型鑄造鎂合金的出現，近年來鑄造鎂合金重新受到國外航空工業的青瞇。
在鎂合金中添加適量的稀土金屬以後，可以增加合金的流動性，降低微孔率，提高氣密性，顯著改善熱裂和疏松現象，使合金在200～300℃高溫下仍具有高的強度和抗蠕變性能。 2.2稀土鈦合金
70年代初，北京航空材料研究院(簡稱：航材院)在Ti-A1-Mo系鈦合金中用稀土金屬鈰(Ce)取代部分鋁、矽，限制了脆性相的析出，使合金在提高耐熱強度的同時，也改善熱穩定性能。以此基礎上，又研制出了性能良好的含鈰的鑄造高溫鈦合金ZT3。它與國際同類合金相比，在耐熱強度及工藝性能方面均具有壹定的優勢。用它制造的壓氣機匣用於WPI3Ⅱ發動機，每架飛機減重達39公斤，提高推重比1.5%，此外減少加工工序約30%，取得了明顯的技術經濟效益，填補了我國航空發動機在500℃條件下使用鑄鈦機匣的空白。研究表明，含鈰的ZT3合金組織中存在著細小的氧化鈰質點。鈰化合了合金中的壹部分氧，形成了難熔的、高硬度的稀土氧化物質點Ce203。這些質點在合金形變過程中阻礙了位錯運動，提高了合金高溫性能，鈰奪取了壹部分氣體雜質(尤其是在晶界上的)，就有可能在使合金強化的同時，保持良好的熱穩定性能。這是在鑄造鈦合金中應用難溶質點強化理論的首次嘗試。
此外航材院在鈦合金溶模精密鑄造工藝中，經多年研究，采用了特殊的礦化處理技術，研制出了穩定廉價的氧化釔砂料與粉料，它在比重、硬度和對鈦液的穩定性上，都達到了較好的水平，而在調節控制殼料漿性能上，表現出更大的優越性。用氧化釔型殼制造鈦鑄件的突出優點是：在鑄件質量和工藝水平與鎢面層工藝相當的條件下，能制造比鎢面層工藝更薄的鈦合金鑄件。目前，該工藝已廣泛用於制造各種飛機、發動機及民品鑄件。
2.3 稀土鋁合金
中航總研制的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206，與國外含鎳的合金比較，具有優越的高溫和常溫力學性能，並已達到國外同類合金的先進水平。現已用於直升機和殲擊機工作溫度達300℃的耐壓閥門，取代了鋼和鈦合金。減輕了結構重量，已投入批量生產。稀土鋁矽過***晶ZL117合金在200～300℃ 下的拉伸強度超過西德活塞合金KS280和KS282，耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高 4～5倍，線膨脹系數小，尺寸穩定性好，已用於航空附件KY-5，KY-7空壓機和航模發動機活塞。稀土元素加入鋁合金中，明顯改善顯微組織和機械性能。稀土元素在鋁合金中的作用機制為：形成分散分布，細小的鋁化合物起著顯著的第二相強化作用;稀土元素的加入起到了除氣凈化作用，從而減少合金中氣孔的數量，提高合金的性能;稀土鋁化合物作為異質晶核細化晶粒和***晶相，也是壹種變質劑;稀土元素促進了富鐵相的形成和細化，減少了富鐵相的有害作用。α-A1 中Fe的固溶量隨稀土加入量的增加而減少。也對提高強度和塑性有利。
2.4 稀土非全屬材料
