高強(qiáng)鋁合金薄壁高筋大型壁板精確成形制造技術(shù)研究

李倩云，胡 勇，王 辰，王 迪，張 東

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所, 北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭是完成國家重大航天工程和實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國的基本保證，《2017—2045年航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》規(guī)劃中提到，到2020年，我國長征系列運(yùn)載火箭將達(dá)到國際一流水平，同時面向全球提供多樣化的商業(yè)發(fā)射服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的低成本制造，這對火箭結(jié)構(gòu)的高性能、低成本、高效制備提出了更高的要求。

艙段的輕質(zhì)、低成本、高效制造是提高運(yùn)載火箭運(yùn)載能力與可靠性,降低制造成本與提升制造效率的主要途徑。壁板作為艙段的主要組成構(gòu)件，其加工技術(shù)是艙段能否實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、低成本、高效制備的關(guān)鍵。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，以CZ-5、CZ-9為代表的新一代運(yùn)載火箭箭體直徑跨向5～10 m級，不僅對艙段壁板的形狀尺寸提出了新的需求(壁板幅寬超過1 300 mm，幅寬/壁厚≈867，筋高/壁厚≈29)，而且對性能的要求更為嚴(yán)苛。因此，發(fā)展高性能、低成本、高效制造整體壁板技術(shù)迫在眉睫。

1 壁板制造概述

目前，箭體結(jié)構(gòu)帶筋壁板成形方式主要有：薄板筋條鉚接成形、厚板銑削成形和整體擠壓成形3種。

1.1 薄板筋條鉚接

目前箭體結(jié)構(gòu)艙段主要采用薄板與筋條鉚接的生產(chǎn)方式制造，如圖1所示。此方法主要存在以下弊端：

1)設(shè)計(jì)和管理成本高。鉚釘連接雖然工藝簡單，但是需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量的零件裝配設(shè)計(jì)工作，尤其是因儀器位置更改而引起的鉚釘設(shè)計(jì)量幾乎占到殼段設(shè)計(jì)總量的30%～40%，并且會引發(fā)相同零件因不同鉚釘設(shè)計(jì)而造成圖號大量增多的情況，這種方式不利于通用化設(shè)計(jì)及貨架式管理，同時大大增加了殼段生產(chǎn)的管理成本；

2)工序周期長，質(zhì)量穩(wěn)定性差。鉚接由工人手工操作，與工人的技能水平和熟練程度息息相關(guān)，因此鉚接質(zhì)量一致性很難保證，容易出現(xiàn)鉚釘頭偏移、釘桿歪斜、接合面有縫隙等缺陷。圖1為典型的鉚接缺陷，這些都會影響艙段結(jié)構(gòu)的承載能力；其次大量鉚釘?shù)拇嬖诖蟠笤黾恿藲ざ窝b配周期和裝配難度(鉚接工藝約占?xì)ざ紊a(chǎn)周期的60%～80%)。表1給出了在不考慮框環(huán)鉚接的前提下，

Φ

2.25 m、

Φ

3.35 m、

Φ

5 m和

Φ

10 m的艙段單位長度鉚釘數(shù)量統(tǒng)計(jì)情況：直徑

Φ

≤5 m艙段的鉚釘數(shù)量超過6 000個，當(dāng)達(dá)到

Φ

10 m后，鉚釘數(shù)量增大至11 520個。

Φ

10 m芯級的鋁合金艙段達(dá)40余米，4個

Φ

5 m助推器鋁合金艙段近50 m，不考慮框環(huán)和其他支架裝配鉚接，鉚釘數(shù)量已經(jīng)達(dá)到80多萬個。

隨著箭體直徑增大，鉚釘數(shù)量的急劇增多，嚴(yán)重制約了運(yùn)載火箭的輕質(zhì)、高效、低成本制備。

(a)薄板加筋條鉚接

(b) 鉚接表面缺陷圖1 帶筋壁板生產(chǎn)制造Fig.1 Production of panel

表1 單位長度的不同規(guī)格艙段所使用的鉚釘數(shù)量

1.2 厚板銑削加工

如圖2所示，通過厚板銑削加工來制造整體帶筋壁板是目前整體薄壁高筋板制造的又一主要途徑。然而該制備方式不僅存在機(jī)械加工量大、材料利用率低(不足30%)和制造成本高等缺點(diǎn)，而且在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力較大，從而造成難以保證成形精度、流變組織被破壞等諸多問題，很難實(shí)現(xiàn)高效快速制造，難以滿足新一代運(yùn)載火箭的發(fā)展需求。

