稀土在航空工业中的应用现状与发展趋势中国航空工业总公司航空稀土推广应用办公室李金桂1. 前言早在50年代我国仿制的飞机和导弹的蒙皮、框架及发动机机匣已采用稀土 镁合金，70年代后，随着我国稀土工业的迅速发展，航空稀土开发应用跨入了 自行研制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、 功能材料及稀土电机产品也在歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、民航机以 及导弹卫星等产品上逐步得到推广和应用2. 稀土材料及其在航空工业中的应用2. 1稀土镁合全稀土镁合金比强度较高，对减轻飞机重量，提高战术性能具有广泛的应用前 景中国航空工业总公司（简称：中航总）研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及 变形镁合金约有10多个牌号，很多牌号已用于生产，质量稳定例如：以稀土 金属钱为主要添加元素的ZM6铸造镁合金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机 翼肋及30KW发电机的转子引线压板等重要零件中航总与有色金属总公司联合 研制的稀土高强镁合金BM25已代替部分中强铝合金，在强击机上获得应用八、五”期间，为了扩大稀土镁合金的推广应用，还开展了稀土镁合金在医学 工程上的应用目前该材料正在做医学生物实验，有望稀土镁合金作为人工骨接 材料代替现用金属夹具，减少病人第二次取出夹具的手术，又将开辟了一个新的 广阔的应用天地。
稀土铸造镁合金主要用作200 - 300°C以下长期使用，它具有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，增加的顺序为魏、混合 稀土、钵、错、钱它对常温、高温力学性能的良好影响也随之增加中航总研 制的以钱为主要添加元素的ZM6合金在热处理后不但具有高的室温力学性能，而 且还有良好的高温瞬时力学性能和抗蠕变性能，可在室温下使用，也可在250°C 下长期使用随着含牢乙抗蚀新型铸造镁合金的出现，近年来铸造镁合金重新受到 国外航空工业的青眯在镁合金中添加适量的稀土金属以后，可以增加合金的流动性，降低微孔率, 提高气密性，显著改善热裂和疏松现象，使合金在200 ~ 300°C高温下仍具有高 的强度和抗蠕变性能2. 2稀土钛合金70年代初，北京航空材料研究院（简称：航材院）在Ti - Al - Mo系钛合金 中用稀土金属钵（Ce ）取代部分铝、硅，限制了脆性相的析出，使合金在提高耐 热强度的同时，也改善热稳定性能以此基础上，又研制出了性能良好的含钵的 铸造高温钛合金ZT3它与国际同类合金相比，在耐热强度及工艺性能方面均具 有一定的优势用它制造的压气机匣用于WPI311发动机，每架飞机减重达39公 斤，提高推重比1.5%,此外减少加工工序约30%,取得了明显的技术经济效益, 填补了我国航空发动机在500°C条件下使用铸钛机匣的空白。
研究表明，含钵的 ZT3合金组织中存在着细小的氧化钵质点钵化合了合金中的一部分氧，形成了 难熔的、高硬度的稀土氧化物质点Ce205o这些质点在合金形变过程中阻碍了位 错运动，提高了合金高温性能，钵夺取了一部分气体杂质（尤其是在晶界上的）， 就有可能在使合金强化的同时，保持良好的热稳定性能这是在铸造钛合金中应 用难溶质点强化理论的首次尝试此外航材院在钛合金溶模精密铸造工艺中，经多年研究，采用了特殊的矿化 处理技术，研制出了稳定廉价的氧化牢乙砂料与粉料，它在比重、硬度和对钛液的 稳定性上，都达到了较好的水平，而在调节控制壳料浆性能上，表现出更大的优 越性用氧化锂型壳制造钛铸件的突出优点是：在铸件质量和工艺水平与鸽面层 工艺相当的条件下，能制造比牢乌面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、发动机及民品铸件2. 3稀土铝合金中航总研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206,与国外含傑的合金比较，具 有优越的高温和常温力学性能，并已达到国外同类合金的先进水平现已用于直 升机和歼击机工作温度达300°C的耐压阀门，取代了钢和钛合金减轻了结构重 量，已投入批量生产稀土铝硅过共晶ZL117合金在200 ~ 300°C下的拉伸强度 超过西德活塞合金KS280和KS282,耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高4~5 倍，线膨胀系数小，尺寸稳定性好，已用于航空附件KY-5, KY-7空压机和航 模发动机活塞。
