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中国航天铝材跻身世界强国之列

2021/4/6 8:19:05 人评论 次浏览 分类:国内铝业动态


01多国纷登月球火星航天铝材喜迎新需(上)


2月13日,俄罗斯公布了与我国携手打造月球科研站计划。日前,双方正在研究项目技术落实事宜。美国也在运作类似的课题,进展很快,不久美国月球基地即会亮相。2021年是人类征服火星圆梦之年,自从人类太空探索开始以来,火星一直是访问量最大的行星之一,美国的“水手四号”宇宙飞船早在1964年就发回了第一批火星表面照片。2021年2月初以来,3个国家(阿联酋、中国、美国)的探测器欲登陆火星,阿联酋的“希望号”探测器已于2月19日进入环火星轨道,创造了历史;就在第2天,中国的“天问一号”探测器紧随其后进行了相同的操作,将于5月份着陆火星。

中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度、阿联酋等国都已向月球、火星发射过或准备向它们发射探测器,为航天铝材提供了新的需求阵地,高端铝材及铝基复合材料在航天器装备及发射火箭系统制造中占有极为重要的地位,是一类不可或缺的材料。目前,我国有多家企业都能批量制备各种航天铝材,在火箭用材的净质量中,铝材占94%以上,在航天器结构用材的净质量中,铝材及铝基复合材料也占到约75%。





铝材:航天器发射火箭和结构零部件的顶梁柱


航天铝材大体可为两部分:一是发射火箭用,二是航天器本身零部件结构用。从航天事业一开始,铝材及铝基复合材料就与航天工业结下了不解之缘,不仅获得了广泛的应用,更是不可或缺的关键材料,虽不能说,没有铝就没有今天这样兴旺发达的航天事业,但可以毫不夸张地说,没有铝合金,像今天这样惊天动地的航天事业至少要延后二三十年。

在航天器与火箭上用的铝合金主要有7078型、2024型、Al-Li合金等;火箭发射用的液氢槽、液氧槽、控制装置、加固-连接环等均是用这类合金材料打造的。

图片长五奔太空 铝材建殊功


2016年11月3日20时43分,中国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国海南省文昌航天发射场轰然发射升天,约30分钟后进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务圆满成功。这一声划破长空的惊天巨响震惊了整个地球,标志着中国跨过了航天强国门槛,进入了世界航天强国俱乐部。

长征五号火箭是个货真价实的大块头,是个名副其实的“胖五”,起飞质量约870吨,配12颗“大心脏”——发动机,起飞推力约10.56MN(1078吨力);低轨道(近轨道)运载能力25吨,高(地球同步转移)轨道运载能力14吨级,越过了国际上大型运载火箭近地轨道运载能力20吨,高轨道10吨的“鸿沟”,可与美国的宇宙神5、德尔塔4、欧洲的阿里安等世界主力大型火箭比翼齐飞,完成了脱胎换骨的升级换代。

长征五号火箭的起飞质量870吨,其中液氢(-253℃)与液氧(-183℃)的质量占90%,即这两种燃料的质量达783吨。据报道,长征五号火箭的研制历时10载,突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术,其中有多项是关于铝合金材料的。在关键技术中,新技术比例几乎占100%,核心技术全部拥有自主知识产权,实现了长征火箭的升级换代,使中国一跃进入航天强国行列,也为中国成为铝加工强国迈出了坚实的一大步。

长征五号火箭各大部件是用什么材料制造的未见媒体报道,但是可以肯定的是,在结构材料中铝合金是主流,因为芯级火箭巨大的液氢液氧贮箱,4个助推器的液氧、煤油贮箱都应是用铝合金制的,只有铝合金才能在这种极为严峻的条件下工作:一是铝材的密度小、质轻,为钢密度的30%左右;低温性能极佳,没有低温脆性,铝合金的强度与延展性均随着温度的降低而同步上升,成为一类绝好的低温结构材料,是很难替代的航空航天材料;可加工与可成形性能好,可焊接性能好,尤其是摩擦搅拌焊(FSW)性能,美国大型火箭低温燃料铝合金贮箱就是摩擦搅拌焊的。

