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鋁合金助中國成為航天大國與強國

來源:有色網      發布日期: 2023年04月15日
信息摘要:十年彈指一揮間,中國成為航天器發射火箭大國與強國。2022年7月24日14時22分,中國搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭在海南省文昌航天發射場準時點火發射,約495秒后,問天實驗艙與火箭成功分離,進入預定軌道,發射取得圓滿成功。

十年彈指一揮間,中國成為航天器發射火箭大國與強國。20227241422分,中國搭載問天實驗艙的長征五號B遙三運載火箭在海南省文昌航天發射場準時點火發射,約495秒后,問天實驗艙與火箭成功分離,進入預定軌道,發射取得圓滿成功。

這是中國載人航天工程立項實施以來第24次飛行任務,發射的問天實驗艙是中國空間站第一個科學實驗艙,由工作艙、氣閘艙和資源艙組成,起飛質量約23噸,主要用于支持航天員駐留、出艙活動和開展空間科學實驗。

長征五號B這次零窗口發射的問天實驗艙是中國開展航天事業以來很大與最重的大塊頭,艙體總長17.9米,直徑4.2米,發射質量23噸,和北京地鐵13號線列車的一節車廂質量相當,是世界現役在軌最重的單艙主動飛行器。

在問天實驗艙用的金屬材料中,按質量估算,鋁合金材料占75%以上。在火箭用的金屬材料中,除用了少量的鈦合金與金屬基復合材料外,其它的材料都是鋁合金,據估算,火箭用的鋁合金約占金屬結構總凈質量的95%。

沒有鋁材就沒有今天這樣興旺的火箭產業

中國已成為全球航天大國與初級強國。其間,中國鋁業集團東北輕合金有限責任公司、西南鋁業(集團)有限責任公司、西北鋁加工有限公司(以下分別簡稱東輕、西南鋁、西北鋁)生產的鋁材在火箭發射奔向太空和航天器翱翔太空進程中,如果沒有鋁合金結構件就不會那樣轟地飛上天,與太空圓滿地進行科學實驗。例如,儲存燃料——液氫與液氧的貯罐,國外所有國,無論是日本、美國、俄羅斯,還是歐盟,都是用2219型鋁合金厚板焊接的,將這些貯罐(箱)捆在一起的圓環件和異形環件,也都是用2219型鋁合金鍛壓的。

中國在制造火箭貯罐(箱)、環件、貯罐上下堵帽領域居世界水平,所用的鋁合金厚板是西南鋁或東輕制造的,環件也是他們提供的,環件除用鍛壓工藝(也可以稱軋制)制造外,也可以用技術——3D打印工藝制造,環件可以是較為簡單的圓形截面,也可以是相當復雜的異形截面。

4月中旬,重慶市科技局委托重慶生產力中心組織人員組,對西南鋁業承擔的技術創新與應用發展(重點研發產業類)項目大型高性能鋁合金異形環件開發及產業化進行了驗收,并順利通過。對該項目主要開展了合金改性設計,鑄錠鑄造與開坯、環件軋制、熱處理、冷變形技術研究,以實現大型復雜異形截面環件的成形性一體化控制,突破了此種首創環件軋制成形一體化控制,以及大型復雜異形截面環件軋制成形仿真模擬技術、制坯工藝技術、組織均勻化控制技術和殘余應力控制技術,實現批量化生產與供貨,經濟效益和社會效益顯著,開發的異形環鍛件滿足了國重大工程要求。西南鋁該項目的成功實施,為鋁合金大型異形環件軋制提供了堅實的理論基礎和實踐經驗,填補了國內空白,達到了國內、國際水平。

2219鋁合金絕好的燃料與助燃劑箱材料

中國航天科技集團一院是運載火箭的搖籃,最新的長征五號運載火箭就是他們的新作。在太空開發初期,美國采用2014合金(相當于中國的LD合金),它有良好的成形性,可以加工成火箭需要的種種材料,如厚板、擠壓材和鍛件。后來,由于自動焊接技術的問世與成熟改用2219鋁合金(相當于中國的LY16)?,F在不論哪個國,火箭的液體燃料(液氫)與助燃劑箱(液氧)都是用2219合金焊接的,因為它有鋁合金一系列的通用優點外,還有很好的低溫性能,它的各項性能均隨著溫度的下降而同步上升,而且它還是一種耐熱合金,即使工作溫度高達300℃,仍具有相當高的強度性能,這是非常難能可貴的性能,從而成為一種長盛不衰的火箭與航天器鋁合金。

