新型鋁合金的發展及其在密封艙結構上的工程應用

趙云鵬，曾福明，周志勇，成志忠，孫　蕾

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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新型鋁合金的發展及其在密封艙結構上的工程應用

趙云鵬，曾福明，周志勇，成志忠，孫蕾

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

摘要:鑒于輕質鋁合金材料在航天領域的重要作用，綜述分析了國內外新型鋁鋰、鋁鈧合金材料的研發、供貨能力和在載人密封艙結構上的應用情況，同國外相比，我國新型鋁合金在材料研發、工業化生產、焊接工藝等方面還存在較大差距，很難適應當前航天工業快速發展的需要。在綜述分析的基礎上，結合我國載人航天工程的發展需求，分析了新型鋁合金在我國航天器密封艙結構上應用的前景，并對未來的發展與應用提出了展望與建議。

關鍵詞:新型鋁合金；輕量化；密封艙結構；工程應用

1引言

輕量化是航天器結構與有效載荷追求的永恒目標，輕質高強合金、先進復合材料等的應用為航天器平臺與載荷的輕量化提供了有效途徑。近年來，航天輕量化結構材料取得了很大的發展，特別是輕質鋁合金材料，如鋁鋰、鋁鈧合金等，在新型航天器結構上得到了廣泛的使用，美國新一代飛船密封艙結構采用2195鋁鋰合金，強度比2219鋁合金大幅提高，減重效果明顯[1]。而國內在材料研發、工業化生產等環節基礎還比較薄弱，工程應用與材料研發嚴重脫節，制約了航天器結構設計水平的提升。

本文以先進輕質鋁合金為研究對象，通過大量調研，對國內外航空航天領域新材料的應用情況、國內材料研發能力和供貨能力等進行摸底考察，并結合我國航天器結構的發展現狀及未來需求，對新型鋁合金在密封艙結構上應用的可行性進行分析，并對未來發展提出了展望與建議。

2國外新型鋁合金的發展與現狀

對于載人航天器結構，目前常用和有很好發展前景的鋁合金包括：2系鋁合金、5系鋁合金、7系鋁合金、鋁-鋰合金、鋁鈧合金等，根據應用需求可加工成板、帶、條、箔、管、棒、型、線、自由鍛件、模鍛件等，其中具有良好應用前景的是鋁鋰合金和鋁鈧合金[2]。在國外，美、歐、日等國家密封艙主要采用2219鋁-銅合金；從上世紀90年代開始，美國開始采用2195鋁-鋰合金取代2219[1]；目前，美國開發了C557鋁-鎂-鈧合金，并形成規模化量產，已應用在戰斗機和航天器結構中[3]。在俄羅斯，密封艙材料主要為АМГ6鋁-鎂合金；在上世紀80年代，前蘇聯開發了1420鋁-鋰合金，該合金是目前最成熟的鋁-鋰合金，在蘇霍伊、米格戰斗機廣泛應用，但并未應用到密封艙上；上世紀90年代，俄羅斯開始開發1460鋁-鋰合金、1570鋁-鈧合金，以作為新一代載人航天器結構的材料[4]。

2.1鋁鋰合金

鋁鋰合金是指以鋰元素為主合金元素的鋁合金[2]。鋰是自然界最輕的金屬元素，在鋁合金中加入鋰元素，在降低合金密度的同時，可大幅度提高合金的彈性模量。研究表明，在鋁合金中每添加質量1%的鋰，可降低合金密度3%，提高彈性模量6%[5]。

