稀土永磁材料在国防军工领域的应用*

宋新昌 周 鹰 杨 云

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所国防科技工业弱磁一级计量站 宜昌 443003)



稀土永磁材料在国防军工领域的应用*

宋新昌 周 鹰 杨 云

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所国防科技工业弱磁一级计量站 宜昌 443003)

介绍了稀土永磁材料的特点、新的制备工艺以及该材料在国防军工领域的应用。

稀土永磁; 钕铁硼; 电机

Class Number E835

1 引言

稀土永磁材料作为一种重要的功能材料,由于其较高的磁性能使得高新技术产业中的磁器件高效化、小型化、轻型化成为可能,该材料已广泛应用于航空、航天、航海、兵器等国防军工领域及仪器仪表、能源交通、医疗设备、电子通讯等军用和民用领域,相信随着稀土永磁应用领域的扩展,定会迎来一个稀土永磁高新技术应用的新时代。

2 稀土永磁的特点

稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成的合金经一定的工艺制成的永磁材料,作为一种重要的功能材料,具有以下几方面的优点[1]:

1) 高的磁特性:具有很高的剩磁、磁能积和矫顽力,目前普遍采用的烧结钴基稀土永磁体的剩磁感应强度可达1.2T,接近铝镍钴永磁体的最高水平,而其矫顽力可做到800kA/m,约为永磁铁氧体的三倍。

2) 直线退磁特性:它们的退磁曲线基本为直线,恢复线与退磁曲线相重合,可逆磁导率接近于1.0。

3) 耐温高:烧结钴基稀土永磁体的局部温度可达850℃,因此可适应高温环境工作,钴基稀土永磁体的工作温度可达300℃。

4) 温度稳定性好:钴基稀土永磁体的剩磁可逆温度系数可做到0.03%,其水平接近铝镍钴永磁体。

3 稀土永磁材料的制备工艺

作为第三代稀土永磁材料的钕铁硼自1983年由日本和美国学者发明以来,发展可谓日新月异。从晶体结构、微观组织、磁畴形态、反磁化机制到内外禀磁性和制备工艺等方面人们都进行了广泛深入的研究[2～3]。

传统烧结方法制备烧结Nd-Fe-B稀土永磁材料采用粉末冶金方法制造,其工艺的基本流程如下:原材料准备→冶炼→铸锭→破碎与制粉→磁场取向与压型→烧结→回火→机加工与表面处理→检测。

现阶段,使用传统的制备工艺,产业化的Nd-Fe-B磁体磁能积可达50MGOe的水平,实验室可达到的56.7MGOe的水平,这与烧结Nd-Fe-B的磁能积(BH)max理论值(64.0MGOe)存在一定的差距,由于市场对高性能Nd-Fe-B的需求越来越大,使得人们在进一步提高钕铁硼磁体磁性能方面的努力一直没有停止,体现在一些新工艺的开发上。目前广泛应用的先进工艺有[4]:

1) 双相合金法技术

生产烧结Nd-Fe-B系永磁材料大部分是用单合金法。近期发展了一种新的制造烧结Nd-Fe-B永磁材料的方法,即双相合金法[5～6]。它与单合金法的主要区别在于:分别冶炼两种母合金锭。其中主合金的成分与Nd2Fe14B成分十分接近;辅合金是富稀土(R=Nd、Pr、Dy、Tb…)的,并含有Co、Al、Cu、Ga、V、Ti等一种或两种以上的元素,辅合金实际上是晶界相。两种合金锭分别粗破碎到约200μm,然后按一定的比例混合,后面的工序与单相法相同。双相合金法的主要优点是:(1)相同成分的材料,用双相合金法比单合金法的磁性能高。(2)双相合金法制造的烧结永磁体粉末具有较好的抗腐蚀能力。(3)若生产环境相同,双相合金法生产的烧结磁体最终氧含量比单合金法的低。

2) 近快速凝固鳞片铸锭技术

它是由感应熔炼坩埚、中间包、旋转冷却辊、转动冷却容器组装在一个大的真空容器内,外部与真空机组系统和中频电源连接。它主要是利用以一定的流速和流量将合金液喷射到以一定速度旋转的冷却辊表面上,它将熔体拉伸形成一定厚度的近快速凝固厚带或鳞片铸锭(Strip Casting,SC),并将厚带铸锭送入转动的冷却容器中,使它冷却到一定的温度,以避免它们之间的粘连,通过合理选择旋转辊的材质和冷却能力来控制SC的显微结构,使SC内不存在α-Fe,不存在团块状的富Nd相,不存在细小的等轴晶或非晶区,从而使SC具有可制造高性能烧结FeNdB所要求的显微结构[7]。