稀土元素加入铝合金中，明显改善显微组织和机械性能稀土元 素在铝合金中的作用机制为：形成分散分布，细小的铝化合物起着显著的第二相 强化作用；稀土元素的加入起到了除气净化作用，从而减少合金中气孔的数量， 提高合金的性能；稀土铝化合物作为异质晶核细化晶粒和共晶相，也是一种变质 剂；稀土元素促进了富铁相的形成和细化，减少了富铁相的有害作用a -A1 中Fe的固溶量随稀土加入量的增加而减少也对提高强度和塑性有利2. 4稀土非全属材料稀土有机灌注料XZ- 1已用于高性能发动机控油系统的燃油电磁开关，液压 电磁开关等八种电磁铁产品，由于成本低，施工简便，因此可以大量取代环氧灌 注料，具有很好的经济效益系统防老化橡胶涂料KF-1的研制成功，解决了长 期以来飞机油箱使用寿命短的难题，KF-1的投入使用，使得飞机油箱使用寿命 由原来的3~5年延长到15-20年，并提高了使用性能，取得了显著的技术经济 效益含Y2O3的MCrAIY涂层是发动机涡轮叶片、导向叶片等发动机热端部件用 的可设计成分的第三代涂层，已在国外高性能、长寿命发动机上得到应用航材 院采用磁控溅射沉积工艺和多弧离子镀技术已研制成功这种涂层系列，其抗热腐 蚀及综合性能已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基合金涡轮叶片、导向叶片选用，作为高温抗氧 化涂层已在先进发动机和地面燃气涡轮机上使用Y2O3在该系列涂层中起着涂层 与基体合金的“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方面也起到了重要的作用，由于稀土元素具有特定 的电子结构和很高的化学活性，在化学热处理中有显著的活化作用，对改善渗层 的组织和性能及提高渗层速度有明显的效果中航总310厂将常规渗碳、氮和碳 氮共渗与加入稀土添加剂工艺进行比较，渗剂中加入稀土元素，初步试验研究表 明渗速可提高30%加入稀土的高速钢氮碳共渗硬度Hv从933 ~ 946可提高 1350 ~ 1478稀土元素用于化学热处理的方法简便易行，对设备无特殊要求，对 提高产品重量和节省能源都具有重要意义，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十分迅速，现已在许多领域里得到了广泛的应用，成为当 代新技术的重要物资基础自80年代以来利用彩钻合金做稀土永磁电机产品 类型包括伺服电动机、驱动电动机、汽车启动机、地面军用电机、航空电机等， 部分产品出口，彩钻永磁合金的主要特点是：（1 ）退磁曲线基本上是一条直线， 其斜率接近于逆磁导率，即回复直线近似与去磁曲线重合；（2 ）具有极大的矫 顽力，有很强的抗去磁能力；（3）具有很高的最大磁能积；（4）可逆温度系数 很小，磁性的温度稳定性较好，由于以上特点，稀土彩钻永磁合金特别适合在开 路状态、压力场合、退磁场情况或动态情况下运用，并适合制造体积的小的元件。
