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。
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Cu與Mn、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%Cu與864K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:α(Al)、Mg2Si、θ(Al2Cu)、S(Al2CuMg)、W(Al4Cu4Mg5Si4),雜質相Al5(FeMnSi)等。Mg和Si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Al6(FeMn)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:α(Al)、η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2MgCu),可能的雜質相有Mg2Si、Al6(FeMn)、Al(FeMn)Si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Mn和Cr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,Fe和Si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。
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