当前位置:7075铝板厂家 > 公司新闻 >

7075铝合金助中国成为航天大国与强国

日期: 2022-08-15 作者:铝合金销售部 浏览: 107次

  十年弹指一挥间,中国成为航天器发射火箭大国与强国。2022年7月24日14时22分,中国搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭在海南省文昌航天发射场准时点火发射,约495秒后,问天实验舱与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。

  这是中国载人航天工程立项实施以来第24次飞行任务,发射的问天实验舱是中国空间站首个科学实验舱,由工作舱、气闸舱和资源舱组成,起飞质量约23吨,主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展空间科学实验。

  长征五号B这次“零窗口”发射的问天实验舱是中国开展航天事业以来zui大与zui重的“大块头”,舱体总长17.9米,直径4.2米,发射质量23吨,和北京地铁13号线列车的一节车厢质量相当,是世界现役在轨zui重的单舱主动飞行器。

  在问天实验舱用的金属材料中,按质量估算,铝合金材料占75%以上。在火箭用的金属材料中,除用了少量的钛合金与金属基复合材料外,其它的材料都是铝合金,据估算,火箭用的铝合金约占金属结构总净质量的95%。

  没有铝材就没有今天这样兴旺的火箭产业

  中国已成为全球航天大国与初级强国。其间,中国铝业集团东北轻合金有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、西北铝加工有限公司(以下分别简称东轻、西南铝、西北铝)生产的铝材在火箭发射奔向太空和航天器翱翔太空进程中,如果没有铝合金结构件就不会那样轰地飞上天,与太空圆满地进行科学实验。例如,储存燃料——液氢与液氧的贮罐,国外所有国家,无论是日本、美国、俄罗斯,还是欧盟,都是用2219型铝合金厚板焊接的,将这些贮罐(箱)捆在一起的圆环件和异形环件,也都是用2219型铝合金锻压的。

  中国在制造火箭贮罐(箱)、环件、贮罐上下堵帽领域居世界先进水平,所用的铝合金厚板是西南铝或东轻制造的,环件也是他们提供的,环件除用锻压工艺(也可以称轧制)制造外,也可以用尖端技术——3D打印工艺制造,环件可以是较为简单的圆形截面,也可以是相当复杂的异形截面。

  4月中旬,重庆市科技局委托重庆生产力中心组织专家组,对西南铝业承担的“技术创新与应用发展(重点研发产业类)”项目“大型高性能铝合金异形环件开发及产业化”进行了验收,并顺利通过。对该项目主要开展了合金改性设计,铸锭铸造与开坯、环件轧制、热处理、冷变形技术研究,以实现大型复杂异形截面环件的成形性一体化控制,突破了此种首创环件轧制成形一体化控制,以及大型复杂异形截面环件轧制成形仿真模拟技术、制坯工艺技术、组织均匀化控制技术和残余应力控制技术,实现批量化生产与供货,经济效益和社会效益显著,开发的异形环锻件满足了国家重大工程要求。西南铝该项目的成功实施,为铝合金大型异形环件轧制提供了坚实的理论基础和实践经验,填补了国内空白,达到了国内领先、国际先进水平。

  2219铝合金绝好的燃料与助燃剂箱材料

  中国航天科技集团一院是运载火箭的摇篮,zui新的长征五号运载火箭就是他们的新作。在太空开发初期,美国采用2014合金(相当于中国的LD合金),它有良好的成形性,可以加工成火箭需要的种种材料,如厚板、挤压材和锻件。后来,由于自动焊接技术的问世与成熟改用2219铝合金(相当于中国的LY16)。现在不论哪个国家,火箭的液体燃料(液氢)与助燃剂箱(液氧)都是用2219合金焊接的,因为它有铝合金一系列的通用优点外,还有极好的低温性能,它的各项性能均随着温度的下降而同步上升,而且它还是一种耐热合金,即使工作温度高达300℃,仍具有相当高的强度性能,这是非常难能可贵的性能,从而成为一种长盛不衰的火箭与航天器铝合金。