圖2 厚板機(jī)加整體帶筋壁板板坯Fig.2 Thin wall panel with high ribs processed by plate milling

1.3 整體擠壓成形

相對于鋁合金軋制板材加桁條鉚接，以及軋制厚板銑削帶筋的艙段壁板成形方式，鋁合金塑性擠壓成形具有生產(chǎn)效率高、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜截面型材一次擠壓成形且成形精度、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，已逐漸應(yīng)用在航天大型高性能鋁合金構(gòu)件制造領(lǐng)域。擠壓過程中材料受三向壓縮應(yīng)力，有利于塑性能力的發(fā)揮，同時晶粒與第二相會充分破碎，有利于第二相回溶，并且材料的形變亞結(jié)構(gòu)會全部得到保留，這為高性能寬幅薄壁高筋壁板的整體制造提供了新的途徑。

2 整體壁板研究現(xiàn)狀

在大規(guī)格寬幅整體擠壓壁板成形制造技術(shù)方面，美國與俄羅斯現(xiàn)有成熟的制備工藝都是采用整體擠壓出帶筋平板或者帶筋圓筒殼，再通過展平校正結(jié)合退火、時效成形、加工等精密熱處理工藝實(shí)現(xiàn)可熱處理強(qiáng)化寬幅壁板材料的精準(zhǔn)成形與精密成形，結(jié)合焊接成形工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)格結(jié)構(gòu)艙段的整體制造。

美國的運(yùn)載火箭艙段整體壁板成形制造工藝最早是鉚接結(jié)構(gòu)?？紤]到該制造方式造成結(jié)構(gòu)增重較多，之后選用焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了一定的結(jié)構(gòu)減重，但焊接強(qiáng)度較低，難以滿足高載疲勞服役工況需求。在2015年之后轉(zhuǎn)用整體擠壓成形制造工藝，然而目前此方面的研究進(jìn)展及技術(shù)成熟度鮮有報道。俄羅斯在20世紀(jì)80年代開展整體擠壓成形制造工藝研究(5系列系鋁合金)，位于烏克蘭的薩馬拉冶金廠制造出了幅寬1 800 mm、幅長8 000 mm的整體擠壓壁板，已應(yīng)用于野牛登陸艦船等型號裝備，不過其壁板厚度大于5 mm。國內(nèi)方面，中南大學(xué)、北京航空材料研究院、西南鋁業(yè)等科研院校和企業(yè)開展了小規(guī)格寬幅薄壁高筋壁板的研究，從新型高強(qiáng)鋁合金材料設(shè)計(jì)到加工成形和熱處理成形都取得了一些進(jìn)展。

不過，采用擠壓方式制造寬幅帶筋整體壁板對壓機(jī)噸位水平和工裝設(shè)備均提出較高要求。擠壓制造幅寬800 mm板材需要125 MN的擠壓機(jī)；若制造幅寬1 000 mm板材，對擠壓力的需求則提高至225 MN，且擠壓難度大、易失穩(wěn)、成本高。國內(nèi)在用的最大雙動油壓擠壓機(jī)為山東兗礦輕合金公司從德國西馬克公司引進(jìn)的的150 MN擠壓機(jī)，國內(nèi)尚無滿足幅寬近1 300 mm壁板擠壓成形的裝備。鑒于此，研究人員提出了帶筋筒形件擠壓開坯后剖展的方法制造寬幅薄壁高筋壁板，降低其對工裝和裝備要求的同時提高成形穩(wěn)定性，并兼具高效、低成本、高性能等特點(diǎn)，如圖3所示。而要實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金寬幅薄壁高筋壁板的高性能高精度整體成形，不僅要求精確控制材料塑性流變均勻性，同時對所用材料提出了高力學(xué)性能、高成形性的綜合要求。