按照發展歷程，鋁鋰合金大體經歷了3個階段。第一階段為20世紀70年代以前，第一代合金Li含量高、密度低，但因其延展性和斷裂韌性低、缺口敏感性高、加工生產困難、價格昂貴等原因，未能推廣使用。20世紀70年代—80年代后期，是鋁鋰合金的第二個發展階段，在此階段，研制成功了低密度型、中強耐損傷型和高強型等一系列較為成熟的鋁鋰合金產品，如蘇聯的1420合金、美國Alcoa的2090合金[5]等，這些合金具有密度低、彈性模量高等優點，但是仍存在各項異性嚴重、焊接性差、強度水平相對較低等問題。進入20世紀90年代以后，開發了一系列具有一定特殊優勢的第三代新型鋁鋰合金，如1460、2050、2195[5]等。這些合金具有良好的可焊性和熱穩定性，合金綜合性能優良，通過結合先進的結構設計可以保證航天器獲得很好的減重效益[6]。目前，國外正在開展第四代鋁鋰合金的研究工作，如2055[5]等，第四代鋁鋰合金的特點是Li含量比第三代鋁鋰合金更低，而性能的最大特點是在裂紋擴展速率、疲勞性能以及彈性模量等和第3代鋁鋰合金相當的條件下，有更高的靜強度(尤其是屈服強度)和更高的斷裂韌性，目前，Alcoa和Alcan兩大鋁業公司正在開展第4代鋁鋰合金的研究[7]。

在航天領域，鋁鋰合金已在許多航天構件上取代了常規鋁合金。美國發現號航天飛機外貯箱(直徑8.4 m、長46.1 m)采用2195鋁鋰合金取代2219合金，使航天飛機減重3600 kg，相當于每1 kg有效載荷節約成本1764美元，這也是美國開發的第三代鋁鋰合金在航天領域的最成功應用[5]；美國的龍飛船、CST-100、MPCV等密封艙主結構均采用2195鋁鋰合金[1]；俄羅斯已將1460鋁合金應用于能源號運載火箭的低溫貯箱，并在1997年將制造的1460液氧貯箱賣給美國麥道公司，用于可重復使用、垂直起降的Delta-Clipper運載火箭DC-X/DC-XA，并進行了四次飛行試驗，可減重約20%[5]。

目前，國外已有20多種鋁鋰合金的生產達到工業化水平，鋁鋰合金的軋制、擠壓、鍛造等技術也已達到常規鋁合金水平。美國Alcoa公司鋁鋰合金的年產量已超過3600 t，根據需要可迅速擴大到年產9000 t，1998年-2011年，該公司向運載火箭提供了超過4000 t鋁合金，其中2195鋁鋰合金800爐，而對應的2219鋁合金僅50爐[7]；英國Alcan公司和法國Pechiney公司聯合建造的鋁鋰合金生產廠年產量可達10 000 t[7]。2007年，NASA與Alcoa公司簽訂了價值1850萬美元的鋁鋰合金開發合約，以發展新一代載人運載火箭所需的制造能力并滿足對高性能鋁鋰合金板錠的需求，按照合約，Alcoa公司將為此項目供應近100萬磅的鋁鋰合金薄板材料[7]。

2.2鋁鈧合金

在鋁合金中添加微量鈧(Sc)，能夠顯著提高鋁合金的強度、抗蝕性、抗熱性和可焊性[2]，因此含鈧鋁合金的研究近年來備受國際材料界的重視，鋁鈧合金也成為繼鋁鋰合金之后的新一代鋁合金結構材料，在航空航天領域具有廣闊應用前景。

上世紀70年代，蘇聯科學院巴依科夫冶金研究院和全俄輕合金研究院相繼對Sc在鋁合金中的存在形式和作用機制進行了系統的研究[5]，經過近四十年的研發，已研制出三大系列(Al-Mg-Sc、Al-Li-Sc、Al-Zn-Mg-Sc)共14個牌號的鋁鈧合金，其中1570合金是Al-Mg-Sc合金中強度最高、應用最廣泛的一種合金，工作溫度在-196～70 ℃，并具有天然超塑性，可替代LF6鋁合金用于包括液氧介質下工作的承載焊接結構，并且性能大大提升[5]。此外，俄羅斯開發了以1970為代表的鋁鋅鎂鈧合金，材料強度達到500 MPa以上[8]。目前，美國也在開展對含鈧鋁合金的研究，美國航天局蘭利研究中心開發的牌號為C557的三元Al-Mg-Sc合金，準備將其應用未來型號任務中[3, 9]。