2219合金是一種相當老的鋁合金,問世于上世紀30年代中期,是美國鋁業公司匹茲堡(Pittsburgh)研究中心發明的,1954年在美國鋁業協會注冊,現在已發展成為有4個成員的家族,可以加工成各種各樣的半成品,材料狀態有O、T42、T31、T351、T37、T62、T81、T851、T87。原2019合金及2119合金均被淘汰。

2219-T62合金是一類Al-Cu-Mn-Ti-V-Zr系合金,銅是最主要的合金化元素,向Al中加Cu的主要目的是提高強度,低溫強度的增加是靠熱處理,而高溫強度的增加則是通過CuMn、Ti、V、Zr等形成的化合物,這些化合物都有細化晶粒、組織和改善合金性能作用。Cu降低Al的電極電位,也降低它的抗蝕性,Al-Cu合金在退火狀態即O狀態合金有嚴重的點蝕傾向,而時效硬化后,對晶界腐蝕或應力腐蝕敏感。Al-Cu合金熔體內有銅原子偏聚團,其直徑為(40~100×10-10m。鋁端的共晶反應:熔體——Al+Al2Cu,820K,33.2%Cu。Al2Cu通常被稱為θ相,是在53.3%Cu864K時直接從熔體內結晶出來的四方晶系,單位晶細胞中有12個原子。

在鋁合金中,2219合金是密度很大的,也是火箭鋁合金中密度很大的?;鸺Y構主要鋁合金的密度:2219合金為2.84g/cm3,7075合金為2.80g/cm3,2014合金為2.80g/cm3。

火箭鋁合金的其它物理性能:20℃~100℃的平均熱脹系數,2219合金為22.5μm/m·k),2014合金為22.5μm/m·k),7075合金為23.4μm/m·k);熔化溫度:2219合金液相線溫度643℃、固相線溫度543℃,2014合金的熔化溫度范圍507℃~638℃,7075合金未經均勻化處理鑄錠或未經固溶處理加工材的共晶溫度477℃~635℃,經過均勻化處理的鑄錠和經過固溶處理加工材料的初熔溫度532℃;比熱容,2219合金為864J/kg·k)、7075合金為960J/kg·k)。

2219合金的可切削性能良好,在鋁合金中是很好的,O狀態材料的稍差一些;有較好的可焊性能,但所有狀態的材料都不能釬焊,O狀態材料不能氣焊,點焊、滾焊也不易,其它狀態的都可以氣焊、點焊、滾焊、氬弧焊。2219合金工件互相聯接時,采用2319合金作填充金屬更好些,對焊縫強度、塑性、抗蝕性更為有利,與其它材料焊接時,宜采用4043合金作焊絲,以減少焊接裂紋,2219合金雖可以焊接,但焊縫的抗蝕性低。

2219合金由于含Cu量高,抗蝕性能不好,比2024合金的還差,不能在無保護條件下使用。不過每枚火箭從工廠制造完畢到發射時間很短,抗蝕性差對發射沒有什么不好。用于其它場合時,板材可以包鋁,宜采用含少量鋅的包覆材料,但由于基體含銅量高,易擴散,因此保護作用有所下降,還不如2024合金的。T4狀態擠壓材料有應力腐蝕開裂傾向。焊縫過渡區的抗蝕性也很低,因此必須進行陽極氧化處理或涂漆保護。

2014合金屬Al-Mg-Si-Cu系,除Mn、Si含量稍高以外,其它成分與2017合金的相同。該合金的特點是:強度高,與2024合金相當,但鑄錠的熱裂傾向比2024合金小,有較好的熱塑性,并有較好的耐熱性和更好的可焊性;不足之處是,材料縱橫向性能有較大差異,人工時效狀態有晶間腐蝕和應力腐蝕開裂傾向,在火箭和航天器結構中用于制造焊接件,從強度、抗焊接裂紋性能和抗應力腐蝕開裂性能等方面考慮,它還是一種不錯的火箭鋁合金。

2014合金的主要相組成物:αAl)、Mg2Si、θAl2Cu)、SAl2CuMg)、WAl4Cu4Mg5Si4),雜質相Al5FeMnSi)等。MgSi形成主要強化相Mg2Si,Cu的主要作用是形成θ、S、W相,起補充強化作用,同時可Al-Mg-Si系合金的停放效應。銅還能改善熱加工性能,擠壓效應,降低合金中錳引起的各向異性。錳能細化再結晶晶粒,擴大淬火加熱溫度上限,從而增加合金元素的固溶度,提高時效強化效果。鈦可細化鑄造組織,鐵可防止淬火加熱時再結晶晶粒長大,但超過0.8%時會出現粗大的Al6FeMn)相,降低合金塑性。鋅是雜質,應予控制。

