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铝业技术长五奔太空铝材立殊功

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来源: 作者: 2019-04-05 22:57:53

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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岛文昌航发射场轰然发射升天,约30分后进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务美满成功。这一声划破长空的惊天巨响震惊了全部地球,标志着中国跨过了航天强国门坎,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,是个名不虚传的胖5,起飞质量约870t,配12颗大心脏发动机,起飞推力约10.56MN(1078t力);低轨道(近轨道)运载能力25t,高(地球同步转移)轨道运载能力14t级,超出了国际上大型运载火箭近地轨道运载能力20t,高轨道的10t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。

长征五号的大还体现在它的外观上,它的直径比现役火箭的大50%,它的芯级直径达5m,外围的4个助推器直径3.35m,分别比中国现役火箭的大49.3%及49.0%。

长五火箭身高约57m,比20层楼还高一点点,但比长征二号下运载火箭却矮一些。因而长5火箭可容纳多得多的推动剂。芯级火箭推动剂为-253℃的液氢与-183℃的液氧,助推器的推动剂为液氧与煤油,这在中国运载火箭发展历程中是首次,由于液氢、液氧的温度很低,所以有人把长5火箭又称之为冰箭,有10几万个零部件。

燃料箱体铝合金造

长征五号火箭的起飞质量870t,其中液氢(-253℃)与液氧(-183℃)的质量占90%,即这两种燃料的质量达783t。据报道,长征五号火箭的研制用时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,新技术比例几近占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,也为中国成为铝加工强国迈出了坚实的1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肯定是主流,由于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做的,只有铝合金才能在这类极为严峻的条件下工作:1是它们的密度小,轻巧,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下降而同步上升,成为一类绝好的低温结构材料,成为很难替换的航空航天材料;可加工与可构成性能好,可焊接性能好,尤其是磨擦搅拌焊(FSW)性能,美国大型火箭低温燃料铝合金贮箱就是磨擦搅拌焊的。

2219铝合金是绝佳的

低温燃料贮箱材料

长征五号大型火箭的液氢(-253℃)与液氧(-183℃)贮箱是用甚么铝合金焊接的,连接固定锻环是用甚么铝合金环锻的,未见媒体报道,但是国外发射大型火箭用的液氢、液氧贮箱不管是美国的,还是日本与欧洲的,都是用2219型铝合金厚板(6mm~10mm)焊的,板材应该是中国铝业公司所属的工厂生产的,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。

看看2219型合金的真面目

2019合金是美国铝业公司(Alcoa)为航空航天工业研发的一种高强度、高韧性的高温耐热合金,1954年在美国铝业协会公司注册,2008年中国将2219与2519合金纳入国家标准GB/T3190,自此,2219及2519合金不但是美国合金,也是中国的标准合金,它们的标定化学成分见表1,除含Ti、V外,还都含0.10%~0.25%Zr。

2219型合金属Al-Cu-Mn系,还含有少许的Ti、V、Zr,成分相当复杂,因此合金有良好的高低温性能,Ti、V、Zr的加入可构成Al3Ti、Al3Zr、Al5V化合物,具有细化晶粒、提高再结晶温度和耐热性的作用。这类合金是20世纪50年代早期开始问世,可加工成各种各样的半成品,用于制造在200℃~300℃与在超低温下工作的零部件。

在Al-Cu-Mn系合金中,Cu与Mn是主要的合金化元素,Cu与Al形成化合物Al2Cu,是主要强化相,2519合金含0.05%~0.40%Mg,因其量太少,不会构成化合物,全部固溶,稍有固溶强化作用,Ti、Zr、V的化合物呈弥散质点分布于基体中,也有一些弥散强化作用。

Mn是保证合金耐热性的主要元素,Ti、Zr、V也有一定的作用。Mn在铝中的扩散系数小,能下降Cu在Al中的扩散,不但使(Al)固溶体的分解偏向减少,而且还下降了Al2Cu在高温下的聚集偏向。Mn的含量不宜0.4%,否则可构成T相(Al12CuMn2),对合金耐热性不利。加入少许Mn,一方面因形成Al6Mn对合金耐热性有益,另一方面可下降焊缝形成裂纹倾向。