  2219合金是一种相当老的铝合金,问世于上世纪30年代中期,是美国铝业公司匹兹堡(Pittsburgh)研究中心发明的,1954年在美国铝业协会注册,现在已发展成为有4个成员的家族,可以加工成各种各样的半成品,材料状态有O、T42、T31、T351、T37、T62、T81、T851、T87。原2019合金及2119合金均被淘汰。

  2219-T62合金是一类Al-Cu-Mn-Ti-V-Zr系合金,铜是zui主要的合金化元素,向Al中加Cu的主要目的是提高强度,低温强度的增加是靠热处理,而高温强度的增加则是通过Cu与Mn、Ti、V、Zr等形成的化合物,这些化合物都有细化晶粒、组织和改善合金性能作用。Cu降低Al的电极电位,也降低它的抗蚀性,Al-Cu合金在退火状态即O状态合金有严重的点蚀倾向,而时效硬化后,对晶界腐蚀或应力腐蚀敏感。Al-Cu合金熔体内有铜原子偏聚团,其直径为(40~100)×10-10m。铝端的共晶反应:熔体——Al+Al2Cu,820K,33.2%Cu。Al2Cu通常被称为θ相,是在53.3%Cu与864K时直接从熔体内结晶出来的四方晶系,单位晶细胞中有12个原子。

  在铝合金中,2219合金是密度zui大的,也是火箭铝合金中密度zui大的。火箭结构主要铝合金的密度:2219合金为2.84g/cm3,7075合金为2.80g/cm3,2014合金为2.80g/cm3。

  火箭铝合金的其它物理性能:20℃~100℃的平均热胀系数,2219合金为22.5μm/(m·k),2014合金为22.5μm/(m·k),7075合金为23.4μm/(m·k);熔化温度:2219合金液相线温度643℃、固相线温度543℃,2014合金的熔化温度范围507℃~638℃,7075合金未经均匀化处理铸锭或未经固溶处理加工材的共晶温度477℃~635℃,经过均匀化处理的铸锭和经过固溶处理加工材料的初熔温度532℃;比热容,2219合金为864J/(kg·k)、7075合金为960J/(kg·k)。

  2219合金的可切削性能良好,在铝合金中是zui好的,O状态材料的稍差一些;有较好的可焊性能,但所有状态的材料都不能钎焊,O状态材料不能气焊,点焊、滚焊也不易,其它状态的都可以气焊、点焊、滚焊、氩弧焊。2219合金工件互相联接时,采用2319合金作填充金属更好些,对焊缝强度、塑性、抗蚀性更为有利,与其它材料焊接时,宜采用4043合金作焊丝,以减少焊接裂纹,2219合金虽可以焊接,但焊缝的抗蚀性低。

  2219合金由于含Cu量高,抗蚀性能不好,比2024合金的还差,不能在无保护条件下使用。不过每枚火箭从工厂制造完毕到发射时间很短,抗蚀性差对发射没有什么不好。用于其它场合时,板材可以包铝,宜采用含少量锌的包覆材料,但由于基体含铜量高,易扩散,因此保护作用有所下降,还不如2024合金的。T4状态挤压材料有应力腐蚀开裂倾向。焊缝过渡区的抗蚀性也很低,因此必须进行阳极氧化处理或涂漆保护。

  2014合金属Al-Mg-Si-Cu系,除Mn、Si含量稍高以外,其它成分与2017合金的相同。该合金的特点是:强度高,与2024合金相当,但铸锭的热裂倾向比2024合金小,有较好的热塑性,并有较好的耐热性和更好的可焊性;不足之处是,材料纵横向性能有较大差异,人工时效状态有晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向,在火箭和航天器结构中用于制造焊接件,从强度、抗焊接裂纹性能和抗应力腐蚀开裂性能等方面考虑,它还是一种不错的火箭铝合金。

  2014合金的主要相组成物:α(Al)、Mg2Si、θ(Al2Cu)、S(Al2CuMg)、W(Al4Cu4Mg5Si4),杂质相Al5(FeMnSi)等。Mg和Si形成主要强化相Mg2Si,Cu的主要作用是形成θ、S、W相,起补充强化作用,同时可抑制Al-Mg-Si系合金的停放效应。铜还能改善热加工性能,抑制挤压效应,降低合金中锰引起的各向异性。锰能细化再结晶晶粒,扩大淬火加热温度上限,从而增加合金元素的固溶度,提高时效强化效果。钛可细化铸造组织,铁可防止淬火加热时再结晶晶粒长大,但超过0.8%时会出现粗大的Al6(FeMn)相,降低合金塑性。锌是杂质,应予控制。