圖3 帶筋筒形件擠壓開坯后剖展制造寬幅薄壁高筋壁板Fig.3 Production of thin wall with high ribs by extrusion through cylindrical part

3 整體壁板成形關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高強(qiáng)韌高成形性可焊鋁合金設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金寬幅薄壁高筋壁板的高性能高精度整體成形，對材料的高成形性能及塑性流變均勻性精確控制提出了極高的要求，需要在材料設(shè)計(jì)與加工工藝方面展開研究。發(fā)展擠壓流變高效、低成本制造艙段壁板技術(shù)，要求合金選材綜合考量材料強(qiáng)度、成形能力以及焊接性能。針對航天應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者在高強(qiáng)鋁合金成分設(shè)計(jì)方面系統(tǒng)研究了主合金(Cu，Zn，Mg等)、雜質(zhì)(Fe，Si等)以及稀土(Sc，Er和Zr等)等元素對2系列、7系列鋁合金強(qiáng)韌性、耐蝕能力、損傷容限等影響。

目前艙段結(jié)構(gòu)為了保證強(qiáng)度，所選用的高強(qiáng)鋁合金存在種類繁多、形變協(xié)調(diào)性差的物相，嚴(yán)重制約其塑性流變能力的發(fā)揮，這種強(qiáng)度和塑性流變能力的矛盾制約了高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)塑性流變制造復(fù)雜構(gòu)件的能力。同時，由于物相組成的復(fù)雜性造成高強(qiáng)合金的焊接性能調(diào)控難度大，因此，亟需突破高強(qiáng)鋁合金組織與成分的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，平衡材料的加工性能與服役性能，開發(fā)出一種高強(qiáng)高成形性可焊鋁合金，以滿足新一代運(yùn)載火箭使用艙段壁板的選材需求。針對艙段壁板用合金所需高塑性流變成形能力以及最終力學(xué)性能要求的協(xié)調(diào)控制，本文制定適配寬幅薄壁高筋壁板用高強(qiáng)高韌以及高成形性鋁合金成分方案，如表2所示。

表2 高強(qiáng)、高韌以及高成形性鋁合金主要成分

圖4顯示了合金在不同狀態(tài)下的掃描組織?？梢钥吹剑T錠經(jīng)過均勻化熱處理后，在晶內(nèi)得到細(xì)小彌散的析出相，并且原來沿晶界析出的粗大初生相發(fā)生溶解細(xì)化而在晶界上呈斷續(xù)分布。此種狀態(tài)的組織既保留了細(xì)小彌散質(zhì)點(diǎn)所帶來的強(qiáng)化效果，又可以保證在擠壓變形過程中晶界/晶內(nèi)的變形協(xié)調(diào)性。

圖4為不同熱處理狀態(tài)下合金的透射組織。圖4(a)顯示在T4狀態(tài)下，組織內(nèi)部無明顯的析出相且晶界平直。如圖4(b)所示，峰值時效條件下(T6)觀察到了一定數(shù)量的

η

′相和

η

相分別在晶內(nèi)和晶界上析出，在后續(xù)過時效的狀態(tài)下，

η

′和

η

析出相數(shù)量增加且發(fā)生了粗化。過時效引起的析出相聚集和粗化對位錯阻礙作用弱化，在一定程度上使合金強(qiáng)度下降。

(a)T4

(b) T6

(c) T7圖4 不同狀態(tài)合金的TEM組織照片F(xiàn)ig.4 TEM microstructures of the alloys

對不同狀態(tài)下的合金力學(xué)性能進(jìn)行了測試，其結(jié)果如表3所示?？梢钥吹剑辖鹩兄^高的力學(xué)性能，尤其是在T6狀態(tài)下，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到506 MPa和484 MPa，且保持較高的延伸率(14%)和高硬度(顯微硬度為160 HV)，具有較好的強(qiáng)韌性和耐磨性。

