鋁合金新材料在載人密封艙主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

孟 松，劉 剛，方 杰，賴松柏，姜 鋒，姜 坤

（1.中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；3.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；4.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

鋁合金新材料在載人密封艙主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

孟 松1，劉 剛2，方 杰2，賴松柏2，姜 鋒3，姜 坤4

（1.中國空間技術(shù)研究院 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；3.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；4.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

文章簡述了鋁合金新材料在載人密封艙主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究進(jìn)展，總結(jié)了傳統(tǒng)航天用鋁鎂系鋁合金的特點(diǎn)，在相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對比分析指出，新型5B70鋁鎂鈧合金具有優(yōu)良的綜合性能，將是我國未來載人密封艙主結(jié)構(gòu)升級換代的最佳備選材料。結(jié)合當(dāng)今載人航天器的發(fā)展需要，剖析了傳統(tǒng)鋁合金材料在未來載人航天器升級換代這過程中亟待解決的難題和將要面臨的挑戰(zhàn)。

載人航天器；結(jié)構(gòu)材料；鋁合金；綜述

0　引言

鋁合金材料以其比強(qiáng)度高、材料性能穩(wěn)定、焊接性良好、耐受環(huán)境范圍寬等特點(diǎn)，被廣泛用于大型載人密封艙主結(jié)構(gòu)中，如蘇聯(lián)的“聯(lián)盟號”飛船、“和平號”空間站，以及國際空間站、我國“神舟”系列飛船及未來空間站，還有目前國內(nèi)外正開展研制的新型可重復(fù)使用載人飛船等的大型密封艙結(jié)構(gòu)。

國外早期的飛船密封艙結(jié)構(gòu)材料主要采用鋁鎂合金，特別是退火和半冷作硬化狀態(tài)的 5A06（AMГ6、5086）應(yīng)用最為普遍，這種非熱處理強(qiáng)化的鋁合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和制造工藝性。蘇聯(lián)（俄羅斯）“禮炮”系列空間實(shí)驗(yàn)室密封艙、“和平號”空間站密封艙以及國際空間站俄制密封艙一直延用 AMГ6鋁鎂合金；我國載人系列飛船和未來空間站的密封艙也都采用5A06鋁鎂合金。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，密封艙主結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用除了對比剛度、比強(qiáng)度要求逐步提高外，還增加了空間長期駐留和天地往返重復(fù)使用的安全可靠性要求。

早在20世紀(jì)60年代末，蘇聯(lián)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)稀土元素族中最輕的鈧（Sc）能使鋁的晶粒細(xì)化并顯著提高鋁合金的強(qiáng)度，此后他們在對純金屬鈧、鈧的金屬間化合物及相關(guān)相圖充分研究的基礎(chǔ)上研發(fā)出多種含鈧鋁合金，并在米格-29戰(zhàn)斗機(jī)及導(dǎo)彈的導(dǎo)向尾翼上首先獲得應(yīng)用。1989年后，蘇聯(lián)生產(chǎn)的鈧鋁合金及相關(guān)技術(shù)流向西方，鈧鋁合金的優(yōu)異性能才得到美、歐等國的青睞，對它的研發(fā)也逐步擴(kuò)大到全球范圍。近10余年來，俄羅斯、烏克蘭及美國、日本、加拿大開發(fā)的鈧鋁合金不斷取得新進(jìn)展，形成包括 Al-Mg-Sc［1］、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Cu-Li-Sc、Al-Zn- Mg-Cu-Sc等合金系近20個牌號，其應(yīng)用研究也在不斷擴(kuò)大。

我國從20世紀(jì)90年代開始也開展了鈧鋁合金的相關(guān)研究：中南大學(xué)和東北輕合金有限公司等單位在國家項(xiàng)目支持下，率先開展鋁鎂鈧合金的研制，根據(jù)我國航天工業(yè)發(fā)展需求，開發(fā)出了 5B70鋁鎂鈧合金（Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr），在實(shí)驗(yàn)室條件下對該鋁合金的微觀組織及性能進(jìn)行了大量的研究，積累了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［2-5］。從2006年開始，中國空間技術(shù)研究院與中南大學(xué)、東北輕合金有限責(zé)任公司組成了國內(nèi)產(chǎn)-學(xué)-研聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在國家“十一五”“十二五”項(xiàng)目支持下，針對載人大型密封艙主結(jié)構(gòu)開展了5B70鋁鎂鈧合金新材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵制造工藝研究，以及新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)件驗(yàn)證研究等工作。

