1前言
早在20世紀50年代，中國仿制的飛機和導彈的蒙皮、框架和發動機外殼就已經采用了稀土鎂合金。20世紀70年代後，隨著中國稀土工業的快速發展，航空稀土的開發和應用進入了自主發展的新階段。新型稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金、非金屬材料、功能材料和稀土電機產品也逐步在戰鬥機、強擊機、直升機、無人機、民用飛機和導彈衛星上推廣應用。
稀土材料及其在航空工業中的應用
2.1稀土鎂合金
稀土鎂合金具有較高的比強度，在減輕飛機重量和提高戰術性能方面具有廣闊的應用前景。中國航空工業集團公司(以下簡稱AVIC)研制的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金和變形鎂合金，品牌超過10，其中許多產品已用於生產，質量穩定。如以釹為主要添加元素的ZM6鑄造鎂合金，已廣泛應用於直升機後減速箱、戰鬥機翼肋、30KW發電機轉子鉛板等重要零件。BM25是由AVIC和有色金屬公司聯合開發的稀土高強度鎂合金，已取代部分中強度鋁合金，並已應用於攻擊機。八五期間，為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中的應用。目前，這種材料正在進行醫學生物實驗，有望用稀土鎂合金作為人工骨的粘結材料，替代現有的金屬固定物，減少患者二次取出固定物的手術，開辟新的廣闊的應用天地。
稀土鑄造鎂合金主要用於200 ~ 300℃以下的長期使用，具有良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，增加的順序是鑭、混合稀土、鈰、鐠、釹。其在室溫和高溫下對機械性能的良好影響也增加。AVIC研制的以釹為主要添加元素的ZM6合金，熱處理後不僅具有較高的室溫力學性能，而且具有良好的高溫瞬時力學性能和抗蠕變性能，可在室溫或250℃下長期使用。隨著壹種新型含釔耐腐蝕鑄造鎂合金的出現，鑄造鎂合金近年來再次被國外航空工業所忽視。
在鎂合金中加入適量的稀土金屬後，可以增加合金的流動性，減少氣孔率，提高氣密性，顯著改善熱裂和氣孔率，使合金在200 ~ 300℃的高溫下仍具有較高的強度和抗蠕變性能。2.2稀土鈦合金
20世紀70年代初，北京航空材料研究所(以下簡稱航材所)用稀土金屬鈰(Ce)代替Ti-A1-Mo鈦合金中的部分鋁和矽，限制了脆性相的析出，提高了合金的熱穩定性，也提高了熱強度。在此基礎上，開發了性能良好的含鈰鑄造高溫鈦合金ZT3。與國際同類合金相比，在耐熱性和工藝性能上具有壹定優勢。用它制造的壓氣機機匣用於WPI3發動機。每架飛機重量減少39公斤，推重比增加1.5%，加工工序減少30%左右。取得了明顯的技術經濟效益，填補了我國500℃航空發動機用鈦機匣的空白。結果表明，含鈰的ZT3合金顯微組織中存在細小的氧化鈰顆粒。鈰與合金中的壹些氧結合形成難熔和高硬度的稀土氧化物顆粒Ce203。這些顆粒阻礙了合金變形過程中的位錯運動，提高了合金的高溫性能。鈰捕獲壹些氣體雜質(特別是在晶界上)，因此可以在保持良好熱穩定性的同時強化合金。這是將難溶性溶質點強化理論應用於鑄造鈦合金的首次嘗試。
此外，在鈦合金的熔模鑄造過程中，航材院經過多年的研究，利用特殊的礦化處理技術，開發出了穩定、廉價的氧化釔砂和粉，在比重、硬度、對鈦液的穩定性等方面都達到了較好的水平，但在殼型漿料的性能調控方面顯示出更大的優越性。用氧化釔型殼制作鈦鑄件的突出優點是，在鑄件質量和工藝水平與鎢表層工藝相當的情況下，可以制作比鎢表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、發動機和民用鑄件。