长征五号大型火箭的液氢与液氧贮箱是用什么铝合金焊接的,虽未见媒体报道,但国外发射大型火箭用的液氢、液氧贮箱无论是美国,还是日本和欧洲的,都是用2219合金焊接的,所以笔者认为,长征五号低温燃料与助燃液氧贮箱也应是用2219型铝合金厚板(>6mm~≤10mm)焊的,板材应是中国铝业集团所属工厂生产的,它们有生产航空铝材60年的技术与经验,并通过了航空航天部门的认证。此外,2015年,无锡市某公司锻造的航天配套环件即是用的2219合金,其外径达8.7米、内径为8.32米。
图片Al﹣Li系合金


美国除用2219合金制造的低温燃料箱与航天器结构外,还用2050铝-锂合金打造这类设备。用2050合金厚板制造的航天构件有货舱头(bulkhead)、锥体(cone)、筒体(barrel),用的都是厚板。

7050合金及2050合金厚板的拉伸性能,原文用的英制。未予换算,以免失真。表中的1bs/in3=磅/in3,Msi=百万磅/英寸2,Gage=厚度,ksi=千磅/英寸2,%Tot=%总计,UTSL=纵向抗拉强度,UTSLT=长横向抗拉强度,UTSST=短横向抗拉强度;YS=屈服强度,el=伸长率。

Weldalite  AI-Li合金家族发展简史,该系合金是肯联铝业在法国的轧制厂与在加拿大的研究中心研发的,历时7~10年,原来主要是为A380飞机开发的,它们共有5类合金:2195、2196、2098、2198、2050,但2050合金是美国铝业公司研发的,它们各自的特点分别为:

2195合金:Al-4.0 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,是第一个获得成功商业应用的AI-Li合金,用于制造航天器低温燃料槽;

2196合金:Al-2.8 Cu-1.6 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,密度低,强度高,断裂韧性高,原是为哈勃望远镜(Hubble)太阳能板边框开发的,商业飞机挤压材;

2098合金:Al-3.5 cu-1.1 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,原是为HSCT机身研发,以及用于制造F16战机的耐疲劳抗力机身和制造空间结构件。

2198合金:AI-3.2 Cu-0.9 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr,用于制造商业飞行器。

2050合金:AI-3.5 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.4 Mn-0.1 Zr,用于加工厚板,以取代7050-T7451型制造商业飞行器和登陆车。2050合金的Cu+Mn含量比2195合金的低,以降低淬火敏感性,而仍有相等的力学性能。
02多国纷登月球火星航天铝材喜迎新需(中)





中国航天铝材跻身世界强国之列


随着中国跻身世界航天大国和强国之列,航天产业所需的铝材、铝基复合材料、铝制零部件等(除个别零部件外),已全部能自给,并且有些还是世界首创,居世界领先水平,如火箭系统的直径10m整体铝合金环件、大直径喷射沉积AI-Li合金锭及其挤压锻坯等。

10米级铝合金锻环

图片直径10m级大锻环中国造


2003年以来,随着我国航天事业的飞速发展,大推力火箭和宇航器所需的铝合金锻环直径在不断加大,急需直径达5m及5m以上的锻环,而且除航天领域外,在中远程战略导弹及舰载火炮等兵器领域也同样需要大直径铝合金锻环。此前,由于设备能力所限,东北轻合金有限责任公司(简称“东轻公司”)只能生产最大直径2.9m的锻环,而且生产工艺落后、投料比大、成品率较低,已无法满足我国航天事业发展的需要。作为中国的铝镁合金加工基地,东轻公司审时度势,决定自主研发环轧生产线。2004年,东轻公司把环轧生产线列入了当年的重点建设项目之一,并于2005年6月开始设备的制造工作。2006年3月,环轧生产线安装工作全部结束。2006年6月,中国航天一院的领导就东轻公司参与研制“嫦娥工程”所需的超大直径铝合金锻环进展情况到东轻公司调研,并对东轻公司的设计方案和一系列工作给予了充分肯定。2006年9月12日,东轻公司一次试车成功,轧制出了直径达4m的铝合金锻环,不仅环轧机达到了设计要求,而且淬火炉的最大温差只有±29℃,全面达到了设计标准。