稀土有機灌註料XZ-1已用於高性能發動機控油系統的燃油電磁開關，液壓電磁開關等八種電磁鐵產品，由於成本低，施工簡便，因此可以大量取代環氧灌註料，具有很好的經濟效益。系統防老化橡膠塗料KF-1的研制成功，解決了長期以來飛機油箱使用壽命短的難題，KF-1的投入使用，使得飛機油箱使用壽命由原來的3～5年延長到15～20年，並提高了使用性能，取得了顯著的技術經濟效益。含Y2O3的MCrAIY 塗層是發動機渦輪葉片、導向葉片等發動機熱端部件用的可設計成分的第三代塗層，已在國外高性能、長壽命發動機上得到應用。航材院采用磁控濺射沈積工藝和多弧離子鍍技術已研制成功這種塗層系列，其抗熱腐蝕及綜合性能已達到國外同類塗層的先進水平。該塗層系列已被高溫合金、定向凝固合金、單晶合金和Ni-A1 基合金渦輪葉片、導向葉片選用，作為高溫抗氧化塗層已在先進發動機和地面燃氣渦輪機上使用。Y2O3在該系列塗層中起著塗層與基體合金的“釘紮”作用，顯著提高了塗層與基體的結合力。
稀土添加劑在化學熱處理方面也起到了重要的作用，由於稀土元素具有特定的電子結構和很高的化學活性，在化學熱處理中有顯著的活化作用，對改善滲層的組織和性能及提高滲層速度有明顯的效果。中航總310廠將常規滲碳、氮和碳氮***滲與加入稀土添加劑工藝進行比較，滲劑中加入稀土元素，初步試驗研究表明滲速可提高30%。加入稀土的高速鋼氮碳***滲硬度Hv從933～946可提高1350～1478。稀土元素用於化學熱處理的方法簡便易行，對設備無特殊要求，對提高產品重量和節省能源都具有重要意義，有很好的推廣應用價值。
2.5 稀土永磁材料
稀土永磁材料發展十分迅速，現已在許多領域裏得到了廣泛的應用，成為當代新技術的重要物資基礎。自80年代以來利用釤鈷合金做稀土永磁電機。產品類型包括伺服電動機、驅動電動機、汽車啟動機、地面軍用電機、航空電機等，部分產品出口，釤鈷永磁合金的主要特點是：(1)退磁曲線基本上是壹條直線，其斜率接近於逆磁導率，即回復直線近似與去磁曲線重合;(2)具有極大的矯頑力，有很強的抗去磁能力;(3)具有很高的最大磁能積;(4)可逆溫度系數很小，磁性的溫度穩定性較好，由於以上特點，稀土釤鈷永磁合金特別適合在開路狀態、壓力場合、退磁場情況或動態情況下運用，並適合制造體積的小的元件。
中航總125廠生產的160LY?.2永磁直流力矩電機使用釹鐵硼(NTP200/64)磁鋼。用釹鐵硼永磁代替釤鈷永磁成本降低，性能提高。該廠生產的QZDM01-H稀土永磁淺車啟動機，使用了釹鐵硼磁鋼，該產品為稀土減速啟動機。使用稀土磁鋼，使啟動機體積小、效率高、輸出力矩大、啟動速度快。國內SmCo系永磁材料的溫度系數待改進，NdFeB系永磁材料的高溫穩定性和耐腐蝕性需要進壹步提高，粘結NdFeB系永磁材料還處於研制開發階段。
永磁材料的發展先後經歷了鐵氧體階段(磁能積4.6MGOe)，AINiCo合金階段(磁能積11.5MGOe)，SmCo階段(磁能積 31.0MGOe)，NdFeB階段(磁能積43MGOe)。鈦鐵硼稀土永磁材料的研制成功，使耳機、揚聲器、步進電機、無芯電機等實現了超小型化。美國通用汽車公司在1000cc汽車發動機上采用NdFeB永磁體，使發動機重量減少40～50%，尺寸減少45%。若能提高該材料的使用溫度，將開辟該材料更為廣泛的應用前景。
3 稀土元素在航空材料發展中的作用