3國內新型鋁合金的發展與現狀

3.1鋁鋰合金

我國的鋁鋰合金研究從“七五”開始正式起步，由國家立項，中南大學、東北大學、西南鋁加工廠、航天703所等單位聯合開展了仿制中強鋁鋰合金的研究[2]，由于經費少、技術薄弱等原因，未能取得更多實質性成果及應用。“八五”期間，國內多所高校和研究所開展了更廣泛的鋁鋰合金研究，先后開發試制了1420、2090鋁鋰合金，生產出了小規格的板材、型材。同時，由于國家投資強度加大，基礎設施建設也取得較大進展，在西南鋁加工廠建成了1 t級的鋁鋰合金半連續熔鑄機組，為我國鋁鋰合金大規模的工業化生產奠定了一定技術基礎[2]。上世紀90年代，西南鋁廠從俄羅斯引進了6 t級пЛAB-6K鋁鋰合金熔鑄機組和技術[10]。為解決1420薄板單片軋制的問題，國家還投資購置了一臺1650 mm冷軋機[10]。在此基礎上，西南鋁業公司全面掌握了1420、5A90鋁鋰合金的生產、應用技術，目前已可批量生產5A90、1420等合金的薄板、鍛件，并形成了相關的企業標準[11]。

長征2號F火箭的二級艙段、C919大型商用客機、部分導彈彈頭殼體結構均采用了5A90鋁鋰合金板材，有效降低了結構重量[6]；此外，在神舟飛船等型號的非密封艙殼體主結構上也廣泛采用5A90鋁鋰合金板材，起到良好的減重效果[4]。“九五”期間，根據航天型號發展規劃，我國提出了“高強鋁鋰合金研究”的科技攻關任務，該項目瞄準美國航天飛機液氫/液氧貯箱材料WeldaliteTW049系列中的2195合金，由西南鋁業公司和中南大學承擔，項目于1996年12月通過可行性論證，1997年啟動，在2000年試制出了2195合金Φ310～450 mm圓錠和300x1200 mm扁錠，基本技術指標滿足要求[10]。同時，初步解決了2195合金在工業化生產條件下的一系列關鍵工藝技術，成功試制出2195合金Φ360×15×1200 mm的大規格薄壁擠壓管材及2×700×800 mm～5×700×800 mm板材，合金性能與美國2195合金性能相當[10]。

目前，國內只有西南鋁業公司具備2195鋁鋰合金的生產能力，可以提供板材、薄壁型材以及部分鍛件等，其中板材形成了相關的企業標準[11]。但總體來看，2195鋁鋰合金還處于工業化試制階段，在公開的文獻上，尚未有型號應用案例。

3.2鋁鈧合金

國內從90年代開始，中南大學、東北輕合金有限責任公司、西南鋁加工集團等相繼開展了鋁-鎂-鈧合金的研究[12]，目前已經從試驗室研究向工業規模生產研究過渡，并開始向航天、航空和艦船部門供貨[13]。國內鋁-鎂-鈧合金制備技術相對成熟的是東北輕合金公司研制的5B70牌號的鋁-鎂-鈧合金，從2004年開始，經過五年多的研究和試制，從實驗室到工程試制階段，再到工業化生產階段，對鋁鎂鈧合金進行了充分、系統的研究，掌握了鋁鎂鈧合金熔鑄、軋制、鍛造、擠壓和熱處理等關鍵技術，成功試制出鋁鎂鈧合金板材、鍛件、型材和配用焊絲等一系列產品，目前已向各航空航天單位提供了近10 t的5B70合金產品，產品包括板材、鍛件、棒材、絲材等[13-14]。

“十一五”期間航天703所開始進行鋁鈧5B70合金的應用研究工作，突破了變壁厚構件強力旋壓、耐蝕與強度匹配性控制、焊接殘余應力控制技術，制備出了鋁鈧合金適配焊絲，合金中厚板攪拌摩擦焊的接頭強度系數可達到0.92，變極性鎢極氬弧焊和熔化極氣保護焊焊接接頭力學性能相當，接頭強度系數大于0.77[15]。中國空間技術研究院、中南大學等針對5B70材料進行了大量的力學性能測試和工藝性試驗，目前已開始將5B70鋁合金應用到部分密封艙主結構上[16]。

