主要航空航天器零部件的镁合金应用情况优化

1.框架结构部件的镁合金化

一般航空航天结构用镁合金主要是板材和挤压型材，也有部件是铸造件。用镁合金板材制造的飞机零部件有：各种壁板、整流罩、发动机罩、门、盖板、口盖框架、内部加强型材组合件、各种连接整流包皮、翼尖、尾面、副翼及襟翼蒙皮、油箱等。飞机上大量采用镁合金零部件，其质量大大减小，飞行速度及航程均显著提高。陶氏化学公司采用快速凝固ZK60镁合金挤压型材制造C133运输机的地板支撑梁和固定装货滑道，如图7-28所示。

镁合金铸件在飞行器结构方面应用很多，包括各种民用、军用飞机和航空器，其用量因具体结构不同而异，并在一定程度上取决于镁合金表面涂层技术的发展。在镁合金的应用过程中，要兼顾零部件的腐蚀行为和抗疲劳性能。提高合金的纯度可以改善耐蚀性，而在合金表面涂层则可以提高其耐磨性能。图7-29所示为一种飞机框架材料，尺寸为1500mm×1000mm×200mm。

Mg-RE合金的铸造性能及焊接性能均很好，被研制出来后就被用于制造结构复杂的军用飞机驾驶舱舱罩的框架。据1969年Evans报道，采用镁合金制造Vampire和Venom飞机的双座椅机构件是当时镁合金应用所达到的最高水平。由于镁合金双座椅结构件使用效果很好，从而直到现在还在应用。图7-30所示为座舱罩铸件。西班牙CASA在其战斗机上也采用了类似的结构件。镁合金飞行器中的另一个应用是钢丝索移动控制滑轮，然而欧洲生产商认为镁合金滑轮容易磨损，并不合适。但BAe公司通过在滑轮上涂上一层塑性涂层，如尼龙，从而使这种应用获得成功，并从1960年开始在大多数民用飞机上使用。

图7-29 飞机框架材料

一些刚性较好的镁合金铸件还被广泛用于制造驾驶室中的手动控制装置件，如操纵杆及转向盘，中央操纵台及操纵盘等部件，并被应用于Trident Bae146等飞机上，此外还有Fokker的F100飞机。图7-31所示为飞行员座椅架。Kent Aerospace和LMI France将复杂的镁合金铸件用于Bae146、Bae125和AirBus的压缩系统。先后有很多民用飞机使用了镁合金部件，数量达到250多种。

图7-30 座舱罩铸件（小的用于CASA飞机）

图7-31 飞行员座椅架

2.航空航天发动机部件的镁合金化

镁合金在航空发动机中的应用主要是压缩机尾部箱体和装有大量减速齿轮辅助设备的大齿轮箱。Pratt和Witney发动机公司在Bae146飞机上采用了镁合金AC-COLycoming双路式涡轮喷气发动机罩。

另外，为了提高发动机热稳定性，允许较小的外壳间隙，同时提高发动机效率，制造商研制了适用于民用和军用飞机的发动机箱体。民用飞机发动机箱体一般采用镁合金铸件，而军用飞机发动机箱体一般采用铝合金铸件。图7-32所示为采用镁合金的发动机箱体。由此可见，镁合金用作发动机箱体材料优势明显。

图7-32 发动机箱体

齿轮箱是镁合金大型铸件的另一个典型应用实例。Kent航空铸造公司曾采用镁合金制造巨大的Rolls Royce RB211发动机齿轮箱，这类装置在合理的保护条件下可以正常服役很多年。此外，直升机螺旋桨推进器的齿轮箱也可以采用镁合金制造，图7-33所示为几种镁合金齿轮箱实物图。所用材料包括ZE41、WE43和AZ91E等。连接BR710发动机换向系统各零部件的驱动系统也可以采用WE43和AZ91E合金（见图7-34），承载应力都处在合金强度和耐腐蚀能力范围内，部分铸件可以在较高温度下使用。图7-35所示为英国某型号直升机上使用的采用锻造法生产的齿轮箱及其连接件。(www.xing528.com)

图7-33 镁合金齿轮箱

a）Turbine BR710 ZF-Luftfahrttechnik齿轮箱及箱盖 b）Tailrotorsystem Tiger ZF-Luftfahrttechnik齿轮箱 c）Tiger EC France直升机主齿轮箱 d）Strato2 ZF-Luftfahrttechnik齿轮箱

图7-34 双臂曲轴（材料为AZ91E、WE43）

图7-35 英国直升机齿轮箱及其连接件

a）阀盖（材料为ZK60-T6，质量为44kg） b）连接件（材料为AZ80-F）

在用于制造以上零部件的材料中，稀土镁合金具有比强度和比刚度高、耐热强度及抗蠕变性能优异等特点，既可满足航空结构材料减轻自重的需要，也可满足在200～300℃高温条件下长时间工作的航空发动机零部件的需要。欧美早期曾开发过EK、EZ、EQ、AE系列稀土镁合金，EK31、EZ33、QE22等合金都曾用于航空发动机。20世纪80年代末推出WE系列稀土镁合金，McDonnell公司已经用WE43代替ZE41制作MD500直升机零部件。我国在苏联合金牌号体系的基础上，至今已开发出了ZM3、ZM4、ZM6、ZM9系列稀土镁合金。

随着航空工业对零部件小型化、高效率的要求，目前已能生产厚度为3.5mm的铸造薄壁件，允许偏差可以达到±0.5mm。现已标准化生产直径为2mm的液压传动管道，能够承受9MPa的压力。

应用于航空工业零部件的镁合金种类繁多，应用范围很广。下面以加拿大Ma-gellan公司为例介绍，分别见表7-14和表7-15。

表7-14 加拿大Magellan公司的部分航空镁合金产品

表7-15 加拿大Magellan公司部分航空镁合金产品的使用厂商及机型

注：以上铸件的直径为127～2000mm，质量为0.45～365kg。