  2014合金的可切削性能良好,但O状态的稍差一些,其它状态的可以干切削,若要求高表面品质,可用煤油或煤油-猪油各50%的混合油作切削液。该合金不能气焊和钎焊,可以氢弧焊和点焊。通常采用自身材料或2017合金作填充金属,焊缝强度可通过重新热处理得到改善,采用焊接前同样的热处理工艺,焊接横向的抗拉强度可达到基体的80%左右,塑性降低更多些。2014合金易产生焊接裂纹,若采用LT1焊条,可以减少裂纹倾向。由于该合金强度高又耐热,且无低温脆性,可用其板材焊接大型火箭燃料箱。

  由于2014合金的铜含量高,抗蚀性不好,且有晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向,但与热处理状态和工件断面厚度有关,淬火自然状态有较高的抗蚀性,薄断面工件的抗蚀性比厚断面的好。因为工件断面厚,淬火时得不到快速冷却,对第二相析出不利。

  2014合金的熔炼温度700℃~750℃,铸造温度700℃~730℃,均匀化退火温度495℃,挤压温度380℃~450℃,锻造温度380℃~480℃,退火温度470℃,固熔处理温度502℃±3℃,过烧温度515℃。时效规范:自然时效10d以上,人工时效160℃±5℃,10h,但锻件为170℃±5℃,10h。

  7075合金为Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金,其特点是:强度高、热处理强化效果好、退火和新淬火状态下塑性中等,与硬铝不同的是,人工时效状态下的抗蚀性比自然时效材料的好,且自然时效进程缓慢,须经过3个月才能达到时效硬化峰值,所以都在人工时效状态使用,其缺点是组织稳定性不高,低频疲劳强度低,有应力腐蚀开裂倾向。

  它的主要相组成:α(Al)、η(MgZn2)、T(Al2Mg3Zn3)、S(Al2MgCu),可能的杂质相有Mg2Si、Al6(FeMn)、Al(FeMn)Si等。锌和镁形成主要强化相η、T,它们在铝中都有大的溶解度,因此热处理效果强。Al-Zn-Mg系合金强度随Zn、Mg含量增加而上升,但应力腐蚀敏感性也同步加大。加入Cu、Mn、Cr可以提高抗蚀性,Cr的作用zui大,加入<0.3%的量就有显著效果,Mn的作用次之,但Mn和Cr又可以提高合金的淬火敏感性。Cu不仅能改善合金的抗蚀性,还能形成θ相,起补充强化作用,但对可焊性不利,Fe和Si为有害杂质,特别对断裂韧性不利。

  淬火和时效状态或冷加工状态的7075合金有良好的可切削加工性,O状态材料的不好。应采用高速钢或硬质合金刀具,并有较大的前倾角,可以干切削,zui好采用煤油或各占50%的煤油-猪油混合物作切削液。

  7075合金焊接敏感性大,熔焊时易产生裂纹,焊缝的力学性能和抗应力腐蚀开裂性能也很差,即使进行热处理使强度性能大部分得到恢复,伸长率仍很低,因此不能熔焊,但采用强脉冲电流还是可以接触焊接。故常用铆接或胶接工艺连接。

  7075合金一般抗蚀性尚好,但抗应力腐蚀开裂性能差。喷丸处理、包铝、分级时效、形变热处理等对降低应力腐蚀开裂倾向都有利。该合金的熔炼温度720℃~750℃,铸造温度715℃~730℃,热轧温度370℃~410℃,锻造温度380℃~450℃,挤压温度300℃~450℃,退火温度360℃~420℃,退火冷却速度≤30℃/h,缓冷至150℃后空冷。固溶处理温度470℃±5℃,淬火转移时间≤15s,否则过饱和固溶体易分解。淬火后的停留时间对以后的人工时效效果有影响,应在淬火后4h以内或48h以后人工时效,否则强度会下降。

  因此,7075合金是应用zui广的航空航天器铝合金之一。