2.3稀土鋁合金
AVIC研制的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206與國外含鎳合金相比，具有優越的高溫和室溫力學性能，達到國外同類合金的先進水平。現已用於直升機和戰鬥機的壓力閥，工作溫度可達300℃，取代了鋼和鈦合金。結構重量減輕，已投入量產。稀土鋁矽超晶ZL117合金在200 ~ 300℃的抗拉強度高於德國活塞合金KS280和KS282，耐磨性是普通活塞合金ZL108的4 ~ 5倍，線膨脹系數小，尺寸穩定性好。它已被用於航空附件KY-5，KY-7空氣壓縮機和。稀土元素的加入可以明顯改善鋁合金的顯微組織和力學性能。稀土元素在鋁合金中的作用機理是:形成彌散分布，細小的鋁化合物起顯著的第二相強化作用；稀土元素的加入起到脫氣和凈化的作用，從而減少合金中的氣孔數量，提高合金的性能；稀土鋁化合物作為異質核細化晶粒和* * *晶相，也是壹種變質劑；稀土元素促進富鐵相的形成和細化，減少富鐵相的有害影響。隨著稀土添加量的增加，Fe在α-A1中的固溶體減少。也有利於提高強度和塑性。
2.4不完全稀土材料
稀土有機灌封料XZ-1已用於高性能機油控制系統中的燃油電磁開關、液壓電磁開關等八種電磁鐵產品。由於其成本低、施工簡單，可大量替代環氧灌封料，具有良好的經濟效益。抗老化橡膠塗層KF-1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的應用，使飛機油箱的使用壽命從3 ~ 5年延長到15 ~ 20年，提高了使用性能，取得了顯著的技術經濟效益。含Y2O3的MCrAIY塗層是用於渦輪葉片、導向葉片等發動機熱端部件的第三代成分可設計塗層，已在國外高性能、長壽命發動機上得到應用。航空材料研究所采用磁控濺射沈積工藝和多弧離子鍍技術成功研制了該類塗層系列，其抗熱腐蝕性能和綜合性能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基合金的渦輪葉片和導向葉片選用，並作為高溫抗氧化塗層在先進發動機和地面燃氣輪機上使用。Y2O3在該系列塗層中起到了塗層與基體合金之間的“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中也起著重要作用。由於稀土元素具有特定的電子結構和較高的化學活性，在化學熱處理中具有顯著的活化作用，對改善滲層的組織和性能，提高滲速有明顯的作用。對AVIC總廠310廠的常規滲碳、氮碳共滲工藝和添加稀土添加劑的工藝進行了比較。初步實驗研究表明，滲透率可提高30%。稀土高速鋼的氮碳共滲硬度Hv可由933提高到946，提高幅度為1350 ~ 1478。用稀土元素進行化學熱處理的方法簡單易行，對設備無特殊要求。對提高產品重量和節約能源具有重要意義，具有很好的推廣應用價值。
2.5稀土永磁材料
稀土永磁材料發展非常迅速，已廣泛應用於多個領域，成為當代新技術的重要物質基礎。從20世紀80年代開始，釤鈷合金被用作稀土永磁電機。產品類型包括伺服電機、驅動電機、汽車起動機、地面軍用電機、航空電機等。部分產品出口。Sm-Co永磁合金的主要特點是:(1)退磁曲線基本上是壹條直線，其斜率接近於反磁導率，即恢復直線與退磁曲線近似重合；(2)矯頑力大，抗退磁能力強；(3)它具有非常高的最大磁能積；(4)可逆溫度系數很小，磁溫度穩定性好。由於上述特性，稀土釤鈷永磁合金特別適用於開路、壓力場合、退磁場場合或動態場合，並適用於制造小型部件。