2006年12月30日,在东轻公司自行设计制造具有完全自主知识产权的环轧生产线上,生产出了当时国内最大的铝合金锻环,该锻环直径达5.15m、宽340mm、厚100mm,该公司成为中国火箭锻环的开拓者。

2014年12月,无锡市派克重型铸锻有限公司也成功轧制出了国内最大2219铝合金环锻件。该锻件外径8.7米,内径8.32米,高0.35米,是目前国内最大2219铝合金环锻件,它的问世,突破了国内2219铝合金环件数控碾环成形的多项关键技术,达到行业领先水平。

大型环锻件可广泛用于风力发电、石油化工、矿山机械、能源电站、航空航天、核电燃机等领城。而派克锻造的这块国内目前最大2219铝合金环锻件是某型号火箭配套的关键构件。该环件的研制成功,推动这家民营高科技企业成功转型,跨入航天配套领城。

据悉,该铝合金环件涉及多个领城和多项关键技术。后来该公司继续开展了环件热处理、应力消除、整体机械加工等工艺研究,以确保零件的形状及性能满足产品的技术要求和使用要求。

2015年8月初,广西南南铝加工有限公司的“大推力火箭用超大规格铝合金锻坯的开发”项目通过了广西壮族自治区工信委的鉴定验收,满足大规格铝合金整体环的生产,这是我国“十三五”时期重点发展的重型火箭国家重大工程项目所需的关键材料。

南南铝公司通过引进吸收和再创新,建成了目前世界上最先进的硬铝合金熔铸生产线,研究开发了熔体联动精炼、除气、过滤和铸锭多级均匀化热处理等技术,解决了熔体高洁净化、高性能超大规格铸锭半连续铸造成形和组织均匀性控制等重大技术难题,生产了直径1320mm、质量超过20t的超大规格硬铝合金铸锭,并与航天应用单位合作,在世界范围内首次实现直径≥8500mm铝合金整体环的制造。

广西壮族自治区工信委组织了由航天设计和应用单位组成的验收专家组对该项目进行鉴定验收,专家组认为该项目完成了任务书提出的各项指标,整体技术达到国内领先、国际先进水平,一致同意通过鉴定验收。

2014年4月10日11点39分,随着轧环机缓缓停止转动,中铝西南铝与天津特钢精锻有限公司合作研发的首件新型运载火箭用9m级超大型铝合金整体环件研制成功。这是目前世界范围内最大级别的铝合金整体环件。

研制出9m级超大铝合金整体环件,是中铝公司自成功开发出5m级环件轧制工艺技术,结束我国不能生产大规格铝合金巨型环件历史以来,在航天新材料领域实现的又一历史性突破!

近年来,随着国家重大机械装备制造业的发展,对高性能大型环件提出了迫切需求,大型环件的制造能力已经成为国家基础制造能力的标志和国防重要保障。2012年,中国航天科技集团进行材料调研时,提出了9m级超大型铝合金环件需求。

超大型环件传统制造工艺主要以铸造成形和焊接成形为主,但这两种工艺均无法满足承受重载、高冲击、超低温等恶劣工作情况所需的性能要求,必须采用整体制造工艺。但此时9m级整体环件的研发技术在国内依然一片空白,环件从5m级到9m级,技术跨度巨大。为满足国家需求,占领行业制高点,2014年,中铝集团在西南铝成立环件技术研发团队,预研工作正式启动。

要满足环件设计要求,必须突破环件铸锭熔铸、轧制成型、热处理、冷变形等多项关键核心技术难题,所有研制工作都要从头做起。

满足该整体环件对铸锭坯料的要求是研发团队必须啃下的第一块“硬骨头”。2014年,研发团队开始了超大合金铸锭的攻关。短短3个月时间内,研发团队依靠自主创新,研制出配套铸造工具,摸索出关键熔铸技术和铸造工艺,攻克了超大铸锭成型难关,铸造出满足技术标准要求的直径1350mm圆铸锭,为后期研制工作的成功打下了坚实基础。此后半年间,西南铝突破了锻压制坯和轧制成形两大关键技术,成功轧制出尺寸完全满足设计要求的铝合金整体环件,环件表面光滑无缺陷,尺寸完全达标,精度超出预期效果。