本文對載人航天器主結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展做簡要回顧，闡述我國新一代載人航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展方向和應(yīng)用研究進(jìn)展。

1　載人航天器密封艙主結(jié)構(gòu)

1.1大型密封艙

載人航天器密封艙主要用于載人運(yùn)輸和空間駐留生存，包括美國“阿波羅”、蘇聯(lián)“聯(lián)盟號”、我國“神舟”系列飛船和空間站的大型密封艙，以及未來新一代多用途可重復(fù)使用載人飛船（如圖1和圖2）、月球/深空探測載人飛船或駐留生存基地大型密封艙。載人大型密封艙是壓力容器，須保證艙內(nèi)環(huán)境適于航天員工作生活 。

圖1　美國新一代“獵戶座”載人飛船返回艙示意圖［6］Fig.1　Schematic view of the return module of US Orion spaceship

圖2　俄羅斯未來載人運(yùn)輸系統(tǒng)（PPTS）中的PTK NP飛船示意圖Fig.2　PTK NP spaceship of the future manned transportation system （PPTS） of Russia

1.2大型密封艙主結(jié)構(gòu)

載人航天器大型密封艙主結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由鋁合金壁板與大型鍛環(huán)成型焊接而成，直徑3～5 m，長度數(shù)10 m。

圖3　大型密封艙鋁合金整體網(wǎng)格壁板與大型鍛環(huán)示意圖Fig.3　The integrated network wall plate made of aluminium alloy for large-scale sealed cabin

2　關(guān)鍵材料及未來發(fā)展需求

2.1大型密封艙主結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用情況

大型密封艙主結(jié)構(gòu)材料的選用主要考慮：材料的比強(qiáng)度、比模量、塑性、斷裂韌度、加工成形性、焊接性、抗應(yīng)力腐蝕性，以及原料貨源穩(wěn)定性和成本等［7-8］。中國、蘇聯(lián)一直應(yīng)用鋁鎂系列鋁合金：蘇聯(lián)用AMГ6Al-Mg系合金，中國用5A06鋁鎂系合金；美國、歐洲主要應(yīng)用鋁銅系列鋁合金，部分應(yīng)用鋁鎂系列鋁合金，如 2014Al-Cu系合金、2219Al-Cu系合金、 5086Al-Mg系合金。已成熟應(yīng)用的空間站大型密封艙關(guān)鍵材料情況見表1。飛船及空間站鋁合金材料發(fā)展應(yīng)用脈絡(luò)見圖4。

表1　已成熟應(yīng)用的空間站大型密封艙關(guān)鍵材料情況Table 1　Critical materials used in the large sealed cabin of mature space stations

圖4　飛船及空間站鋁合金材料發(fā)展應(yīng)用脈絡(luò)Fig.4　The application of aluminium-alloy materials in spaceships and space stations

2.2鋁鎂系鋁合金特點(diǎn)

1）良好適中的力學(xué)性能、較高的比強(qiáng)度/比模量；

2）優(yōu)良的結(jié)構(gòu)制造工藝性能，塑性好，易成型加工，焊接性能較好，焊接方法、焊接工藝適應(yīng)性強(qiáng)，不易出現(xiàn)焊接裂紋，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)可高于0.9；

3）冷作強(qiáng)化后產(chǎn)生時效軟化，不能熱處理強(qiáng)化，與可熱處理強(qiáng)化的鋁銅系合金相比強(qiáng)度較低。

2.3鋁銅系鋁合金特點(diǎn)

1）可進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，比鋁鎂系合金具有更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；

2）低溫性能優(yōu)良，在-253～+200 ℃范圍內(nèi)均具有良好的力學(xué)性能、尤其是抗沖擊性能；

3）焊接時氣孔缺陷傾向較大，焊接性和耐蝕性能低于鋁鎂合金，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)較低；

4）塑性較低，結(jié)構(gòu)成型等制造工藝性較差。

2.4主結(jié)構(gòu)材料升級需求

1）更輕的重量

載人深空探測發(fā)射代價(jià)比近地軌道大得多，要求航天器具有更輕的重量、更高的效率。目前我國載人航天器結(jié)構(gòu)重量/發(fā)射重量比約為24%～28%，這個比例偏高，結(jié)構(gòu)減重需求迫切，急需比強(qiáng)度更高的新型材料將此比例降至20%以下。