稀土元素在航空材料發展中的作有是由稀土元素的性質決定的。稀土元素的原子半徑大於常見金屬如Al、Mg等，因此稀土元素在這些金屬中的固溶度極低，幾乎不能形成固溶體;由於稀土元素具有很高的化學活性，稀土元素在化學反應中異常活潑，極易與氣體(如氧)、非金屬(如硫)及金屬作用，生成相應穩定的化合物;這些新形成的化合物多數是溶點高、密度小、化學性質穩定，稀土元素在金屬中的作用大體可歸納為如下幾個方面：
(1)減輕非金屬雜質的有害影響。氫是鋼和鋁合金的有害雜質，溶入液態金屬的氫凝固時以原子態析出，聚集成分子，導致出現晶間裂紋、疏松和針孔等氫致缺陷，給鑄造、塑性加工和性能帶來嚴重危害，實驗表明鋁及其合金中加入適量稀土(0.1～0.3%)將明顯的降低氫的含量，起到減少氫的危害作用提高合金的性能，此外稀土金屬也有降低鋁中硫和氧含量的效果。其化學反應式如下：
4/3[RE]+2[O]→2/3RE203(固)
[RE]十[H]→REH(固)
RE(瓶)十MnS(固)→RES(固)+ Mn(瓶)
反應生成的稀土化合物，熔點高、比重輕，上浮成渣。而它們的微小的質點則成為鋁結晶過程的異質晶核。
(2)細化晶粒和枝晶組織，提高熱塑性。稀土可細化合金的鑄態組織，使枝晶網絡更為清晰，從而改善合金的熱塑性。稀土化合物微小的固態質點提供了異質晶核或在結晶界面上偏聚阻礙晶胞的長大，為鋼液結晶細化提供了較好的熱力條件。
(3)改變夾雜物的形態和分布。稀土與雜質形成化合物，在晶界析出，改變了原來的固溶存在方式，使夾雜物量降低。
(4)產生強化作用，稀土加入合金中使氫氧和夾雜物量降低，又細化了晶粒和枝晶網絡，稀土與非金屬元素作用產生高溶點的化合物彌散於基體中，稀土與金屬元素生成高溶點的金屬問化合物，即消除粗大塊狀組織，又穩定晶界，這些都起到了提高材料強度的作用。(5)稀土的引入提高了含稀土合金材料的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能。稀土元素的加入在鑄造、鍛造、焊接、熱處理及表面塗層技術中也作了壹些研究，許多都取得了正的效應，但稀土元素在這些熱工藝過程中及制件中所超的作用機理有待進壹步開發研究。
4 稀土在航空材料上的應用展望
由於稀土金屬的原子半徑大，極易失掉最外層2個s電子和次層的5d壹個電子或4f的壹個電子，而成三價離子。因此稀土金屬在化學反應中異常活潑，極易與其它物質反應。又由於稀土元素具有電子未完全充滿4f層的特性，而引導出各種磁、電和光的特性效應以及其它特殊性能。稀土元素的這些有吸引力的性能及廣闊的潛在用途，引起了航空材料科學家的極大重視及廣泛的研究，近期的研究重點：
4.1 稀土陶瓷材料
稀土材料在高推比航空發動機上的應用出現新進展。近年來中航總公司開展了稀土在結構陶瓷方面的應用研究。氮化矽陶瓷具有高溫下強度高、抗熱震性能好、高溫蠕變小等優良的性能，是壹種最有希望用於高推重比發動機的新型結構陶瓷材料。氮化矽陶瓷仍遵循著液相燒結機理，需加入壹些氧化物添加劑與Si3N4，顆粒表面的出SiO2層反應，生成液相以促進燒結。引入A1203，、MgO等氧化物為燒結助劑後，氮化矽陶瓷的斷裂韌性和強度並不高，但引人稀土氧化物Y2O3即Y203壹A1203，或Y2O3壹MgO為燒結助劑，氮化矽陶瓷的常溫斷裂韌性和強度得到明顯的改善，但高溫性能並不好。近年來的研究發現以稀土氧化物Y203和La203為添加劑，材料的力學性能大幅度提高，尤其是高溫斷裂韌性得到明顯改善。