2016年8月25日,西南铝成功轧制出重型运载火箭用10m级整体铝合金环件,再次刷新世界整体铝合金环件纪录。这意味着我国深空探测装备硬件能力得到大幅提升,西南铝再一次实现了在超大型整体环件研制技术上的重大突破。

近年来,西南铝已为我国“长征”系列火箭、“神舟”系列飞船、“嫦娥”系列探月卫星、国产大飞机、世界最大口径射电望远镜等国家重大工程提供了大量关键材料,为我国国防建设和航空航天事业发展作出了突出贡献。


10米级铝合金锻环
据了解,10m级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件,是我国重型运载火箭研制能否取得新突破的关键材料,其制造技术是研制工作迫切需要突破的重大难题。

“重型运载火箭箭体结构为超大型薄壁结构,具有几何尺度大、结构刚度低、形状精度高、服役环境苛刻等难点,这就意味着作为关键结构件的整体环件制造过程面临全新的技术挑战。”西南铝总经理、党委副书记黎勇介绍,相对于9m整体铝合金环件,10m级整体铝合金环件要承受的重载、高冲击、超低温更甚,随着直径的加大,研制难度更大。

中国目前在用的各类运载火箭所需的铝合金锻环95%由西南铝提供。西南铝不断刷新航天用铝合金锻环的产品规格、技术性能、国内和国外纪录,为中国航天事业发展提供了可靠的材料保障。

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世界首块喷射沉积AI-Li合金坯料

在豪然公司下线


镇江豪然科技有限公司是中国首家采用沉积技术的公司,在全球首次用喷射沉积法制成AI-Li合金锭,河北宏润核装备科技股份有限公司用此种锭第一次挤出了锻造棒坯与管材,棒坯用于锻造航天器锻件,这在全球是首次。喷射沉积锭的组织和性能均优于铸锭冶金的,因而锻件具有更加优异的组织和性能。
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铝合金复合材料器件

在北斗系统成功应用


2020年7月31日,中国北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。国家主席习近平出席仪式,宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。这是中国第一个面向全球提供公共服务的重大空间基础设施,标志着北斗导航系统26年的研发过程结出硕果。

北斗导航系统工程自1994年启动,2000年完成北斗一号系统建设,2012年完成北斗二号系统建设。北斗三号全球卫星导航系统全面建成并开通服务,标志着工程“三步走”发展战略取得决战决胜,使中国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。

目前,太空中在轨的有俄罗斯格洛纳斯全球卫星导航系统的27颗卫星、30余颗美国卫星、20余颗欧洲卫星,中国北斗导航系统55颗卫星的加入,大大提高了定位的准确性,扩大了覆盖范围,给全球用户带来巨大福利。使中国迈入全球卫星导航技术领先队伍。目前,北斗系统服务已覆盖200多个国家和地区,日服务达2亿次,全世界一半以上国家都已开始使用北斗系统。中国自主建设的北斗三号全球卫星导航系统完成全球组网部署,标志着中国作为主要空间力量又向前迈进了一步,开启了和平利用外层空间、高质量服务全球的新篇章。

中国科学院沈阳金属研究所多种相关材料器件在北斗三号全球卫星导航系统中成功应用,金属基复合材料课题组研制的多个成分的系列铝基复合材料,成功应用于北斗卫星的光学结构及20余个北斗卫星的电源模块散热载体。与传统铝、钛合金相比,铝基复合材料具有低膨胀、高热导、高弹性模量和良好尺寸稳定性等优点,可更好满足激光系统等对结构件的高精度和高可靠性要求;与钨铜、钼铜散热材料相比,铝基复合材料的低密度可使电源模块散热载体减重70%以上。上述铝基复合材料对激光通信精度、卫星轻量化设计等发挥了重要作用。

金属所材料摩擦磨损与航天热控服役课题组研制的长寿命管式凯装加热器成功应用于北斗MEO卫星单组元肼推力器中,具有集中加热、功率密度低、热效率高和高温绝缘性能好等优点,且使用寿命长,对保障推力器长寿命安全可靠运行起到关键作用。来源:中国有色金属报 作者王祝堂

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