Ứng dụng hợp kim magiê trong ngành hàng không vũ trụ

Cách mạng giảm trọng lượng: Từ đệm vệ tinh lớp Gram đến vỏ tên lửa lớp tấn

I. Tại sao phải dùng Magnesium?

Với mật độ 1,74 g/cm3, chỉ bằng 1/4 của thép và 2/3 của nhôm, magiê có độ bền đặc hơn 30% so với hợp kim nhôm.đặc tính giảm rung cao hơn so với hợp kim titanKhi các nhà sản xuất máy bay đo chi phí bằng gram, hợp kim magiê trở thành sự lựa chọn tự nhiên:Giảm trọng lượng máy bay chiến đấu 15% có thể rút ngắn khoảng cách bay bay của nó 15% và tăng phạm vi của nó 20%; cho mỗi 1 kg trọng lượng tiết kiệm trong cấu trúc vệ tinh, phương tiện phóng có thể mang theo 50 kg nhiên liệu đẩy ít hơn, và các cấu trúc hỗ trợ mặt đất có thể tiết kiệm thêm 100 kg.

II. Lịch sử ứng dụng: Một con đường đá, nhưng bắt đầu lại

Năm 1920, hợp kim magiê được sử dụng trong khung của Zeppelins Đức; trong Chiến tranh Lạnh, Hoa Kỳ và Liên Xô đã sử dụng hợp kim magiê rộng rãi trong máy bay ném bom và vỏ tên lửa,nhưng thời gian phục vụ ngắn của chúng và các vấn đề ăn mòn đã bị lu mờ bởi nhu cầu thời chiếnTrong những năm 1970 và 1980, hợp kim nhôm trở nên nổi bật, gây ra sự suy giảm mạnh mẽ trong việc sử dụng hợp kim magiê.nhu cầu giảm trọng lượng ô tô đã thúc đẩy những đột phá công nghệ, oxy hóa vòng cung vi mô, và lớp phủ hóa học đã dần trưởng thành, thúc đẩy ngành công nghiệp hàng không vũ trụ chuyển sự chú ý trở lại các hợp kim magiê, mở ra một mùa xuân thứ hai. "

III. Sự hiện diện của magiê trên bầu trời ngày nay

1. Máy bay cánh cố định

• C919 sử dụng hợp kim magiê ZK60 cho khung ghế, giảm trọng lượng 18 kg cho mỗi máy bay và tiết kiệm 35.000 lít nhiên liệu mỗi năm;
• Boeing 787 sử dụng hợp kim đất hiếm magiê Elektron®43 rộng rãi cho các vạch ngang cabin và các hỗn hợp thiết bị điện tử, thay thế các bộ phận hợp kim titan và giảm trọng lượng 25%.

2- Máy trực thăng.

Chiếc trực thăng thế hệ mới "King of the Plateaus" sử dụng khung chịu tải chính bằng hợp kim magiê Mg-Gd-Y-Zn-Zr,giảm trọng lượng 18% so với hợp kim nhôm ban đầu và tăng trần hành trình 300 m.

3. Tên lửa và máy bay không người lái

• Tên lửa Taurus KEPD-350 của Đức sử dụng 100 kg hợp kim magiê (GW83, ZK61) trên toàn bộ tên lửa cho khung củng cố và bề mặt điều khiển,với phạm vi 350 km và số Mach là 0.9;
• Vỏ của một tên lửa nhẹ cỡ 145mm sử dụng ống xát bằng hợp kim magiê liền mạch,giảm trọng lượng 30% so với vỏ nhôm của cùng một thông số kỹ thuật và tăng phạm vi 12%.