2）更長的壽命

未來新一代天地運(yùn)輸系統(tǒng)、地外駐留平臺、月球基地等載人探測器工作和運(yùn)行時間通常長于15年，要求主結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的載荷環(huán)境下滿足長壽命需求，這就要求材料具備良好的疲勞特性和斷裂特性。

3）可重復(fù)使用

為了提高經(jīng)濟(jì)性，新一代天地往返系統(tǒng)等載人航天器要求主結(jié)構(gòu)具備可重復(fù)使用功能，這對主結(jié)構(gòu)及其材料提出了全新的要求，需要采用服役可靠性更好的材料，并對材料損傷容限進(jìn)行界定、識別及可靠性分析。

4）更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力

載人航天器從近地軌道載人飛船和空間站延伸發(fā)展至未來月球/深空探測載人飛船或長期駐留生存基地，其密封艙主結(jié)構(gòu)將面臨更復(fù)雜的載荷條件和更苛刻的環(huán)境條件，因此應(yīng)具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。為滿足新的航天應(yīng)用需求，主結(jié)構(gòu)材料應(yīng)該提前進(jìn)行升級換代和技術(shù)開發(fā)儲備，同時逐步建立相應(yīng)大型部件的制備能力和相關(guān)結(jié)構(gòu)制造工藝的配套能力。

3　鋁合金新材料應(yīng)用研究進(jìn)展

3.1在新一代多用途飛船大型密封艙主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及影響因素

鋁合金新材料在大型密封艙主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用（見表2）主要受以下因素影響：

1）材料性能：比強(qiáng)度、比模量、耐蝕性高仍是航天主結(jié)構(gòu)材料永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。

2）基礎(chǔ)能力：穩(wěn)定保證材料高性能（各向同性）條件下，需要具備研制直徑5 m左右大型鍛環(huán)、厚度30mm以上大型厚板的技術(shù)實(shí)力和條件保障能力。

3）綜合工藝性：材料成型、焊接、防腐蝕處理等綜合工藝性能優(yōu)良，在經(jīng)過成型、焊接制造后，材料仍然能保持原有的高性能，并且結(jié)構(gòu)制造工藝?yán)^承性與生產(chǎn)成本滿足預(yù)算要求。

4）服役可靠性：在長期空間環(huán)境駐留服役、多次往返重復(fù)使用條件下，材料仍然能保持原有的高性能和可靠性。

表2　在新一代多用途飛船大型密封艙主結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用Table 2　The application of aluminium-alloy materials in the next-generation multipurpose spaceship

3.2在實(shí)驗(yàn)室條件下新型5B70鋁鎂鈧合金與傳統(tǒng)5A06鋁鎂合金力學(xué)性能對比（圖5）

圖5　實(shí)驗(yàn)室條件下新型5B70鋁鎂鈧合金與傳統(tǒng)5A06鋁鎂合金力學(xué)性能對比Fig.5　Comparison of mechanical properties between 5B70 and traditional 5A60

3.35B70與5A06鋁合金合金強(qiáng)韌化機(jī)理

5B70鋁合金新材料是在5A06基礎(chǔ)上復(fù)合添加微量Sc/Zr合金化元素發(fā)展而來，它不但繼承了5A06合金的所有優(yōu)點(diǎn)，而且具備更高的使用性能，是未來鋁鎂系航天金屬材料升級換代的重要備選材料。兩種鋁合金強(qiáng)化效果對比見表3。

表3　5A06和5B70鋁合金強(qiáng)化效果對比Table 3　Strengthening process for 5A06和5B70

1）固溶強(qiáng)化

由于各原子尺寸不同，大量溶質(zhì)Mg原子固溶到Al基體中引起基體晶格畸變?；儜?yīng)變場阻礙位錯運(yùn)動從而引起強(qiáng)烈的固熔強(qiáng)化效果。Al-Mg基合金的固溶強(qiáng)化效果與Mg含量成正比，5B70和5A06合金的Mg含量均高達(dá)6.0%（wt.），合金的固溶強(qiáng)化效果非常顯著。

