國內(nèi)外航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料的選用

施麗銘 楊鵬 周志勇 成志忠

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）（2 西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 710072）

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天任務(wù)對密封艙結(jié)構(gòu)的要求越來越高，大尺寸、低質(zhì)量、高可靠等要求對主結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。材料是航天器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，航天器結(jié)構(gòu)的性能很大程度上取決于材料的性能，因此主結(jié)構(gòu)材料的選擇變得尤為重要。目前，國內(nèi)外航天器均在不斷發(fā)展和使用新材料，以有效降低結(jié)構(gòu)重量。

本文介紹了目前國內(nèi)外研制的航天器密封艙主結(jié)構(gòu)的材料選用情況，并對未來主結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展方向進行了分析。針對航天器密封艙結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，對可選材料的常規(guī)力學(xué)性能、斷裂韌度、焊接性能、抗應(yīng)力腐蝕性能、其他工藝性能及原材料供應(yīng)情況進行了對比分析。同時，分析了具體的使用環(huán)境及條件，并結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，給出了建議。

2 國內(nèi)外密封艙主結(jié)構(gòu)材料概況

對于密封艙結(jié)構(gòu)而言，保證密封功能的可靠性是最重要的，由于樹脂基等非金屬復(fù)合材料自身的缺陷以及工藝難度等原因，大型密封艙結(jié)構(gòu)均采用金屬材料作為主結(jié)構(gòu)材料，而鋁合金以其優(yōu)良的綜合性能成為航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料的首選。因此，本節(jié)主要介紹國內(nèi)外航天器密封艙主結(jié)構(gòu)不同鋁合金材料的選用情況。

2．1 國外狀況

20世紀(jì)60年代以來，國外已經(jīng)成功研制了大量的航天器密封艙，比較來看，可分為蘇聯(lián)／俄羅斯研制的和歐美研制的兩大類型。

蘇聯(lián)／俄羅斯研制的密封艙主結(jié)構(gòu)材料主要為АМГ6鋁-鎂合金（相當(dāng)于國內(nèi)的5A06），該鋁合金應(yīng)用時間較早，且范圍較廣，從載人飛船到目前的“國際空間站”，均采用該合金材料。此外，蘇聯(lián)能源號火箭貯箱上使用了1460鋁-鋰合金，取得了良好的減重效果。

以美國為代表的西方各國其航天器密封艙主結(jié)構(gòu)選用材料早期使用的類型較多，主要有5086 及5456鋁-鎂合金，目前歐、美、日等地區(qū)或國家的密封艙主結(jié)構(gòu)的材料主要為2219鋁-銅合金［1］。為減輕質(zhì)量，20世紀(jì)90年代美國將航天飛機貯箱材料由2219改為2195鋁-鋰合金，與原貯箱相比，質(zhì)量減輕了3405kg，這使得攜帶這種超輕貯箱的航天飛機有效載荷大幅度增加。

同時，隨著鋁合金冶金技術(shù)的發(fā)展，美、俄正在著力發(fā)展新的可焊鋁合金材料用于新的航天器密封結(jié)構(gòu)上，目前較為看好的是含鈧（Sc）鋁合金。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)對鈧在鋁合金中的存在形式和作用機制進行了系統(tǒng)的研究，開發(fā)出多個牌號的非熱處理強化可焊含鈧的鋁-鎂系列合金，并在米格-29型戰(zhàn)斗機及導(dǎo)彈的導(dǎo)向尾翼上首先獲得應(yīng)用［2］。此外，美國也在開展對含鈧鋁合金材料的研究，其開發(fā)的牌號為C557的鋁-鎂-鈧合金，計劃應(yīng)用在下一代試驗機X-43B中。目前，一些含鈧鋁合金的材料已經(jīng)在航空器研制中使用，如飛機的艙壁、翼梁、上部蒙皮用的薄板等［3］。

2．2 國內(nèi)狀況

目前，國內(nèi)研制的航天器密封結(jié)構(gòu)主要有返回式衛(wèi)星、神舟系列飛船、運載火箭貯箱等。我國的返回式系列衛(wèi)星的密封艙艙體結(jié)構(gòu)和載人飛船返回艙艙體結(jié)構(gòu)采用5A06鋁鎂合金［4］。對于運載火箭貯箱，20世紀(jì)60年代采用5A06鋁-鎂合金，70年代開始，主要采 用2A14 鋁-銅合金［5］，新一代運載火箭貯箱采用了2219鋁-銅合金［6］。

