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铝应用 | 铝合金材料助力中国航天发展

2022-08-15 09:52:12 来源:中国有色金属报
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简介:2022年7月24日14时22分,中国搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭在海南省文昌航天发射场准时点火发射,约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。十年弹指一挥间,中国已成为航天器发射火箭大国与强国。​
2022年7月24日14时22分,中国搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭在海南省文昌航天发射场准时点火发射,约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。十年弹指一挥间,中国已成为航天器发射火箭大国与强国。
这是中国载人航天工程立项实施以来第24次飞行任务,发射的问天实验舱是中国空间站首个科学实验舱,由工作舱、气闸舱和资源舱组成,起飞质量约23吨,主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展空间科学实验。
长征五号B这次“零窗口”发射的问天实验舱是中国开展航天事业以来最大与最重的“大块头”,舱体总长17.9米,直径4.2米,发射质量23吨,和北京地铁13号线列车的一节车厢质量相当,是世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。
在问天实验舱用的金属材料中,按质量估算,铝合金材料第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛占75%以上。在火箭用的金属材料中,除用了少量的钛合金与金属基复合材料外,其它的材料都是铝合金,据估算,火箭用的铝合金约占金属结构总净质量的95%。
没有铝材就没有今天这样兴旺的火箭产业
中国已成为全球航天大国与初级强国。其间,中国铝业集团东北轻合金有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、西北铝加工有限公司(以下分别简称东轻、西南铝、西北铝)生产的铝材在火箭发射奔向太空和航天器翱翔太空进程中,如果没有铝合金结构件就不会那样轰地飞上天,与太空圆满地进行科学实验。例如,储存燃料——液氢与液氧的贮罐,国外所有国家,无论是日本、美国、俄罗斯,还是欧盟,都是用2219型铝合金厚板焊接的,将这些贮罐(箱)捆在一起的圆环件和异形环件,也都是用2219型铝合金锻压的。
中国在制造火箭贮罐(箱)、环件、贮罐上下堵帽领域居世界先进水平,所用的铝合金厚板是西南铝或东轻制造的,环件也是他们提供的,环件除用锻压工艺(也可以称轧制)制造外,也可以用尖端技术——3D打印工艺制造,环件可以是较为简单的圆形截面,也可以是相当复杂的异形截面。
4月中旬,重庆市科技局委托重庆生产力中心组织专家组,对西南铝业承担的“技术创新与应用发展(重点研发产业类)”项目“大型高性能铝合金异形环件开发及产业化”进行了验收,并顺利通过。对该项目主要开展了合金改性设计,铸锭铸造与开坯、环件轧制、热处理、冷变形技术研究,以实现大型复杂异形截面环件的成形性一体化控制,突破了此种首创环件轧制成形一体化控制,以及大型复杂异形截面环件轧制成形仿真模拟技术、制坯工艺技术、组织均匀化控制技术和残余应力控制技术,实现批量化生产与供货,经济效益和社会效益显著,开发的异形环锻件满足了国家重大工程要求。西南铝该项目的成功实施,为铝合金大型异形环件轧制提供了坚实的理论基础和实践经验,填补了国内空白,达到了国内领先、国际先进水平。
2219铝合金绝好的燃料与助燃剂箱材料
