鋁合金助中國成為航天大國與強國

十年彈指一揮間，中國成為航天器發(fā)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(fā)射場準時點火發(fā)射，約495秒后，問天實驗艙與火箭成功分離，進入預定軌道，發(fā)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(fā)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(zhì)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(fā)射的問天實驗艙是中國開展航天事業(yè)以來很大與最重的“大塊頭”，艙體總長17.9米，直徑4.2米，發(fā)射質(zhì)量23噸，和北京地鐵13號線列車的一節(jié)車廂質(zhì)量相當，是世界現(xiàn)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(zhì)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(jù)估算，火箭用的鋁合金約占金屬結(jié)構(gòu)總凈質(zhì)量的95%。

沒有鋁材就沒有今天這樣興旺的火箭產(chǎn)業(yè)

中國已成為全球航天大國與初級強國。其間，中國鋁業(yè)集團東北輕合金有限責任公司、西南鋁業(yè)（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(chǎn)的鋁材在火箭發(fā)射奔向太空和航天器翱翔太空進程中，如果沒有鋁合金結(jié)構(gòu)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(huán)件和異形環(huán)件，也都是用2219型鋁合金鍛壓的。

中國在制造火箭貯罐（箱）、環(huán)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(huán)件也是他們提供的，環(huán)件除用鍛壓工藝（也可以稱軋制）制造外，也可以用技術(shù)——3D打印工藝制造，環(huán)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(chǎn)力中心組織人員組，對西南鋁業(yè)承擔的“技術(shù)創(chuàng)新與應用發(fā)展（重點研發(fā)產(chǎn)業(yè)類）”項目“大型高性能鋁合金異形環(huán)件開發(fā)及產(chǎn)業(yè)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(huán)件軋制、熱處理、冷變形技術(shù)研究，以實現(xiàn)大型復雜異形截面環(huán)件的成形性一體化控制，突破了此種首創(chuàng)環(huán)件軋制成形一體化控制，以及大型復雜異形截面環(huán)件軋制成形仿真模擬技術(shù)、制坯工藝技術(shù)、組織均勻化控制技術(shù)和殘余應力控制技術(shù)，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)與供貨，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，開發(fā)的異形環(huán)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(huán)件軋制提供了堅實的理論基礎和實踐經(jīng)驗，填補了國內(nèi)空白，達到了國內(nèi)、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(fā)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(shù)的問世與成熟改用2219鋁合金（相當于中國的LY16）。現(xiàn)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(yōu)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(yè)公司匹茲堡（Pittsburgh）研究中心發(fā)明的，1954年在美國鋁業(yè)協(xié)會注冊，現(xiàn)在已發(fā)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(tài)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(tài)即O狀態(tài)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(nèi)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(nèi)結(jié)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。火箭結(jié)構(gòu)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(shù)，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(jīng)均勻化處理鑄錠或未經(jīng)固溶處理加工材的共晶溫度477℃~635℃，經(jīng)過均勻化處理的鑄錠和經(jīng)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(tài)材料的稍差一些；有較好的可焊性能，但所有狀態(tài)的材料都不能釬焊，O狀態(tài)材料不能氣焊，點焊、滾焊也不易，其它狀態(tài)的都可以氣焊、點焊、滾焊、氬弧焊。2219合金工件互相聯(lián)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(fā)射時間很短，抗蝕性差對發(fā)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(tài)擠壓材料有應力腐蝕開裂傾向。焊縫過渡區(qū)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(tài)有晶間腐蝕和應力腐蝕開裂傾向，在火箭和航天器結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)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(jié)晶晶粒長大，但超過0.8%時會出現(xiàn)粗大的Al6（FeMn）相，降低合金塑性。鋅是雜質(zhì)，應予控制。

2014合金的可切削性能良好，但O狀態(tài)的稍差一些，其它狀態(tài)的可以干切削，若要求高表面品質(zhì)，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(chǎn)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(tài)和工件斷面厚度有關(guān)，淬火自然狀態(tài)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(guī)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(tài)下塑性中等，與硬鋁不同的是，人工時效狀態(tài)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(jīng)過3個月才能達到時效硬化峰值，所以都在人工時效狀態(tài)使用，其缺點是組織穩(wěn)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(zhì)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(zhì)，特別對斷裂韌性不利。

淬火和時效狀態(tài)或冷加工狀態(tài)的7075合金有良好的可切削加工性，O狀態(tài)材料的不好。應采用高速鋼或硬質(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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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