在5B70的基礎上，中南大學和東北輕合金公司開展了鋁鋅鎂鈧合金的研制工作(仿俄羅斯1970合金)，取得了較好效果，目前該公司可提供2 mm厚的板材及小尺寸鍛件等。

4新型鋁合金在密封艙結構的應用

表1所示為國內外典型密封艙結構的關鍵材料使用情況，由表可知，俄羅斯的密封艙主結構材料一直采用AMГ6鋁-鎂合金，而美國、歐洲主要采用2219鋁-銅合金[17]，直到近些年開始研制的龍飛船、MPCV等才開始采用性能先進的鋁鋰合金[18]。相比貯箱等焊接結構，密封艙主結構材料的選用更加保守。

表1　國內外航天器密封艙采用的關鍵材料列表

注：首飛時間來自NASA網站及文獻[20]。

目前，隨著輕量化和低成本的要求越來越高，密封艙結構的材料已不再局限于某種單一的材料，以MPCV為例，其密封艙主結構采用了2195和2219兩種鋁合金材料，采取該方案的原因包括兩點：1)2195鋁合金具有好的比強度；2) 2195鋁合金厚度超過2 inches時會產生較大的各向異性，且供貨材料受尺寸規格的限制。在設計過程中，根據結構承載能力和輕量化需求，在不同區域選擇合適的材料，并最終將兩種材料焊接為整體結構。該方案為密封艙結構的材料選用提供了一種新的理念[18]。

對于密封艙結構，還要重點關注焊接技術。傳統的密封艙結構一般采用VPPA等熔焊技術。1991年，劍橋大學焊接研究所(TWI)發明了攪拌摩擦焊技術(FSW)，FSW焊接變形小、力學性能高、焊接成本低，但補焊效果差[21]。1995年，TWI又開發了摩擦塞焊，洛克希德.馬丁公司利用該技術解決了補焊的問題，進一步提高了焊接質量[22]。NASA開發了可回抽式攪拌頭，在環縫末尾將攪拌針逐漸回抽，實現環焊縫“無孔”焊接[23]。目前，龍飛船、CST-100均采用2195鋁鋰合金和攪拌摩擦焊來實現密封艙的成型[24]。雖然2195等先進鋁鋰合金和攪拌摩擦焊技術在歐美已經開始廣泛推廣，但也僅僅是近十年才興起，還有很多問題需要去解決，比如美國可重復使用運載器的貯箱，最初方案是采用2195鋁鋰合金，后來因為工藝等各方面問題重新改回2219鋁銅合金[25]。

雖然國內對新型鋁合金進行了大量的試驗研究，并取得了較好的成果，但到了工業化生產階段，材料力學性能和工藝性能均有所下降，特別是材料的穩定性還有待提高。表2列出了國內幾種典型可焊鋁合金的性能，其中5A06是目前密封艙結構主要應用的材料，但其屈服極限較低，已不能夠適應新型密封艙結構的發展需求。最近，國內北京空間飛行器總體設計部等單位開始將5B70鋁鈧合金應用到密封艙結構上，該材料在強度上較5A06有一定的提升，達到270 Mpa，但力學性能與新型鋁鋰、鋁鈧合金相比還有較大差距[13, 15]。

表2國內典型可焊鋁合金性能參數

Table 2Mechanical properties of aluminum alloy in China

合金型號屈服極限/MPa彈性模量/GPa焊接系數5A06155680.855B70270680.771970大于500約700.75219558178.50.5～0.6

注：上表各數據焊接系數為試驗測試值，其它數據來自文獻[4]、[8]。

在焊接工藝方面，國內對攪拌摩擦焊等工藝有較深入的研究，哈工大焊接實驗室取5 mm厚的鋁鋰合金板進行攪拌摩擦焊，當焊接速度V=60 mm/min時，焊縫強度最高，對應焊接系數可達到0.61[26]。目前，國內攪拌摩擦焊工藝發展比較成熟，在運載火箭領域已廣泛采用，但主要應用在貯箱等結構縱向對接焊縫上。在環焊縫焊接過程中，容易留下較多缺陷，還需要進行更多的基礎研究和工程探索[27]。