2）細(xì)晶強(qiáng)化

5B70合金中大量彌散 Al3（Sc， Zr）粒子能促進(jìn)新晶粒形核，在熔煉和焊接過程中細(xì)化鑄態(tài)組織和焊縫熔合區(qū)的晶粒尺寸，引起顯著的細(xì)晶強(qiáng)化效果，如圖6所示。

圖6　細(xì)晶強(qiáng)化效果Fig.6　Comparison of refined crystalline strengthening

3）亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化主要來自于基體中的形變儲能，

5B70合金中大量彌散Al3（Sc， Zr）粒子，在變形過程中能阻礙位錯運(yùn)動，抑制動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生，使形變儲能得以保留，增強(qiáng)合金的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效果，如圖7所示。

圖7　亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效果Fig.7　Comparison of sub-structure strengthening

4）彌散析出強(qiáng)化

5B70合金中大量與基體共格的Al3（Sc， Zr）粒子能釘扎位錯運(yùn)動，阻礙晶界遷移［9］，在焊接過程中能抑制熱影響區(qū)再結(jié)晶形成和晶粒粗化，降低合金焊接軟化程度，如圖8所示。

圖8　彌散析出強(qiáng)化效果Fig.8　HRTEM and TEM of dispersed precipitation

5）各向異性特征較弱

通過控制制備工藝，5B70合金板材不同方向上的性能差異不明顯，合金性能各向異性得到很好控制（見圖9），為作為航天大型主結(jié)構(gòu)材料奠定基礎(chǔ)。

圖9　5B70合金板材各向異性示意Fig.9　Anisotropy of 5B70 alloy plate

4　結(jié)束語

未來載人航天器大型密封艙主結(jié)構(gòu)鋁合金新材料的升級換代，應(yīng)基于我國國情，堅(jiān)持走產(chǎn)-學(xué)-研聯(lián)合自主創(chuàng)新發(fā)展的道路，加快研究及應(yīng)用步伐：

1）加強(qiáng)工程化應(yīng)用驗(yàn)證研究

加強(qiáng)針對5B70合金在新一代可重復(fù)使用載人飛船、載人深空探測器主結(jié)構(gòu)中的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，掌握材料在特殊使用環(huán)境中的適應(yīng)性、損傷積累及演化規(guī)律，積累5B70在型號研制及應(yīng)用驗(yàn)證中的數(shù)據(jù)。

2）提升原材料制備工藝穩(wěn)定性

由于工程化應(yīng)用研究和用料較少，未來所需的大規(guī)格板材和鍛環(huán)制備工藝仍需優(yōu)化，工藝穩(wěn)定性尚需提升。

3）夯實(shí)機(jī)理研究

針對未來復(fù)雜空間環(huán)境長期駐留和天地往返重復(fù)使用的發(fā)展需求，加強(qiáng)鋁鎂鈧合金微結(jié)構(gòu)演變機(jī)理及調(diào)控方法研究，為未來工程應(yīng)用及可靠性控制提供依據(jù)。

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（編輯：閆德葵）

Review of new aluminum alloy materials used in large sealed cabin for manned spaceflight

Meng Song1， Liu Gang2， Fang Jie2， Lai Songbai2， Jiang Feng3， Jiang Kun4
（1.Qian Xuesen Laboratory， China Academy of Space Technology， Beijing 100094 China；2.Beijing Institute of Manned Space System Engineering， China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China；3.School of Materials Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China；4.Beijing Spacecrafts， Beijing 100094， China）

This paper reviews the applications of new aluminum alloy materials in the main structure of manned spacecraft.On the basis of relevant experimental studies and comparison analyses， it is shown that the new 5B70 aluminum-magnesium-scandium alloy is the best alternative materials for the main structure of the upgrading manned spacecraft in China because of its excellent comprehensive performance.To meet the development needs of the shuttle manned aircraft today， the problems to be solved and the challenges to come for the traditional aluminum alloy materials for the upgrading manned spacecraft in the future are analyzed.

manned spacecrafts； structural materials； aluminum alloy； review

V252.1

A

1673-1379（2015）06-0571-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.001

孟松（1962—），女，碩士學(xué)位，研究員，從事航天器焊接材料及工藝、航天器先進(jìn)材料制造技術(shù)體系及發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究。E-mail： mengsong@qxslab.cn。

2015-09-26；

2015-12-11