表3 不同狀態(tài)合金的力學(xué)性能結(jié)果

3.2 高純均質(zhì)熔鑄工藝

通過強(qiáng)塑性變形制造薄壁構(gòu)件，鑄錠的某些宏觀、微觀缺陷會被放大,如圖5所示的沿晶界分布的孔洞、夾雜，以及因鑄造工藝不當(dāng)而造成的諸如晶粒尺寸不均、樹枝晶等，同時微觀缺陷還會影響形變過程的穩(wěn)定性。因此，高品質(zhì)鑄錠制造是強(qiáng)塑性流變制造高性能高精度薄壁高筋大型壁板的基礎(chǔ)。多年來，眾多科研單位和學(xué)者為提高熔體質(zhì)量、減小鑄錠宏觀偏析以及縮減晶粒尺寸差異進(jìn)行了大量的研究與探索。根據(jù)前期研究，薄壁高筋壁板用鑄錠冶金品質(zhì)要求熔體氫含量小于0.1 mL/100 gAl，大于10 μm夾雜去除率達(dá)95%，小于10 μm夾雜去除率達(dá)90%；為保證鑄錠良好的加工性能與制品的性能均勻性，鑄錠成分宏觀偏析需小于5%，鑄錠組織晶粒級別差異小于1級。

(a) 孔洞與夾雜物

(b) 不均勻晶粒尺寸

(c) 樹枝晶圖5 合金鑄錠中的宏微觀缺陷Fig.5 Macro/micro defects in ingots

不過，現(xiàn)有的基于中厚板和鍛件的大規(guī)格構(gòu)件制備的2系列、7系列鋁合金熔鑄技術(shù)水平難以滿足上述要求。目前仍存在以下問題：

1)微粒夾雜的去除，小尺寸夾雜對艙段壁板成形性的影響與基體難溶相基本相似，即在強(qiáng)塑性變形時容易形成應(yīng)力集中區(qū)，使得壁板成形性降低。在制造寬幅整體單元壁板時，夾雜缺陷的敏感性成倍增加，在復(fù)雜斷面金屬流變過程中小尺寸夾雜易形成裂紋源，直接導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

2)高合金鑄錠的成分偏析嚴(yán)重。均勻化熱處理可通過溶質(zhì)原子的短程擴(kuò)散緩解鑄錠的微觀偏析問題，但無法消除宏觀偏析。在強(qiáng)塑性變形時，成分偏析引起材料微觀性能不均勻耦合金屬質(zhì)點(diǎn)的流變不均勻，使得壁板整體的應(yīng)力-應(yīng)變場極度不均勻，提高了壁板的精確控形難度。

3)鑄錠斷面晶粒尺寸差異大。晶粒組織的差異性在后續(xù)強(qiáng)塑性變形過程中是以局部質(zhì)點(diǎn)群的不均勻流動來體現(xiàn)的，且隨著鑄錠尺寸的增加，斷面晶粒尺寸的差異越大。