研究表明：Y2O3和La203的引入對氮化矽陶瓷中β壹Si3N4，晶粒的生長行為有重要影響，從而影響了氮化矽陶瓷的結構和性能。選適當比例和含量的Y203和La2O3作添加劑，可得到軸比較大的β壹Si3N4晶粒，這樣使氮化矽陶瓷產生了自增韌的效果。陶瓷屬脆性材料，壹般不能用於結構件。為了克服其脆性。通常引入纖維、晶須等增強組份，但這就產生了不同形態的組份難以均勻分散，給制造工藝帶來困難。目前這壹問題正是限制陶瓷料在高技術領域裏應用的關健。將稀土氧化物引入陶瓷粉未中，能夠在陶瓷燒結過程中產生原位增韌即自增韌的效果，恰好克服了上述引入纖維、晶須等帶來的制造上的困難。因此在陶瓷材料中引入稀土氧化物，將為陶瓷材料在高新技術領域裏開闊壹個更為廣闊的應用前景。專用集成電路為適應作戰需要，必須抗輻射加固，提高可靠性，同時集成電路和計算機技術向更高電路密度和更快運算速度發展，均推動陶瓷材料基片及其封裝向更高性能和更精細工藝方向發展。作為基片材料，必須滿足低介電常數，高熱導率，高機械強度，與半導體芯片相匹配的熱膨脹系數。氮化鋁(AIN)多層基片與傳統的氧化鋁(A1203)基片相比，有較高的導熱率，適用於高功耗、高引線數和大尺寸芯片，成為近年來航空及軍工行業開發的重點。采用稀土氧化釔(Y203，)和氧化鈣混合添加劑，可以降低氮化鋁的燒結溫度，促進燒結。這種摻雜後的氮化鋁(AIN)陶瓷，導熱率260W/(m.K)，適於高密度布線，熱阻僅為同樣結構和相同引線數的氧化鋁封裝的1/4,這種基片已用於含1800個輸入/輸出頭的計算機系統的多層布線陣列的封裝。
4.2 稀土永磁材料
稀土永磁材料是制備高性能微波功率管壹行波管的關鍵材料。現代軍事通訊、雷達、導彈制導和電子戰都需要各種行波管，其特點是工作頻帶寬(2～18GHz)，效率高(達50%)。海灣戰爭中美國使用的電子幹擾設備、預警飛機、火控雷達、精密制導系統，都用了大量高性能寬帶大功率行波管，制造這些高功率行波管的關鍵是高磁能積、低溫度系數的稀土永磁材料。這材料對實現軍用電機的高效率、小型化和輕質化，以及促進軍用計算機性能的提高也是十分重要的。根據我國目前稀土永磁材料發展的實際情況，今後在航空航天領域裏稀土永磁材料研制開發的主要方向有：(1)高穩壹性SmCo系永磁材料;(2)高工作溫度NdFeB系永磁材料;(3)快淬 NdFeB磁粉及粘結NdFeB系永磁材料;(4)新型SmFeN系永磁材料;(5)低成本、高性能第四代稀土永磁材料。 4.3稀土鋁合金航空用A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金LD7和LD8的工作溫度不能超過270℃，Al-Cu-Mn系的LYI6或2021的工作溫度不能超過 300℃，除了燒結鋁粉末外，還沒有可在350～400℃下工作的鋁合金。Sc能將鋁合金的再結晶溫度提高到450～550℃，***格沈澱相A13Sc特別是與Zr復合形成的A13(ScZr)的熱穩定性極高，在350℃或450℃長時間加熱時質點尺寸長大速度極慢，而且能長期保持***格性不破壞，是開發工作溫度大於350℃的耐熱鋁合金最有希望的合金元素。目前，航空用綜合性能最好的高強高韌鋁合金是A1-Zn-Mg-Cu-Zr系的7075、7150和7010，它用Zr代替了Mn和Cr，顯著提高了合金的淬透性，適於生產厚板(≥75mm)。