4. vệ tinh và tàu vũ trụ

• Bộ phận điện tử của nhiệm vụ Chang'e-3 sử dụng các tấm hợp kim magiê nguyên khối, giảm trọng lượng 13 kg và tích hợp điều khiển nhiệt, dẫn điện,và chống ăn mòn thông qua oxy hóa vòng cung vi mô;
• Một vệ tinh viễn thám được phóng vào năm 2022 kết hợp các hỗn hợp magiê-lithium, các thành phần nhúng và các thiết bị phân cách vệ tinh trong sản xuất hàng loạt,giảm tổng trọng lượng của vệ tinh 8% và tăng trực tiếp tải trọng 15 kg.

IV. Công nghệ chính: Đảm bảo bay đáng tin cậy của magiê

1. Nâng cấp hợp kim

Các hợp kim Mg-RE (đất hiếm) duy trì độ bền lún 200 MPa ở nhiệt độ 300 °C; hợp kim Mg-Li có mật độ giảm xuống còn 1,5 g/cm3 và mô-đun đàn hồi tăng 20%,làm cho chúng đặc biệt phù hợp cho các bracket quang học không gian.

2. Sự ăn mòn và bảo vệ

Một oxy hóa vòng cung vi mô + lớp phủ hợp chất Ni-P-graphene điện hóa học đạt tuổi thọ phun muối là 1.000 giờ với mất dẫn nhiệt < 5%,giải quyết các thách thức về ăn mòn và kiểm soát nhiệt trong suốt cuộc đời 15 năm của vệ tinh.

3. Xây dựng và gia nhập

• Việc tạo hình bán rắn hỗ trợ chân không (Thixomolding) cho phép sản xuất các vỏ phức tạp, có tường mỏng chỉ mỏng 0,5 mm, với tỷ lệ sản xuất vượt qua đầu tiên là 95%;
• Xương hàn bằng laser vượt qua thách thức của các khớp magiê-thép khác nhau, tăng gấp ba tuổi thọ mệt mỏi và được sử dụng trong các đệm gắn động cơ.

V. Con đường của Trung Quốc: Từ một quốc gia giàu tài nguyên đến một cường quốc hàng không vũ trụ

Trung Quốc đứng đầu thế giới về cả trữ lượng và sản xuất magiê.Viện nghiên cứu vật liệu mới Changsha của Tập đoàn Khoa học và Công nghiệp Hàng không và Vũ trụ Trung Quốc, và đội ngũ Đại học Jiao Tong Thượng Hải đã thiết lập một chuỗi tích hợp bao gồm: thiết kế hợp kim tối ưu hóa quy trình xử lý bề mặt xác minh trên tàu:

• Việc sử dụng hợp kim magiê trong các ứng dụng hàng không vũ trụ được dự đoán sẽ đạt khoảng 20.000 tấn vào năm 2024, với kế hoạch vượt quá 50.000 tấn vào năm 2030;
• Chương trình nghiên cứu và phát triển quốc gia dành 300 triệu nhân dân tệ mỗi năm,tập trung vào các thành phần "đối nghẽn" như các phần mô-đun hợp kim magiê lớn lớp 20 tấn và bể nhiên liệu tên lửa tái sử dụng.

VI. Khả năng tương lai

Tàu phóng có thể sử dụng nhiều lần, máy bay siêu thanh và di chuyển trên không đô thị eVTOL sẽ đẩy hợp kim magiê lên tầm cao mới:

• Sản xuất phụ gia (WAAM) in các bề mặt kiểm soát hợp kim magiê nguyên khối lớp 1 mét với tốc độ 1,5 kg/h, đạt được giảm 35% trọng lượng;
• Thiết kế hợp kim dựa trên AI sẽ thu hẹp chu kỳ phát triển cho các loại mới từ 3 năm xuống còn 6 tháng;
• Công nghệ tái chế vòng kín xanh làm giảm lượng khí thải carbon của magiê tái chế xuống < 2 kg CO2/kg, phù hợp với các mục tiêu trung lập carbon.

Từ các thiết bị gắn vệ tinh ở mức gram đến vỏ tên lửa lớp tấn, hợp kim magiê đang chứng minh mình là "kim loại nhẹ nhất"