中航总125厂生产的160LY?. 2永磁直流力矩电机使用钱铁硼（NTP200 /6 4 ）磁钢用钱铁硼永磁代替彩钻永磁成本降低，性能提高该厂生产的QZDM01 -H稀土永磁浅车启动机，使用了钱铁硼磁钢，该产品为稀土减速启动机使用 稀土磁钢，使启动机体积小、效率高、输出力矩大、启动速度快国内SmCo系 永磁材料的温度系数待改进，NdFeB系永磁材料的高温稳定性和耐腐蚀性需要进 一步提高，粘结NdFeB系永磁材料还处于研制开发阶段永磁材料的发展先后经历了铁氧体阶段（磁能积4. 6MG0e ） , AINiCo合金阶 段（磁能积11. 5MG0e ） , SmCo阶段（磁能积31. OMGOe ） , NdFeB阶段（磁能积 43MGOe） o钛铁硼稀土永磁材料的研制成功，使耳机、扬声器、步进电机、无芯 电机等实现了超小型化美国通用汽车公司在lOOOcc汽车发动机上采用NdFeB 永磁体，使发动机重量减少40 - 50%,尺寸减少45%若能提高该材料的使用 温度，将开辟该材料更为广泛的应用前景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有是由稀土元素的性质决定的稀土元素的 原子半径大于常见金属如Al、Mg等，因此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；由于稀土元素具有很高的化学活性，稀土元素在化学反应 中异常活泼，极易与气体（如氧）、非金属（如硫）及金属作用，生成相应稳定 的化合物；这些新形成的化合物多数是溶点高、密度小、化学性质稳定，稀土元 素在金属中的作用大体可归纳为如下几个方面：（1）减轻非金属杂质的有害影响。
氢是钢和铝合金的有害杂质，溶入液态金属的氢凝固时以原子态析出，聚集成分子，导致出现晶间裂纹、疏松和针孔等氢致缺陷,塑性加工和性能带来严重危害,实验表明铝及其合金中加入适量稀土（ 0. 1 ~ 0. 3% ）将明显的降低氢的含量，起到减少氢的危害作用提高合金的性能，此外稀土金属也有降低铝中硫和氧含量的效果其化学反应式如下:4/3 [RE] +2 [0] -2/3RE2（h （固）[RE]十[H]->REH（固）RE （瓶）十 MnS （固）->RES （固）+ Mn （瓶）反应生成的稀土化合物，熔点高、比重轻，上浮成渣而它们的微小的质点 则成为铝结晶过程的异质晶核2 ）细化晶粒和枝晶组织，提高热塑性稀土可细化合金的铸态组织，使 枝晶网络更为清晰，从而改善合金的热塑性稀土化合物微小的固态质点提供了 异质晶核或在结晶界面上偏聚阻碍晶胞的长大，为钢液结晶细化提供了较好的热 力条件3） 改变夹杂物的形态和分布稀土与杂质形成化合物，在晶界析出，改 变了原来的固溶存在方式，使夹杂物量降低4） 产生强化作用，稀土加入合金中使氢氧和夹杂物量降低，又细化了晶 粒和枝晶网 络，稀土与非金属元素作用产生高滚点的化合物弥散于基体中，稀 土与金属元素生成高溶点的金属问化合物，即消除粗大块状组织，又稳定晶界， 这些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 的耐腐蚀性和抗高温氧化性能稀土元素的加入在铸造、锻造、焊接、热处理及 表面涂层技术中也作了一些研究，许多都取得了正的效应，但稀土元素在这些热 工艺过程中及制件中所超的作用机理有待进一步开发研究4稀土在航空材料上的应用展望由于稀土金属的原子半径大，极易失掉最外层2个s电子和次层的5d 一个 电子或4f的一个电子，而成三价离子因此稀土金属在化学反应中异常活泼， 极易与其它物质反应又由于稀土元素具有电子未完全充满4『层的特性，而引 导出各种磁、电和光的特性效应以及其它特殊性能稀土元素的这些有吸引力的 性能及广阔的潜在用途，引起了航空材料科学家的极大重视及广泛的研究，近期 的研究重点：4. 1稀土陶瓷材料稀土材料在高推比航空发动机上的应用出现新进展近年来中航总公司开展 了稀土在结构陶瓷方面的应用研究氮化硅陶瓷具有高温下强度高、抗热震性能 好、高温蠕变小等优良的性能，是一种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遵循着液相烧结机理，需加入一些氧化物添加剂与 SiN,颗粒表面的出Si层反应，生成液相以促进烧结引入AI2O3,、MgO等 氧化物为烧结助剂后，氮化硅陶瓷的断裂韧性和强度并不高，但引人稀土氧化物 Y2O3艮卩Y2O3 — AI2O3，或Y2O3 — Mg0为烧结助剂，氮化硅陶瓷的常温断裂韧性和强 度得到明显的改善，但髙温性能并不好。
近年来的研究发现以稀土氧化物Y2O3 和La203为添加剂，材料的力学性能大幅度提高，。