3) 氢破碎(HD)+气流磨(JM)制粉

在一定温度与氢气压力的条件下,氢与许多金属或金属间化合物反应是可逆的。将具有新鲜表面Nd-Fe-B系合金铸锭装入不锈钢容器中,在特定温度,反应生成金属氢化物,氢化时形成氢化物的局部区域产生体积膨胀和内应力,当内应力超过Nd2Fel4B化合物的断裂强度时,就产生爆裂,称为氢爆。经氢破碎(HD)后,添加添加剂与HD粉均匀混合,一起进行气流磨(JM)。添加剂起下列作用:防止粉末颗粒与空气接触,起防氧化作用;减弱粉末颗粒之间的静磁作用,减少粉末颗粒之间的团聚,起分散剂的作用;增加粉末颗粒的流动性与移动性,起润滑剂的作用;有利于粉末颗粒在磁场中的取向,可提高取向度;其Br可提高0.02T～0.04T,其磁能积(BH)max也可相应提高。

4) 橡皮模等静压

橡皮模等静压(Rubber Isotropic Presser)工艺是利用橡皮形状可变而体积不变的特性,以橡皮作为压制介质,由于压制过程中收缩是各向同性的,因此能很好地保持粉末的取向度。橡皮模压工艺的优点是:这种方法是从各个方向均匀压制,与采用金属模的单轴压制相比,可使压制位移量减至1/3,进而可防止由金属模壁摩擦造成的取向破坏,可获得较高的取向度和剩磁。

5) 一步成型工艺

一步成型工艺,可使压坯的密度高达5.59/cm3,由于压坯的密度显著提高,烧结过程中坯体的收缩完全,烧结后磁体的密度随之增高。一步成型工艺还可免除等静压、线切割、打孔等工序,从而使生产成本大为降低。据估计,由于原材料的节省和加工工序的简化,生产成本可降低40%～50%。

4 稀土永磁材料在国防军工上的应用

4.1 稀土永磁在兵器行业的应用

“爱国者”导弹能比较轻易击毁“飞毛腿”导弹的原因在于“爱国者”导弹精确制导系统的出色工作,其制导系统中使用了大约4公斤的钐钴磁体和钕铁硼磁体用于电子束聚焦[8]。

4.2 稀土永磁在航空方面的应用

F-22战机可以超音速巡航,是因为其强大的发动机及轻而坚固的机身所赐,而F-22战斗机上的发动机所使用的磁体正是稀土永磁材料[9]。

4.3 稀土永磁在野战化方面的应用

如今,我国军方采用稀土永磁发电技术制造出适用于我军车辆化野营装备的1.5kW的超静音电机,比传统发电机的效率提高了许多,重量减轻了30%,较好地满足了安全可靠、低噪音的野战化需求。

4.4 稀土永磁在航天方面的应用

多年来,长征系列运载火箭、“神州”系列、“嫦娥一号”、“嫦娥二号”、“天宫一号”的成功发射与采用高性能的钐钴永磁材料是密不可分的。在2012年6月发射升空的“神州九号”上[10](图1),更是使用了大量的稀土永磁材料,具体表现在:

图1 神州九号与天宫一号示意图

1) 运载火箭系统[11]

包头稀土院研制的导航系统关键部件(钐钴永磁材料)应用到长征3号甲运载火箭上。

2) 卫星天线展开机构系统

随着卫星通信技术的发展,出现了各种类型的展开式天线(固体镜面展开天线、网状镜面展开天线、环形天线等)。当卫星进入预定轨道后,天线都要展开,以实现通讯功能,其作用非常关键。电动展开机构一般由稀土永磁直流电动机和传动机构组成,稀土永磁直流电动机具有过载能力大、抵御去磁能力强、换向优越、可靠性高、控制便利及系统简单等特点。

3) 用户终端驱动系统

用户终端的驱动方面由具有超长寿命、高可靠性、低功耗的稀土永磁步进电机执行。

4) 卫星天线伺服跟踪系统

载人飞船之间以及它们与地面指挥接收系统之间的通讯愈来愈重要,它是实现系统及卫星(飞船)监控、获取信息和捕捉目标的重要途径,要实现航天飞行器间实时数据指令传输,发射及接收装置需要始终对目标进行精确定位与跟踪:由于航天飞行器之间距离遥远,相对移动速度极低,为保证指令及数据通讯的连续性和准确性,必须对目标进行不间断的高精度超低速智能化伺服跟踪。执行元件为正弦波无槽稀土永磁无刷电机。

5) 扫描及成像系统

扫描及成像驱动机构由稀土永磁无刷直流电机或步进电机及传动机构组成,实现相机或扫描仪的位置反馈及驱动控制。

6) 姿态控制系统

航天器在轨道上运动时或其特定设备进行伺服运动时,往往产生反作用力矩,会对航天器的姿态会产生扰动。为了保持航大器的正常工作,需要进行姿态控制,反作用飞轮是航天器姿态控制的常用机构,以补偿卫星产生的动量不平衡。其执行元件采用高速稀土永磁外转子无刷直流电机。