中国航天科技集团一院是运载火箭的摇篮,最新的长征五号运载火箭就是他们的新作。在太空开发初期,美国采用2014合金(相当于中国的LD合金),它有良好的成形性,可以加工成火箭需要的种种材料,如厚板、挤压材和锻件。后来,由于自动焊接技术的问世与成熟改用2219铝合金(相当于中国的LY16)。现在不论哪个国家,火箭的液体燃料(液氢)与助燃剂箱(液氧)都是用2219合金焊接的,因为它有铝合金一系列的通用优点外,还有极好的低温性能,它的各项性能均随着温度的下降而同步上升,而且它还是一种耐热合金,即使工作温度高达300℃,仍具有相当高的强度性能,这是非常难能可贵的性能,从而成为一种长盛不衰的火箭与航天器铝合金。
2219合金是一种相当老的铝合金,问世于上世纪30年代中期,是美国铝业公司匹兹堡(Pittsburgh)研究中心发明的,1954年在美国铝业协会注册,现在已发展成为有4个成员的家族,可以加工成各种各样的半成品,材料状态有O、T42、T31、T351、T37、T62、T81、T851、T87。原2019合金及2119合金均被淘汰。
2219-T62合金是一类Al-Cu-Mn-Ti-V-Zr系合金,铜是最主要的合金化元素,向Al中加Cu的主要目的是提高强度,低温强度的增加是靠热处理,而高温强度的增加则是通过Cu与Mn、Ti、V、Zr等形成的化合物,这些化合物都有细化晶粒、组织和改善合金性能作用。Cu降低Al的电极电位,也降低它的抗蚀性,Al-Cu合金在退火状态即O状态合金有严重的点蚀倾向,而时效硬化后,对晶界腐蚀或应力腐蚀敏感。Al-Cu合金熔体内有铜原子偏聚团,其直径为(40~100)×10-10m。铝端的共晶反应:熔体——Al+Al2Cu,820K,33.2%Cu。Al2Cu通常被称为θ相,是在53.3%Cu与864K时直接从熔体内结晶出来的四方晶系,单位晶细胞中有12个原子。
在铝合金中,2219合金是密度最大的,也是火箭铝合金中密度最大的。火箭结构主要铝合金的密度:2219合金为2.84g/cm3,7075合金为2.80g/cm3,2014合金为2.80g/cm3。
火箭铝合金的其它物理性能:20℃~100℃的平均热胀系数,2219合金为22.5μm/(m·k),2014合金为22.5μm/(m·k),7075合金为23.4μm/(m·k);熔化温度:2219合金液相线温度643℃、固相线温度543℃,2014合金的熔化温度范围507℃~638℃,7075合金未经均匀化处理铸锭或未经固溶处理加工材的共晶温度477℃~635℃,经过均匀化处理的铸锭和经过固溶处理加工材料的初熔温度532℃;比热容,2219合金为864J/(kg·k)、7075合金为960J/(kg·k)。

2219合金的可切削性能良好,在铝合金第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛中是最好的,O状态材料的稍差一些;有较好的可焊性能,但所有状态的材料都不能钎焊,O状态材料不能气焊,点焊、滚焊也不易,其它状态的都可以气焊、点焊、滚焊、氩弧焊。2219合金工件互相联接时,采用2319合金作填充金属更好些,对焊缝强度、塑性、抗蚀性更为有利,与其它材料焊接时,宜采用4043合金作焊丝,以减少焊接裂纹,2219合金虽可以焊接,但焊缝的抗蚀性低。

2219合金由于含Cu量高,抗蚀性能不好,比2024合金的还差,不能在无保护条件下使用。不过每枚火箭从工厂制造完毕到发射时间很短,抗蚀性差对发射没有什么不好。用于其它场合时,板材可以包铝,宜采用含少量锌的包覆材料,但由于基体含铜量高,易扩散,因此保护作用有所下降,还不如2024合金的。T4状态挤压材料有应力腐蚀开裂倾向。焊缝过渡区的抗蚀性也很低,因此必须进行阳极氧化处理或涂漆保护。

2014合金属Al-Mg-Si-Cu系,除Mn、Si含量稍高以外,其它成分与2017合金的相同。该合金的特点是:强度高,与2024合金相当,但铸锭的热裂倾向比2024合金小,有较好的热塑性,并有较好的耐热性和更好的可焊性;不足之处是,材料纵横向性能有较大差异,人工时效状态有晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向,在火箭和航天器结构中用于制造焊接件,从强度、抗焊接裂纹性能和抗应力腐蚀开裂性能等方面考虑,它还是一种不错的火箭铝合金。