5密封艙結構材料需求分析

從前蘇聯的第一艘載人航天飛船東方一號成功發射，到目前在軌運行的大型國際空間站，再到未來的載人深空探測，密封艙結構的發展呈現出以下特點：

1)長壽命：國際空間站結構在軌設計壽命15年，目前提出延壽5年，實際使用壽命達到20年[28]；而火星探測任務對密封艙的壽命和可靠性提出了更高的要求，要求材料具有更好的耐疲勞特性[29]。目前，國內密封艙結構采用的5A06鋁鎂合金斷裂韌度KC值為44 Mpa.M1/2，優于國際空間站的2219鋁銅合金，但與2195鋁鋰合金的60 Mpa.M1/2還有顯著差距[4, 30]，考慮到未來密封艙結構的可重復使用要求，以2195為代表的新型高強韌鋁合金具有十分迫切的應用需求。

2)大型化：國際空間站大型艙體結構直徑超過4 m，長度達15 m以上[28]，隨著后續太空的開發，艙體結構直徑將更加龐大。對高性能鋁合金板材、鍛件的規格種類、性能穩定性要求也更高。

3)輕量化：輕量化是航天器的設計宗旨，特別在后續載人深空探測的過程中，對結構質量非常敏感，要求也會更加苛刻。密封艙結構的輕量化要求重點關注材料的綜合性能。首先，材料應具備較低的密度；其次，材料較高的強度、斷裂韌性KC值可以帶來充分的設計空間，進而實現結構的減重優化；最后，材料性能的穩定性、一致性，可以有效降低設計安全系數，從而實現結構的輕量化。

目前國內密封艙結構采用的5A06材料屈服強度較低，已很難滿足未來新型密封艙結構的設計需要。鋁鈧合金1970和鋁鋰合金2195屈服強度較高，是未來新型密封艙結構的優選材料，其中1970鋁合金屈服性能超過500 MPa，與2195基本相當，焊接系數可達0.75，高于2195的焊接系數0.5，同時鋁鈧合金的煉制設備要求低，容易實現工業化生產，在當前國內工業化水平制約下，可以作為新型密封艙結構的重點關注材料。2195鋁鋰合金具有高模量(78.5 GPa)[4]的突出優點，隨著我國工業化應用的深入研究，待其材料性能穩定、供貨規格滿足需求時，可以用于新型密封艙結構的優選材料。

6結論

根據以上分析，可以得到以下結論：

1)5A06鋁合金還是我國密封艙結構的主要材料，5B70合金已開始工程應用，但材料一致性、材料力學性能還有較大提升空間；

2)1970鋁鈧合金屈服強度和焊接系數高，同時煉制設備要求低，容易實現工業化生產，在當前國內工業化水平制約下，可以作為新型密封艙結構的重點關注材料；

3)2195鋁鋰合金具有高模量的突出優點，隨著我國工業化應用的深入研究，待其材料性能穩定、供貨規格滿足需求時，可以用于新型密封艙結構的優選材料；

4)我國攪拌摩擦焊工藝較為成熟，可以應用到密封艙結構焊接上，但后續還需解決焊接缺陷、補焊等問題。

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Development and Potential Applications of Advanced Aluminum Alloy in Spacecraft Pressurized Cabin

ZHAO Yunpeng, ZENG Fuming, ZHOU Zhiyong, CHENG Zhizhong, SUN Lei

(Institute of Spacecraft System Engineering CAST, Beijing 100094, China)

Abstract:For the widely use of lightweight materials in spacecraft, the research, application and jointing method of aluminum alloy were analyzed. There is a large gap in China as compared with abroad, which greatly hinders the development of aerospace industry. Finally, the potential applications and prospects of the new aluminum alloy in spacecraft pressurized cabin were analyzed based on the requirements of China's manned space program.

Key words:new aluminum alloy; lightweight; spacecraft pressurized cabin; potential applications

收稿日期：2015-07-24；修回日期：2016-03-28

基金項目：載人航天預先研究項目(060104)

作者簡介：趙云鵬(1983-)，男，碩士，工程師，研究方向為航天器結構設計。Email：zhaoyunpeng18@163.com

中圖分類號：V45

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0302-06