Mg下降2219、2319、2419合金的可焊性,其含量应不大于0.02%,但2519合金却含有0.05%~0.40%Mg,是为了提高其室温强度,有利于改善它在150℃~250℃的耐热性能。

杂质Zn加快Cu在铝中的散布,对合金的性能不利。Fe会与铜构成三元化合物Al7Cu2Fe,降低(Al)中的铜含量,使合金的强度下降,应严加控制。Si下降合金的高温(300℃)持久强度,属有害杂质。

热处理特性

2219型合金的显着特点是:高的热强性,优秀的低温性能,可在-270℃~300℃长时间使用,使用温度跨度之大,居铝合金之冠;挤压材料没有挤压效应。这类合金几乎没有自然时效效果,却有显着的人工时效能力。在人工时效状态T6,既有高的强度,又有优秀的耐热性与可焊性。

此类合金的固溶处理温度520℃~535℃,人工时效规范160℃~170℃/(10~16)h。在固溶处理时,在合金中进行两个相反的进程:1是(Al)+Al2Cu二元共晶及三元共晶(Al)+Al2Cu+T(Al12CuMn2)固溶于(Al)中,2是从(Al)中析出含Mn相T(Al12CuMn2),呈点状弥散地散布于(Al)基地中。淬火后取得的(Al)是过饱和的,在人工时效时析出Al2Cu和T相,使合金强化。

在高温下,不但T相本身的显微硬度比Al2Cu的高,而且在高温长时间负荷下其软化的百分数也比Al2Cu的少,T相还能显着提高合金的高温持久硬度。T相在高温下比Al2Cu稳定很多,不容易聚集。

良好的低温性能

在铝合金中,2219型合金的低温性能久负盛誉,液氢、液氧贮箱非它莫属。2219-T62合金25℃时的抗拉强度Rm=400N/mm2,而-195℃时的为505N/mm2,提高了26.25%,25℃时的伸长率A=12%,-195℃时的却上升到16%,提高了33.33%,随着温度的下降,强度与温度同步升高,非常难能可贵,见表2。

2219合金的典型性能

2219合金薄板(厚度6mm)上都包覆了一层薄薄的7072合金(Cu0.10,Mn0.10,(Si+Fe)0.70,Zn0.80~1.3,Mg0.10,其他杂质每一个0.05、总计0.15,其余为Al),以提高其抗腐蚀性能。

典型用处:洲际火箭与航天器火箭的焊接氧化剂箱与燃料箱,超声速飞机骨架与结构件。运用温度-270℃~300℃。断裂韧性高,T8材料有限高的抗应力腐蚀开裂能力。各种状态材料的典型拉伸性能见表3。

循环次数5108的R.R.摩尔实验的疲劳强度103N/mm2。物理性能:20℃时密度2840kg/m3,液相线温度643℃,低熔点共晶体开始熔化温度543℃,线膨胀系数:-50℃~20℃时20.8m/(mk),20℃~100℃时22.5m/(mk),20℃~200℃时23.4m/(mk),20℃~300℃时24.4m/(mk);体胀系数6.m3/(m3k);20℃时比热容864J/(kgk);热导率:O状态材料的170w/(mk),T31及T37状态的116w/(mk),T62、T81、T87状态的130w/(mk)。

电导率:20℃时的等体积电率,O状态的44%IACS,T31、T37、T351状态的28%IACS,T62、T81、T87、T851状态的30%IACS。电阻率:20℃时,O状态的39nm,T31、T37、T351状态的62nm,T62、T81、T87、T851状态的57nm。各种材料的电阻温度系数20℃时均为0.1nm/k。在25℃时的含53gNaCl及3gH2O2水溶液中对0.1N甘汞电极的电位:T31、T37、T351状态材料的-0.64V、T62、T81、T87、T851状态的-80V。

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