AVIC 125廠生產的160LY？. 2永磁DC力矩電機采用釹鐵硼(NTP200/64)磁鋼。用釹鐵硼永磁體代替釤鈷永磁體，降低了成本，提高了性能。該廠生產的QZDM01-H稀土永磁淺車起動機采用釹鐵硼磁鋼，是壹種稀土減速起動機。稀土磁鋼的使用使起動機體積小，效率高，輸出轉矩大，起動速度快。國產SmCo永磁材料的溫度系數有待提高，釹鐵硼永磁材料的高溫穩定性和耐腐蝕性有待進壹步提高，粘結釹鐵硼永磁材料仍處於研發階段。
永磁材料的發展經歷了鐵氧體階段(磁能積4.6MGOe)、艾尼科合金階段(磁能積11.5MGOe)、SmCo階段(磁能積31.0MGOe)、釹鐵硼階段(磁能積43MGOe)。Ti-Fe-B-RE永磁材料的研制成功，使耳機、揚聲器、步進電機、無芯電機超小型化。美國通用汽車公司的1000cc汽車發動機采用了永磁釹鐵硼，使發動機的重量和體積分別減輕了40 ~ 50%和45%。如果能提高材料的使用溫度，將為材料開辟更廣闊的應用前景。
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用是由其性質決定的。稀土元素的原子半徑大於Al、Mg等常見金屬，所以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。由於稀土元素的化學活性很高，稀土元素在化學反應中極其活躍，容易與氣體(如氧氣)、非金屬(如硫)、金屬反應生成相應的穩定化合物；這些新形成的化合物大多具有高熔點、低密度和穩定的化學性質。稀土元素在金屬中的作用可以概括如下:
(1)減少非金屬雜質的有害影響。氫是鋼和鋁合金中的有害雜質。溶解在液態金屬中的氫凝固時，以原子狀態析出並聚集成分子，導致晶間裂紋、氣孔、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，在鋁及其合金中加入適量的稀土(0.1 ~ 0.3%)會明顯降低氫含量，減輕氫的危害，提高合金的性能。其化學反應式如下:
4/3[RE]+2[O]→2/3RE203(實心)
[RE]十[H]→REH(實心)
RE(瓶)10 MnS(固體)→RES(固體)+Mn(瓶)
反應生成的稀土化合物熔點高，比重輕，浮於渣中。並且它們的微小顆粒在鋁的結晶過程中成為異質核。
(2)細化晶粒和枝晶組織，提高熱塑性。稀土可以細化合金的鑄態組織，使枝晶網絡更加清晰，從而提高合金的熱塑性。稀土化合物的微小固體顆粒在結晶界面提供異質晶核或偏析，阻礙晶胞的生長，為鋼水的結晶和細化提供了更好的熱條件。
(3)改變夾雜物的形狀和分布。稀土與雜質形成化合物，在晶界析出，改變了原來的固溶體存在方式，減少了夾雜物的數量。
(4)有強化作用。向合金中添加稀土元素減少了氫、氧和夾雜物的量，並細化了晶粒和枝晶網絡。稀土與非金屬元素相互作用生成的高熔點化合物彌散在基體中，稀土與金屬元素生成高熔點金屬間化合物，既消除了粗大的塊狀組織，又穩定了晶界，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高溫抗氧化性。稀土元素的添加在鑄造、鍛造、焊接、熱處理和表面塗層技術中也有研究，其中許多取得了積極的效果，但稀土元素在這些熱過程和零件中的作用機理還需要進壹步的開發和研究。
4稀土在航空材料中的應用前景
由於稀土金屬的原子半徑大，很容易在最外層失去兩個S電子，在第二層失去5d或4f的壹個電子，變成三價離子。因此，稀土金屬在化學反應中極其活躍，容易與其他物質發生反應。由於稀土元素具有電子不完全填充4f層的特性，導致了各種磁、電、光特性等特殊性質。稀土元素的這些吸引人的性質和廣泛的潛在用途引起了航空材料科學家的極大關註和廣泛研究。最近的研究重點是:
4.1稀土陶瓷材料
