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高强度镁合金应用取得巨大进步 使飞机机械强度减轻

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图1:KUMADAI急冷耐热镁合金的比屈服强度与断裂韧性值的关系(现有飞机用高强度铝合金与现有高强度镁合金的比较)
 
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图2:KUMADAI急冷耐热镁合金的制造流程
 
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图3:用于测量断裂韧性的CT试片(符合ASTM标准)
 
  日本熊本大学先进镁国际研究中心成功增强了KUMADAI镁合金的韧性,由此实现了“轻量、坚固、强韧的镁合金”,具有与以往的飞机用高强度铝合金不相上下的断裂韧性和最大可将重量减轻15%左右的机械强度,在飞机上的应用取得了巨大进步。
 
  镁金属是实用金属中最轻的,作为有助于减轻飞机和汽车等运输设备重量的新一代环保型轻量结构材料备受关注。尤其是2015年美国联邦航空管理局(FAA)解除了禁止商用飞机使用镁的禁令之后,飞机领域正积极推进了镁合金的研究开发。熊本大学先进镁国际研究中心开发出了同时具有高强度、高耐热性和阻燃性的“KUMADAI耐热镁合金”,并从基础和应用两方面推进了研究开发。KUMADAI耐热镁合金通过了FAA的镁燃烧测试,因此,作为飞机用结构材料备受关注。熊本大学与三菱重工业公司在日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的“新一代构造部材创制及加工技术开发”项目下共同推进了相关研究开发。
 
  飞机用结构材料除轻量性外,还要求具备足够的机械强度和抗裂性。也就是说,不仅是“强度”,还要具备即使受损也不容易断裂的“韧性”。一般来说,屈服强度越高的材料,表示韧性的断裂韧性越低,因此,被认为很难兼顾强度和断裂韧性。现有高强度镁合金的比屈服强度(表示轻量性和强度)比飞机用高强度铝合金低50%左右,断裂韧性值低10%左右,作为飞机结构材料使用还存在课题(图1)。
 
  另外,利用熊本大学自主开发的技术超急冷法(图2)制作的KUMADAI急冷耐热镁合金的比屈服强度虽然比现有飞机用高强度铝合金高50%以上,有望大幅减轻航空用结构部件的重量,但其断裂韧性与以往的镁合金一样低,还没达到飞机用高强度铝合金的断裂韧性下限值(图1)。
 
  此次,研究团队通过优化KUMADAI急冷耐热镁合金的制造流程条件和合金成分,实现了纳米组织控制(数百纳米的组织控制),成功提高了合金的韧性,同时实现了20.5MPa·m1/2的高断裂韧性值和220kNm/kg的高比屈服强度(图1)。
 
 

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