我國在鋁-鋰合金應(yīng)用方面也有些標(biāo)志性成果?！熬盼濉逼陂g，我國在第二代鋁-鋰合金的研制上取得重大突破，國產(chǎn)1420鋁-鋰合金的工業(yè)化試制和應(yīng)用研究獲得成功，現(xiàn)已批生產(chǎn)并在某型飛機的壁板、垂尾、長桁等多個部位上成功應(yīng)用，單架次用毛坯重達1t。在航天領(lǐng)域，1420鋁-鋰合金已用于某型火箭二級艙段的制造；1420鋁-鋰合金模鍛件已成功地用于某航天器殼體［7］。但是，與2195、2197等第三代鋁-鋰合金相比，其綜合性能較第三代鋁-鋰合金有較大差距。因此，除俄羅斯的1420合金獲得較廣泛應(yīng)用之外，歐美大部分都直接應(yīng)用第三代鋁-鋰合金。

對于含鈧合金，國內(nèi)從90年代開始，部分高校、科研院所、企業(yè)等也相繼開展了鋁-鎂-鈧合金的研究，這些研究先后得到國家自然科學(xué)基金、973項目、863計劃等項目的支持。目前一些用鈧改性的鋁合金已在航空航天中使用，如飛機的艙壁、熱屏蔽、翼梁、上部蒙皮用的薄板等，含鈧鋁合金在船舶、航天工業(yè)、火箭導(dǎo)彈、核能等領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊［3-8］。

3 材料特性

根據(jù)上述調(diào)研及分析，目前密封艙主結(jié)構(gòu)可選用的材料主要有5A06 鋁-鎂合金、2219 等鋁-銅 合金，2195等鋁-鋰合金，5B70等鋁-鎂-鈧合金。

對于密封艙主結(jié)構(gòu)材料來說，選材主要關(guān)注的性能有以下幾點：較高的比強度和比模量、良好的塑性和斷裂韌度；優(yōu)良的機加、成形以及焊接性能；良好的抗應(yīng)力腐蝕性能；穩(wěn)定可靠的供貨來源。下文將對可選材料的性能逐項進行對比。

3．1 常規(guī)力學(xué)性能

結(jié)構(gòu)設(shè)計中最關(guān)注的材料性能一般為比強度和比模量，表1對以上材料的常規(guī)性能進行了統(tǒng)計［9-10］。

從表1可以看出，在比強度方面，2195鋁-鋰合金具有較大的優(yōu)勢，5B70 鋁-鎂-鈧合金與2219 相當(dāng)，5A06等鋁-鎂合金在這些材料中最差；在比模量方面，2195 和1420 鋁-鋰合金略高一些，其余鋁合金基本相當(dāng)；在延伸率方面，5A06、5B70 等鋁-鎂、鋁-鎂-鈧合金最好，2219、2195鋁合金次之，1420鋁合金最差。

此外，相對于其他鋁合金，2219鋁合金還具有良好的低溫力學(xué)性能。溫度下降時，2219鋁合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率都會提高。因此，2219在低溫使用時其材料性能可得到更好的發(fā)揮。圖1是2219-T87鋁合金及變極性等離子弧焊（VPPA）焊接接頭強度及其延伸率隨溫度的變化情況［11］。

表1 鋁合金常規(guī)力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of Al alloy

圖1 2219-T87鋁合金及焊接接頭低溫力學(xué)性能Fig．1 Low temperature mechanical properties of 2219-T87

3．2 斷裂韌度

對于有長壽命要求的航天器結(jié)構(gòu)來說，材料的抗斷裂性能也是十分重要的，表2給出了不同材料的斷裂韌度數(shù)值［10，12］。

表2 不同狀態(tài)鋁合金斷裂韌度Table 2 Fracture toughness of Al alloy

從表2可以看出，2195、5B70鋁合金斷裂韌度最高，具有良好的抗斷裂性能，5A06等鋁-鎂合金次之，2219鋁-銅合金較5A06略低一些。同時，從表2可以看出，與常溫相比，2219鋁-銅合金在低溫下具有更高的斷裂韌度。

3．3 焊接性能

由于密封艙結(jié)構(gòu)需要采用焊接方法把金屬材料部件連接成一個密封的艙體，因此材料的焊接性能對密封艙結(jié)構(gòu)來說非常重要，必須保證焊接的密封性、連接強度和焊接工藝質(zhì)量［4］。