稀土材料在高推重比航空發動機上的應用取得新進展。近年來，中國航空集團公司開展了稀土在結構陶瓷中的應用研究。氮化矽陶瓷具有高溫強度高、抗熱震性好、高溫蠕變小等優異性能，是最有希望用於高推重比發動機的新型結構陶瓷材料。氮化矽陶瓷仍然遵循液相燒結的機理，需要添加壹些氧化物添加劑與顆粒表面的Si3N4和SiO2層反應生成液相來促進燒結。引入A1203、MgO等氧化物作為燒結助劑後，氮化矽陶瓷的斷裂韌性和強度不高，而引入稀土氧化物Y2O3，即y2 O3-a 1203，或Y2O3-MgO作為燒結助劑，氮化矽陶瓷的室溫斷裂韌性和強度明顯提高，但高溫性能不好。近年來發現，以稀土氧化物Y203和La203為添加劑，材料的力學性能，特別是高溫斷裂韌性有很大的提高。結果表明，Y2O3和La203的引入對氮化矽陶瓷中β-Si3N4晶粒的生長行為有重要影響，從而影響氮化矽陶瓷的結構和性能。選擇適當比例和含量的Y203和La2O3作為添加劑，可以獲得大軸比的β-Si3N4晶粒，使氮化矽陶瓷具有自增韌作用。陶瓷是脆性材料，壹般不能用於結構件。以克服其脆性。通常引入纖維、晶須等增強組分，但這使得不同形態的組分難以均勻分散，給制造工藝帶來困難。目前，這個問題是限制陶瓷材料在高科技領域應用的關鍵。在陶瓷粉體中引入稀土氧化物，可以在陶瓷燒結過程中產生原位增韌即自增韌的效果，這正好克服了纖維和晶須的引入帶來的制造困難。因此，將稀土氧化物引入陶瓷材料，將為陶瓷材料在高科技領域拓寬更廣闊的應用前景。為了滿足業務需求，ASIC必須抗輻射，提高其可靠性。同時，集成電路和計算機技術向更高的電路密度和更快的運算速度發展，推動了陶瓷基板及其封裝向更高性能和更精細的技術發展。作為襯底材料，必須滿足低介電常數、高熱導率、高機械強度和與半導體芯片匹配的熱膨脹系數的要求。與傳統的氧化鋁(A1203)基板相比，氮化鋁(AIN)多層基板具有更高的熱導率，適用於高功耗、高引線數和大尺寸芯片，成為近年來航空和軍工發展的重點。使用稀土氧化釔(Y203)和氧化鈣作為混合添加劑可以降低氮化鋁的燒結溫度，促進燒結。這種摻雜氮化鋁(AIN)陶瓷的熱導率為260W/(m.K)，適用於高密度布線，其熱阻僅為相同結構、相同引線數的氧化鋁封裝的1/4。這種襯底已經用於封裝具有65，438+0，800個輸入/輸出頭的計算機系統的多層布線陣列。
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-行波管的關鍵材料。現代軍事通信、雷達、導彈制導、電子戰等都需要各種行波管，行波管的特點是工作頻率寬(2 ~ 18 GHz)，效率高(最高可達50%)。美國在海灣戰爭中使用的電子幹擾設備、預警機、火控雷達和精確制導系統中大量使用了高性能寬帶大功率行波管。制造這些大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。這種材料對於實現軍用電機的高效率、小型化和輕量化，促進軍用計算機性能的提高也非常重要。根據我國稀土永磁材料發展的實際情況，未來航空航天領域稀土永磁材料研發的主要方向是:(1)高穩定性的SmCo永磁材料；(2)工作溫度高的釹鐵硼永磁材料；(3)快淬釹鐵硼磁粉和粘結釹鐵硼永磁材料；(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稀土鋁合金航空用A1-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鋁合金LD7、LD8工作溫度不超過270℃，Al-Cu-Mn系LYI6或2021工作溫度不超過300℃。除了燒結鋁粉，還沒有能在350 ~ 400℃工作的鋁合金。