但是，這類合金的鑄造性能極差，厚向強韌性還不夠高。若加入0.1～0.2%Sr與Zr形成***格沈澱相A13(ScZr)，除了增加強度外，還能使再結晶溫度提高。A13Sc質點抑制合金的再結晶，得到未再結晶組織，起到亞結構強化的作用，能改善板材厚向的強韌性。經過充分時效，疲勞強度、斷裂韌性(K1c。)和抗應力腐蝕能力(SCR)得到明顯的提高，為火箭和飛行器開發出新壹代超高強高韌鋁合金是完全有可能的。
4.4 稀土高溫合全
稀土元素對改善高溫合金的性能作用顯著。高溫合金用於航空發動機的熱端部件，但由於在高溫下抗氧化、耐腐蝕及強度的下降，使得航空發動機性能的進壹步提高受到限制。近期的研究表明：鎳基合金中添加少量稀土後，提高了抗硫化性能及高溫強度和熱塑性。鈷基合金中加入0.1～0.2%釔、鎳基合金中加入銅或鈰，能使材料的耐腐蝕性能提高10倍。在鎳鉻合金中，稀土對提高合金的抗氧化性能有明顯的作用，如在Ni-30Cr合金中加0.3%Y;0.05% La和Ce，合金在1200℃和1300℃下的壽命分別為2970小時和613小時，而未加稀土同壹鎳鉻合金，在上述溫度下，其壽命僅為1518小時和 270小時。稀土元素對高技術新材料研究與發展有密切的關系，更深入地研究稀土元素在航空材料中的作用及其機理，稀土元素對性能變化的影響規律，從而更廣泛地探求新的航空材料，開發高技術產品乃是稀土材料研究者的歷史使命。近年來偏重於研究稀土對改善材料性能的作用，而對稀土的作用機理研究得不夠，為使稀土在材料中的應用建立在紮實的科學基礎上，為了開發更多更好的稀土金屬及非金屬新材料，必須就稀土對材料的改性機理進行系統深入的研究。結合我國豐富的稀土元素(La、Ce、Nd、Yb、Dy、Sc等)，開展這些稀土與材料學的系統深入研究，旨在為有效合理利用各個稀土的特性開拓新的應用途徑，取得更多的稀土壹材料專利，將我國稀土材料建立在自己的知識產權上。
航空稀土開發應用在“七五”、“八五”期間，通過稀土元素對新材料的作用及提高材料的應用功能，延長其使用壽命，提高經濟效益等方面做了許多工作。但在稀土材料的開發應用方面，在更好發揮航空稀土材料功能方面還遠沒有挖掘出巨大的潛力，仍需要我們繼續不懈的努力開發，更進壹步的深入研究與應用。稀土作為我國在國際上的優勢產業，其國際市場的占有率逐年提高，其地位也越來越重要。我們應該抓住機遇，加速稀土在航空工業的開發和應用。綜上所述，稀土元素有強化金屬材料，減少其雜質的有害影響、改變夾雜物的形態和分布、提高抗腐蝕和抗氧化性能等作用。已經發展了許多航空用稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金及功能材料，並在應用中取得了良好的技術經濟效益，但這些已取得的成就與稀土在航空材料發展中特殊作用及其潛在的用途相比，只能說是開發稀土的壹個良好開端，這點成績與我們稀土大國的地位也極不相稱。為充分滿足國民經濟和高技術發展的需求，今後應該在航空稀土材料應用基礎理論和科研究成果的工程應用兩個方面加強研究，並加大投資力度，為稀土的深入開發，加速我國稀土材料發展，建立具有中國特色的材料科學及其工程應用體系，充分發揮我國稀土資源優勢。