2014合金的主要相组成物:α(Al)、Mg2Si、θ(Al2Cu)、S(Al2CuMg)、W(Al4Cu4Mg5Si4),杂质相Al5(FeMnSi)等。Mg和Si形成主要强化相Mg2Si,Cu的主要作用是形成θ、S、W相,起补充强化作用,同时可抑制Al-Mg-Si系合金的停放效应。铜还能改善热加工性能,抑制挤压效应,降低合金中锰引起的各向异性。锰能细化再结晶晶粒,扩大淬火加热温度上限,从而增加合金元素的固溶度,提高时效强化效果。钛可细化铸造组织,铁可防止淬火加热时再结晶晶粒长大,但超过0.8%时会出现粗大的Al6(FeMn)相,降低合金塑性。锌是杂质,应予控制。
2014合金的可切削性能良好,但O状态的稍差一些,其它状态的可以干切削,若要求高表面品质,可用煤油或煤油-猪油各50%的混合油作切削液。该合金不能气焊和钎焊,可以氢弧焊和点焊。通常采用自身材料或2017合金作填充金属,焊缝强度可通过重新热处理得到改善,采用焊接前同样的热处理工艺,焊接横向的抗拉强度可达到基体的80%左右,塑性降低更多些。2014合金易产生焊接裂纹,若采用LT1焊条,可以减少裂纹倾向。由于该合金强度高又耐热,且无低温脆性,可用其板材焊接大型火箭燃料箱。
由于2014合金的铜含量高,抗蚀性不好,且有晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向,但与热处理状态和工件断面厚度有关,淬火自然状态有较高的抗蚀性,薄断面工件的抗蚀性比厚断面的好。因为工件断面厚,淬火时得不到快速冷却,对第二相析出不利。
2014合金的熔炼温度700℃~750℃,铸造温度700℃~730℃,均匀化退火温度495℃,挤压温度380℃~450℃,锻造温度380℃~480℃,退火温度470℃,固熔处理温度502℃±3℃,过烧温度515℃。时效规范:自然时效10d以上,人工时效160℃±5℃,10h,但锻件为170℃±5℃,10h。
7075合金为Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金,其特点是:强度高、热处理强化效果好、退火和新淬火状态下塑性中等,与硬铝不同的是,人工时效状态下的抗蚀性比自然时效材料的好,且自然时效进程缓慢,须经过3个月才能达到时效硬化峰值,所以都在人工时效状态使用,其缺点是组织稳定性不高,低频疲劳强度低,有应力腐蚀开裂倾向。
它的主要相组成:α(Al)、η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2MgCu),可能的杂质相有Mg2Si、Al6(FeMn)、Al(FeMn)Si等。锌和镁形成主要强化相η、T,它们在铝中都有大的溶解度,因此热处理效果强。Al-Zn-Mg系合金强度随Zn、Mg含量增加而上升,但应力腐蚀敏感性也同步加大。加入Cu、Mn、Cr可以提高抗蚀性,Cr的作用最大,加入<0.3%的量就有显著效果,Mn的作用次之,但Mn和Cr又可以提高合金的淬火敏感性。Cu不仅能改善合金的抗蚀性,还能形成θ相,起补充强化作用,但对可焊性不利,Fe和Si为有害杂质,特别对断裂韧性不利。
淬火和时效状态或冷加工状态的7075合金有良好的可切削加工性,O状态材料的不好。应采用高速钢或硬质合金刀具,并有较大的前倾角,可以干切削,最好采用煤油或各占50%的煤油-猪油混合物作切削液。
7075合金焊接敏感性大,熔焊时易产生裂纹,焊缝的力学性能和抗应力腐蚀开裂性能也很差,即使进行热处理使强度性能大部分得到恢复,伸长率仍很低,因此不能熔焊,但采用强脉冲电流还是可以接触焊接。故常用铆接或胶接工艺连接。
7075合金一般抗蚀性尚好,但抗应力腐蚀开裂性能差。喷丸处理、包铝、分级时效、形变热处理等对降低应力腐蚀开裂倾向都有利。该合金的熔炼温度720℃~750℃,铸造温度715℃~730℃,热轧温度370℃~410℃,锻造温度380℃~450℃,挤压温度300℃~450℃,退火温度360℃~420℃,退火冷却速度≤30℃/h,缓冷至150℃后空冷。固溶处理温度470℃±5℃,淬火转移时间≤15s,否则过饱和固溶体易分解。淬火后的停留时间对以后的人工时效效果有影响,应在淬火后4h以内或48h以后人工时效,否则强度会下降。
因此,7075合金是应用最广的航空航天器铝合金第十届中国铝工业科学技术发展大会暨第三届国际铝工业高峰论坛之一。
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