Sc能使鋁合金的再結晶溫度提高到450 ~ 550℃，* * *晶格析出相A13Sc，特別是與Zr復合的A13(ScZr)具有極高的熱穩定性。長時間在350℃或450℃加熱時，顆粒尺寸增長速度極慢，可以長時間保持* * *晶格，這就是顯影工作溫度。目前綜合性能最好的航空用高強度高韌性鋁合金是A1-Zn-Mg-Cu-Zr系列7075、7150和7010。Zr替代Mn和Cr，顯著提高了合金的淬透性，適用於生產厚板(≥75mm)。但這種合金的鑄造性很差，厚度方向的強度和韌性都不夠高。如果加入0.1 ~ 0.2%的Sr和Zr，形成* * *晶格析出相A13(ScZr)，不僅強度提高，再結晶溫度也提高。顆粒A13Sc抑制了合金的再結晶，獲得了未再結晶組織，起到了強化亞結構的作用，可以提高板材在厚度方向的強度和韌性。完全時效後，疲勞強度和斷裂韌性(K1c。)和抗應力腐蝕性能(SCR)得到顯著提高，完全有可能開發出新壹代超高強高韌鋁合金用於火箭和飛機。
4.4稀土高溫組合
稀土元素在改善高溫合金性能方面起著重要作用。高溫合金用於航空發動機的熱端部件，但高溫下抗氧化、耐腐蝕、強度降低，限制了航空發動機性能的進壹步提高。最近的研究表明，在鎳基合金中添加少量稀土可提高抗硫化物能力、高溫強度和熱塑性。在鈷基合金中加入0.1 ~ 0.2% Y，在鎳基合金中加入Cu或Ce，可使材料的耐蝕性提高10倍。在鎳鉻合金中，稀土能明顯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℃下的使用壽命分別為2970小時和613小時，而不添加稀土的相同鎳鉻合金在上述溫度下的使用壽命僅為1518小時和270小時。稀土元素與高科技新材料的研發密切相關。研究稀土元素在航空材料中的作用和機理，以及稀土元素對性能變化的影響，從而更廣泛地探索新型航空材料，開發高科技產品，是稀土材料研究者的歷史使命。近年來，人們把重點放在研究稀土對改善材料性能的作用上，但對稀土的作用機理研究得不夠。為了將稀土在材料中的應用建立在堅實的科學基礎上，開發出更多更好的稀土金屬和非金屬新材料，有必要系統深入地研究稀土對材料的改性機理。結合豐富的稀土元素(鑭、鈰、釹、鐿、鏑、鈧等。)在國內對這些稀土和材料科學進行系統深入的研究，旨在為有效合理利用每壹種稀土的特性開辟新的應用渠道，獲得更多的稀土材料專利，把中國的稀土材料建設在自己的知識產權上。
“七五”和“八五”期間，航空稀土元素的開發和應用，通過稀土元素在新材料中的作用，提高材料的應用功能，延長其使用壽命，提高經濟效益，做了大量的工作。但是，在稀土材料的開發和應用中，要充分發揮航空稀土材料的功能，還有很大的潛力，還需要我們繼續不懈地努力開發和進壹步研究應用。作為中國在世界上的主導產業，稀土在國際市場上的份額逐年增加，地位越來越重要。我們應該抓住機遇，加快稀土在航空工業中的開發和應用。綜上所述，稀土元素可以強化金屬材料，降低雜質的有害作用，改變夾雜物的形狀和分布，提高耐腐蝕性和抗氧化性。開發了許多航空用稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金和功能材料，並在應用中取得了良好的技術經濟效益。但與稀土在航空材料發展中的特殊作用和潛在用途相比，這些成績只能說是稀土發展的壹個良好開端，這也與我們的稀土大國地位極不相稱。為充分滿足國民經濟和高新技術發展的需要，今後應加強航空稀土材料應用基礎理論研究和科研成果的工程應用，加大投入，以深化稀土材料開發，加快我國稀土材料發展，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。