鋁-鎂合金具有較好的焊接性能，常用的焊接方法為惰性氣體鎢極保護焊（TIG）、變極性等離子弧焊（VPPA）等，其焊縫強度系數(shù)可以達到95%以上。同時，對5A06鋁板焊縫的力學(xué)性能檢測發(fā)現(xiàn)：焊后結(jié)構(gòu)極限強度和材料的延展率與標(biāo)準(zhǔn)值比較變化不大。從拉伸試片的斷裂情況看，焊縫部位的強度高于母材（焊縫余高未清除）。

相對于鋁-鎂合金，鋁-銅合金的焊接性能較差。早期的2A14鋁-銅合金在熱處理強化狀態(tài)下焊接時，易產(chǎn)生焊縫金屬凝固裂紋及近縫區(qū)母材液化裂紋；焊縫脆性大，對集中應(yīng)力敏感，母材熱影響區(qū)軟化，焊接接頭強度僅達到焊前母材強度的60%～70%，且承載時焊接結(jié)構(gòu)易發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。2219是鋁-銅系合金中少數(shù)焊接性能良好的合金，國外在研制2219鋁合金密封艙時，曾采用過多種熔焊方法，包括氣體保護焊、變極性等離子焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等，相比之下，2219鋁合金采用攪拌摩擦焊時的焊縫強度系數(shù)更高。

與2195、2197等第三代鋁合金相比，目前國內(nèi)的1420等鋁-鋰合金仍為第二代鋁鋰合金產(chǎn)品，其各向異性嚴(yán)重、塑韌性水平較低、熱暴露后會嚴(yán)重?fù)p失韌性、大部分合金不可焊。對于2197等第三代鋁鋰合金，其焊接性能較1420等鋁合金有了顯著的提高。

鋁-鎂-鈧合金繼承了鋁-鎂合金焊接性能好的特點，且焊接工藝相近。5B70焊接性能良好，焊接時有較低的熱裂紋敏感性等優(yōu)點。同時，若焊后進行熱處理，鋁-鎂-鈧合金的焊縫的力學(xué)性能可以顯著提高［13］。

以上不同鋁合金材料采用不同焊接方法時對應(yīng)的焊縫強度系數(shù)見表3。

從表3可以看出，5A06、5B70鋁合金焊縫強度系數(shù)最高，且對焊接方法不敏感，焊接更容易；2219、2197鋁合金在采用攪拌摩擦焊時焊縫強度系數(shù)略低一些，其他焊接方法焊接性能較差；1420等較早牌號的鋁-鋰合金焊接性能最差。

表3 鋁合金不同焊接方法的焊縫強度系數(shù)Table 3 Al alloy strength coefficients of different welding methods

3．4 抗應(yīng)力腐蝕性能

對于密封艙來說，由于其長時間承受內(nèi)壓載荷的作用，若材料周圍存在潮濕的空氣，則能夠誘發(fā)鋁合金應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕也是結(jié)構(gòu)材料必須考慮的因素之一。

5A06等5系鋁合金具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，其某些狀態(tài)（主要是H 態(tài)）抗應(yīng)力腐蝕性能更好。

5B70也屬于鋁-鎂合金，鈧元素的加入不僅能提高合金的強度，還能有效改善合金的可焊性和耐蝕性，5B70的抗應(yīng)力腐蝕性能更優(yōu)異。

為了驗證材料的抗應(yīng)力腐蝕性能，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ECSS-Q-ST-70-37C［14］對5A06、5B70、2219三種材料開展了對比試驗。試驗結(jié)果顯示96%應(yīng)力水平的2219T87板材在3．5%NaCl溶液中的平均斷裂時間約為400h，而5A06、5B70材料在1080h內(nèi)均未出現(xiàn)斷裂。結(jié)果表明，2219 抗應(yīng)力腐蝕性能較5A06、5B70要差。

對于1420等第二代鋁-鋰合金，其抗應(yīng)力腐蝕性能更差，2195 等第三代鋁-鋰合金較之前有了顯著提高，但仍比5A06等5系鋁合金要差一些。

3．5 其他工藝性能及原材料供應(yīng)情況

鋁-鎂合金成形性能、機加工性能良好，焊接技術(shù)成熟，且5A06具有良好的防腐、防銹性能，可以不進行表面處理。目前，以5A06為代表的鋁-鎂合金原材料制備工藝技術(shù)成熟，國內(nèi)可生產(chǎn)的原材料種類、規(guī)格齊全，且成本較低。