3.3 擠壓流變整體成形

由于構(gòu)件存在截面復(fù)雜、壁薄、筋高等特點(diǎn)，目前鮮有通過強(qiáng)塑性流變制造整體薄壁帶筋壁板的研究報道。而少量相關(guān)研究主要集中于通過平板機(jī)加(如銑削)或板材加筋條鉚焊，而后彎曲成形的方式制造高筋壁板。薄壁帶筋壁板筒形件斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同部位與模具之間摩擦副的性質(zhì)差異大，造成質(zhì)點(diǎn)流動、溫度差異大，甚至出現(xiàn)紊流導(dǎo)致壁板流變失穩(wěn)，從而產(chǎn)生金屬瘤、扭曲、皺褶、破裂等擠壓缺陷，嚴(yán)重影響壁板成形率；同時，由于晶粒組織形貌、尺寸以及第二相的大小及分布對應(yīng)變速率/應(yīng)變溫度敏感，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的性能不均勻顯著。此外，復(fù)雜截面構(gòu)件不同部位擠壓變形工藝參數(shù)分布范圍大，而高強(qiáng)合金擠壓變形參數(shù)可行區(qū)間小，突破強(qiáng)塑性擠壓均勻流變制造技術(shù)是高強(qiáng)鋁合金寬幅薄壁高筋壁板整體成形的先決條件。在上述認(rèn)識基礎(chǔ)上，已對幅寬650 mm壁板強(qiáng)塑性變形技術(shù)進(jìn)行了研究，已經(jīng)成功制備出筋高43 mm、壁厚1.5 mm、筋間距175.5 mm的高強(qiáng)鋁合金薄壁高筋大型壁板縮比件，如圖6所示。

通過調(diào)整擠壓工藝參數(shù)(擠壓溫度、擠壓速度等)達(dá)到保證擠壓組織均勻性的目的。圖7顯示了制備得到的整體薄壁帶筋壁板板基、筋中和筋頭的微觀組織?？梢钥吹剑鞑课痪Я＝?jīng)過擠壓后得到充分破碎變形，沿?cái)D壓方向呈細(xì)小均勻分布，且各部位之間的微觀組織狀態(tài)接近，符合帶筋壁板對組織均勻性的要求。

(a) 擠壓帶筋筒形件

(b) 剖展精整后的帶筋壁板

圖7 擠壓態(tài)各部位金相組織Fig.7 Metallurgical structure after extrusion

3.4 復(fù)雜斷面構(gòu)件熱處理調(diào)控

斷面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壁板在熱處理過程中，溫度場和應(yīng)力場分布不均勻，在多重?zé)崃鲎饔孟?，多尺度多相微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出復(fù)雜多樣性。研究人員針對機(jī)加整體壁板的熱處理調(diào)控做了大量的研究，為機(jī)加壁板的形性控制形成了有效的指導(dǎo)。然而，強(qiáng)塑性流變成形整體壁板與機(jī)加整體壁板不同，在強(qiáng)塑性變形條件下，斷面復(fù)雜的大型壁板應(yīng)變復(fù)雜，多相多尺度的微觀結(jié)構(gòu)在應(yīng)力場-熱場作用下演變機(jī)理復(fù)雜，各個工序之間的壁板殘余應(yīng)力分布變化劇烈且不均勻，形成特有的組織模式-性能調(diào)控難題。本文作者對制備的650 mm壁板的固溶時效處理制度進(jìn)行了研究，并完成了壁板抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率以及焊接性能的檢測，明確了壁板全流程的組織演變規(guī)律。后續(xù)工作需要探明大型壁板在熱處理中組織流變-微結(jié)構(gòu)演變-綜合性能間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以達(dá)到薄壁高筋整體壁板高性能精確成形的目的。

4 結(jié)論

本文所提出的整體擠壓成形壁板，可以在提高制造效率和成形穩(wěn)定性的同時降低制造成本，符合航天鋁合金大型構(gòu)件整體快速制造的發(fā)展方向。

1) 相較于傳統(tǒng)的制造方式，鋁合金整體擠壓成形壁板具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好等特點(diǎn)，具有重要的推廣與應(yīng)用價值；

2)后續(xù)將開展結(jié)構(gòu)壁板的輕量化設(shè)計(jì)研究，對結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋幾何拓?fù)湫问健⒎植济芏扰c結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕量化高可靠性設(shè)計(jì)；突破輕質(zhì)、高強(qiáng)韌、大直徑(≥2 m)復(fù)雜鋁合金結(jié)構(gòu)壁板的高精度成形與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)曲率精確成形與低成本制造，完成對曲面成形后材料性能、微觀組織與殘余應(yīng)力動態(tài)演變規(guī)律的研究與準(zhǔn)確預(yù)估。