7) 太阳能帆板驱动系统

该装置采用高定位的力矩步进电机,使太阳能电池板始终面向太阳,以保证飞船得到所需的能源,在太阳能电池板定位后,电机断电依靠其自定位力矩锁定太阳能电池板的位置。

8) 温控阀调节驱动系统

该装置也采用了步进电机,用于飞行舱的环境控制系统,为宇航员提供安全、舒适的工作环境。天线程序跟踪伺服系统实现星、地和星、船之间通信的数据准确采集和传输。通信天线由混合式步进电机驱动,天线位置检测采用高精度旋转变压器,系统采用高速微处理器实现高精度位置闭环控制,可实现很高的跟踪精度。

9) 航天器交会对接机构

从对接机构接触开始,经过捕获、缓冲、拉回、锁紧四个步骤,“神舟九号”飞船与“天宫一号”目标飞器连接,形成组合体交会对接技术是载人航天领域的几大关键技术之一,意义重大。空间对接机构对载人飞船、空间站、空间试验室的正常工作起到关键性的作用。空间对接机构上使用的电机较多,电机的正常工作关系到对接机构运行的可靠性和平稳性,关系到飞船运行的安全性,因而电机的可靠性和性能非常关键。对接过程为有时间要求的变负载过程,对接机构由三种稀土永磁电机进行驱动,包括两种特种直流电机和一种模块化驱动的无刷直流电动机。为了保证飞船交会对接的平稳性和可靠性,采用电磁阻尼器吸收对接时释放的能量,减缓系统的碰撞作用。它的正常工作关系到交会对接的可靠进行,是对接机构的关键性部件。

10) 火箭燃料阀的控制

该装置采用了稀土永磁混合式步进电机,火箭的飞行姿态由火箭游动发动机所决定,而游动发动机的方向控制是由大功率的稀土永磁直流电机实现的。从火箭发射到起飞后一段时间内,火箭发射飞行的可视化是指挥决策非常重要的一部分,由于火箭升空高度不够,位于雷达盲区,尤其在发射出现故障(如飞行出现较大偏差等)的情况下,外测系统很难捕获月标,致使指挥控制人员无法得到火箭飞行数据,做出正确的判断和指挥。所以在起飞初始阶段,采用基于图像的自动跟踪系统来跟踪火箭有着十分重要的意义。在基于图像的自动跟踪系统中,根据图像识别处理子系统得到的目标图像与监视器中心位置的误差,控制云台运动方向,实现对火箭的实时跟踪,而云台控制系统实际上就是一个运动控制系统,其执行电机一般采用高性能的步进电机。

5 结语

本文介绍了稀土永磁的特点和制备工艺,并详细介绍了稀土永磁产品在国防军工方面的应用,各国政府为了提高自己的军事科技水平,定会投入大量的精力去研究、开发更高性能的稀土永磁产品,随着稀土永磁材料制备工艺水平的提升及新的稀土永磁产品的问世,在国防领域方面将会促使其产品的质量和性能大幅度提高。

[1] 金钊,敖卫东,张志铁,等.稀土永磁材料的发展与研究[C]//2009年中国电机工程学会年会,2009:89-94.

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[3] 张深根,于敦波,应启明,等.高性能烧结NdFeB生产关键技术研究[J].金属功能材料,2001,8(2):12-18.

[4] 张巧格.高性能烧结Nd-Fe-B成分设计及工艺的研究[D].河北:河北工业大学,2007:24-26.

[5] OTSUKI E,OTSUKA T,IMAI T.Processing and Magnetic properties of sintered Nd-Fe-B Magnets[C]//Proc.11thInt.workshop on Rare Earth Magnets and Their Applications,1990:328-331.

[6] HONSHIMA M,OHASHI K.High energy Nd-Fe-B magnets and their applications[J].Journal of Material Engineering and Performance,1994,3(2):218-222.

[7] 陈亮.放电等离子体烧结以及晶界添加物对NdFeB磁体显微组织和性能的影响[D].上海:上海交通大学,2007:42-48.

[8] 中国选矿技术网.稀土的军事用途[EB/OL].[2010-09-28].http://wenku.baidu.com/view/757e09a0284ac850ad0242bf.html.

[9] 徐惠明.永磁电机的发展[J].船电技术,2002(2):19-21.

[10] 稀土在神州飞船载人航天系统工程上的应用[EB/OL].http://guba.eastmoney.com/look,600111,1015857828.html.

[11] 李学工.包钢稀土永磁产品助力神九飞天[EB/OL].[2012-06-19].http://www.baotounews.com.cn/epaper/btwb/html/2012-06/19/content_198403.htm.

Application of Rear-earth the Permanent Magnetic Materials in The National Defence

SONG Xinchang ZHOU Ying YANG Yun

(1st Class Weak Magnetic Metering Station of NDM,No.710 Research Institute,CSIC,Yichang 443003)

The characteristics of the rare earth permanent magnetic material,it is new preparation process and the application of the materials in the field of national defense are introduced.

rear-earth permanent magnetic material,Nd-Fe-B,motor

2014年8月8日,

2014年9月27日

宋新昌,男,硕士,工程师,研究方向:磁学工程。

E835

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.007