鋁-銅合金價格低廉，材料制備工藝技術(shù)成熟，目前國內(nèi)可生產(chǎn)的原材料的種類、規(guī)格齊全。相對于鋁-鎂合金，鋁-銅合金的成形性能相對較差。

相對于5A06、2219等材料，鋁鋰合金延伸率較低，因此其工藝塑性也相對較差，成形較為困難。目前，國內(nèi)已經(jīng)可以批量提供1420 等鋁鋰合金的薄板、型材等，并已在航空航天等領(lǐng)域使用；對于2195等第三代鋁-鋰合金，國內(nèi)仍處于小規(guī)模生產(chǎn)階段。由于研究經(jīng)費投入等原因，國內(nèi)的鋁-鋰合金工程化研制和應(yīng)用水平有限，主要表現(xiàn)為：可供航天航空工業(yè)選用的成熟鋁-鋰合金材料和產(chǎn)品規(guī)格品種有限；鋁-鋰合金成本偏高，產(chǎn)品質(zhì)量的批次穩(wěn)定性須提高［7］。

鋁-鎂-鈧合金為鋁-鎂合金中增加微量的鈧元素，其加工、成形等工藝性能與鋁-鎂合金基本一致。目前，國內(nèi)鋁-鎂-鈧合金制備技術(shù)相對成熟的是牌號為5B70的鋁-鎂-鈧合金，其可提供的產(chǎn)品，包括軋制板材、棒材、鍛件、絲材等多種類型，并且產(chǎn)品的規(guī)格也越來越豐富，但目前鋁-鎂-鈧合金產(chǎn)品質(zhì)量的批次穩(wěn)定性仍需進一步提高。此外，隨著近10年來鈧供應(yīng)渠道的暢通，鈧價在緩慢下跌，鈧在鋁合金中極少的用量，使成本不再是使用的障礙［8］。

3．6 綜合對比

根據(jù)以上分析結(jié)果，現(xiàn)分別以5A06、2219、1420、2195、5B70為代表，綜合比較各系鋁合金的各項性能，比較結(jié)果見表4。

表4 不同鋁合金綜合性能對比Table 4 Performance comparison of different aluminum alloys

4 選材分析

從以上對比可以看出，可選材料各有優(yōu)缺點，不能直接確定選用哪種材料，需要根據(jù)特定的使用條件來進行分析。影響航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料選擇的因素主要包括應(yīng)力水平、工作時間、工作溫度、濕度環(huán)境、工藝水平、研制進度要求等，選用時需綜合這些因素統(tǒng)一考慮。

對于運載火箭貯箱等密封艙來說，其工作時間較短，工作溫度較低，壓力水平較大，故選材時主要考慮因素為比強度，而對于斷裂韌度、抗應(yīng)力腐蝕性能等影響壽命的因素不敏感。在當(dāng)前技術(shù)水平下，主要可考慮選擇2219鋁-銅合金。對于長期在軌運行的航天器尤其是載人航天器密封艙來說，首先要考慮的是保證結(jié)構(gòu)長期運行的可靠性，故選材時首先要考慮的是材料的斷裂韌度、抗應(yīng)力腐蝕性能等因素，因此，在目前技術(shù)水平下，5A06鋁合金是可用的材料。

隨著材料力學(xué)性能、焊接等難題的解決，2195等鋁-鋰合金、5B70等含鈧合金可成為未來密封艙主結(jié)構(gòu)的理想材料。

5 結(jié)束語

本文對國內(nèi)外航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料及其主要性能進行了說明，同時結(jié)合具體的使用環(huán)境及要求進行了分析，根據(jù)分析對比可以看出，對于密封艙結(jié)構(gòu)來講，不同材料本身并沒有優(yōu)劣，應(yīng)用時需根據(jù)具體的任務(wù)需求來進行選用。就目前國內(nèi)的情況而言，5A06、2219是現(xiàn)階段技術(shù)成熟且各方面性能較好的密封艙體主結(jié)構(gòu)材料。隨著各方面技術(shù)的不斷完善，未來鋁-鋰、鋁-鎂-鈧等新型鋁合金可替代目前的材料，成為密封艙主結(jié)構(gòu)材料選用的方向。

本文對不同密封艙主結(jié)構(gòu)材料的調(diào)研和分析結(jié)果，可為大型航天器密封艙主結(jié)構(gòu)研制提供借鑒和參考，但具體選擇時還需根據(jù)特定使用條件開展詳細(xì)的分析和驗證。

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