2014合金的可切削性能良好,但O狀態的稍差一些,其它狀態的可以干切削,若要求高表面品質,可用煤油或煤油-豬油各50%的混合油作切削液。該合金不能氣焊和釬焊,可以氫弧焊和點焊。通常采用自身材料或2017合金作填充金屬,焊縫強度可通過重新熱處理得到改善,采用焊接前同樣的熱處理工藝,焊接橫向的抗拉強度可達到基體的80%左右,塑性降低更多些。2014合金易產生焊接裂紋,若采用LT1焊條,可以減少裂紋傾向。由于該合金強度高又耐熱,且無低溫脆性,可用其板材焊接大型火箭燃料箱。

由于2014合金的銅含量高,抗蝕性不好,且有晶間腐蝕和應力腐蝕開裂傾向,但與熱處理狀態和工件斷面厚度有關,淬火自然狀態有較高的抗蝕性,薄斷面工件的抗蝕性比厚斷面的好。因為工件斷面厚,淬火時得不到快速冷卻,對第二相析出不利。

2014合金的熔煉溫度700℃~750℃,鑄造溫度700℃~730℃,均勻化退火溫度495℃,擠壓溫度380℃~450℃,鍛造溫度380℃~480℃,退火溫度470℃,固熔處理溫度502℃±3℃,過燒溫度515℃。時效規范:自然時效10d以上,人工時效160℃±5℃,10h,但鍛件為170℃±5℃,10h。

7075合金為Al-Zn-Mg-Cu系很高強度鋁合金,其特點是:強度高、熱處理強化效果好、退火和新淬火狀態下塑性中等,與硬鋁不同的是,人工時效狀態下的抗蝕性比自然時效材料的好,且自然時效進程緩慢,須經過3個月才能達到時效硬化峰值,所以都在人工時效狀態使用,其缺點是組織穩定性不高,低頻疲勞強度低,有應力腐蝕開裂傾向。

它的主要相組成:αAl)、ηMgZn2)、TAl2Mg3Zn3)、SAl2MgCu),可能的雜質相有Mg2Si、Al6FeMn)、AlFeMnSi等。鋅和鎂形成主要強化相η、T,它們在鋁中都有大的溶解度,因此熱處理效果強。Al-Zn-Mg系合金強度隨Zn、Mg含量增加而上升,但應力腐蝕敏感性也同步加大。加入Cu、Mn、Cr可以提高抗蝕性,Cr的作用很大,加入<0.3%的量就有顯著效果,Mn的作用次之,但MnCr又可以提高合金的淬火敏感性。Cu不僅能改善合金的抗蝕性,還能形成θ相,起補充強化作用,但對可焊性不利,FeSi為有害雜質,特別對斷裂韌性不利。

淬火和時效狀態或冷加工狀態的7075合金有良好的可切削加工性,O狀態材料的不好。應采用高速鋼或硬質合金刀具,并有較大的前傾角,可以干切削,很好采用煤油或各占50%的煤油-豬油混合物作切削液。

7075合金焊接敏感性大,熔焊時易產生裂紋,焊縫的力學性能和抗應力腐蝕開裂性能也很差,即使進行熱處理使強度性能大部分得到恢復,伸長率仍很低,因此不能熔焊,但采用強脈沖電流還是可以接觸焊接。故常用鉚接或膠接工藝連接。

7075合金一般抗蝕性尚好,但抗應力腐蝕開裂性能差。噴丸處理、包鋁、分級時效、形變熱處理等對降低應力腐蝕開裂傾向都有利。該合金的熔煉溫度720℃~750℃,鑄造溫度715℃~730℃,熱軋溫度370℃~410℃,鍛造溫度380℃~450℃,擠壓溫度300℃~450℃,退火溫度360℃~420℃,退火冷卻速度≤30℃/h,緩冷至150℃后空冷。固溶處理溫度470℃±5℃,淬火轉移時間≤15s,否則過飽和固溶體易分解。淬火后的停留時間對以后的人工時效效果有影響,應在淬火后4h以內或48h以后人工時效,否則強度會下降。

因此,7075合金是應用最廣的航空航天器鋁合金之一。     

       以上就是常熟國強和茂管材有限公司為你總結的鋁合金助中國成為航天大國與強國,如果還有什么相關知識不明白的,可以咨詢我們,本文轉載于中國有色網。



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