高強鋁合金薄壁高筋大型壁板精確成形制造技術研究

李倩云，胡 勇，王 辰，王 迪，張 東

(北京宇航系統工程研究所, 北京 100076)

0 引言

運載火箭是完成國家重大航天工程和實現航天強國的基本保證，《2017—2045年航天運輸系統發展路線圖》規劃中提到，到2020年，我國長征系列運載火箭將達到國際一流水平，同時面向全球提供多樣化的商業發射服務，并實現運載火箭的低成本制造，這對火箭結構的高性能、低成本、高效制備提出了更高的要求。

艙段的輕質、低成本、高效制造是提高運載火箭運載能力與可靠性,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件，其加工技術是艙段能否實現輕質、低成本、高效制備的關鍵。隨著航天技術的發展，以CZ-5、CZ-9為代表的新一代運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苛。因此，發展高性能、低成本、高效制造整體壁板技術迫在眉睫。

1 壁板制造概述

目前，箭體結構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

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

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

2)工序周期長，質量穩定性差。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，因此鉚接質量一致性很難保證，容易出現鉚釘頭偏移、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構的承載能力；其次大量鉚釘的存在大大增加了殼段裝配周期和裝配難度(鉚接工藝約占殼段生產周期的60%～80%)。表1給出了在不考慮框環鉚接的前提下，

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量統計情況：直徑

Φ

≤5 m艙段的鉚釘數量超過6 000個，當達到

Φ

10 m后，鉚釘數量增大至11 520個。

Φ

10 m芯級的鋁合金艙段達40余米，4個

Φ

5 m助推器鋁合金艙段近50 m，不考慮框環和其他支架裝配鉚接，鉚釘數量已經達到80多萬個。

隨著箭體直徑增大，鉚釘數量的急劇增多，嚴重制約了運載火箭的輕質、高效、低成本制備。

(a)薄板加筋條鉚接

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

表1 單位長度的不同規格艙段所使用的鉚釘數量

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械加工量大、材料利用率低(不足30%)和制造成本高等缺點，而且在加工過程中產生的應力較大，從而造成難以保證成形精度、流變組織被破壞等諸多問題，很難實現高效快速制造，難以滿足新一代運載火箭的發展需求。

圖2 厚板機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效率高、可以實現復雜截面型材一次擠壓成形且成形精度、穩定性高等特點，已逐漸應用在航天大型高性能鋁合金構件制造領域。擠壓過程中材料受三向壓縮應力，有利于塑性能力的發揮，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構會全部得到保留，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 整體壁板研究現狀

在大規格寬幅整體擠壓壁板成形制造技術方面，美國與俄羅斯現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，再通過展平校正結合退火、時效成形、加工等精密熱處理工藝實現可熱處理強化寬幅壁板材料的精準成形與精密成形，結合焊接成形工藝實現大規格結構艙段的整體制造。

美國的運載火箭艙段整體壁板成形制造工藝最早是鉚接結構。考慮到該制造方式造成結構增重較多，之后選用焊接工藝，實現了一定的結構減重，但焊接強度較低，難以滿足高載疲勞服役工況需求。在2015年之后轉用整體擠壓成形制造工藝，然而目前此方面的研究進展及技術成熟度鮮有報道。俄羅斯在20世紀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。國內方面，中南大學、北京航空材料研究院、西南鋁業等科研院校和企業開展了小規格寬幅薄壁高筋壁板的研究，從新型高強鋁合金材料設計到加工成形和熱處理成形都取得了一些進展。

不過，采用擠壓方式制造寬幅帶筋整體壁板對壓機噸位水平和工裝設備均提出較高要求。擠壓制造幅寬800 mm板材需要125 MN的擠壓機；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、成本高。國內在用的最大雙動油壓擠壓機為山東兗礦輕合金公司從德國西馬克公司引進的的150 MN擠壓機，國內尚無滿足幅寬近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定性，并兼具高效、低成本、高性能等特點，如圖3所示。而要實現高強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 整體壁板成形關鍵技術

3.1 高強韌高成形性可焊鋁合金設計

要實現高強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，需要在材料設計與加工工藝方面展開研究。發展擠壓流變高效、低成本制造艙段壁板技術，要求合金選材綜合考量材料強度、成形能力以及焊接性能。針對航天應用，國內外學者在高強鋁合金成分設計方面系統研究了主合金(Cu，Zn，Mg等)、雜質(Fe，Si等)以及稀土(Sc，Er和Zr等)等元素對2系列、7系列鋁合金強韌性、耐蝕能力、損傷容限等影響。

目前艙段結構為了保證強度，所選用的高強鋁合金存在種類繁多、形變協調性差的物相，嚴重制約其塑性流變能力的發揮，這種強度和塑性流變能力的矛盾制約了高強鋁合金強塑性流變制造復雜構件的能力。同時，由于物相組成的復雜性造成高強合金的焊接性能調控難度大，因此，亟需突破高強鋁合金組織與成分的精準設計，平衡材料的加工性能與服役性能，開發出一種高強高成形性可焊鋁合金，以滿足新一代運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性能要求的協調控制，本文制定適配寬幅薄壁高筋壁板用高強高韌以及高成形性鋁合金成分方案，如表2所示。

表2 高強、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下的掃描組織。可以看到，鑄錠經過均勻化熱處理后，在晶內得到細小彌散的析出相，并且原來沿晶界析出的粗大初生相發生溶解細化而在晶界上呈斷續分布。此種狀態的組織既保留了細小彌散質點所帶來的強化效果，又可以保證在擠壓變形過程中晶界/晶內的變形協調性。

圖4為不同熱處理狀態下合金的透射組織。圖4(a)顯示在T4狀態下，組織內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)觀察到了一定數量的

η

′相和

η

相分別在晶內和晶界上析出，在后續過時效的狀態下，

η

′和

η

析出相數量增加且發生了粗化。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度下降。

(a)T4

(b) T6

(c) T7圖4 不同狀態合金的TEM組織照片Fig.4 TEM microstructures of the alloys

對不同狀態下的合金力學性能進行了測試，其結果如表3所示。可以看到，合金有著較高的力學性能，尤其是在T6狀態下，其抗拉強度和屈服強度分別達到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)，具有較好的強韌性和耐磨性。

表3 不同狀態合金的力學性能結果

3.2 高純均質熔鑄工藝

通過強塑性變形制造薄壁構件，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定性。因此，高品質鑄錠制造是強塑性流變制造高性能高精度薄壁高筋大型壁板的基礎。多年來，眾多科研單位和學者為提高熔體質量、減小鑄錠宏觀偏析以及縮減晶粒尺寸差異進行了大量的研究與探索。根據前期研究，薄壁高筋壁板用鑄錠冶金品質要求熔體氫含量小于0.1 mL/100 gAl，大于10 μm夾雜去除率達95%，小于10 μm夾雜去除率達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，現有的基于中厚板和鍛件的大規格構件制備的2系列、7系列鋁合金熔鑄技術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，即在強塑性變形時容易形成應力集中區，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，在復雜斷面金屬流變過程中小尺寸夾雜易形成裂紋源，直接導致產品失效。

2)高合金鑄錠的成分偏析嚴重。均勻化熱處理可通過溶質原子的短程擴散緩解鑄錠的微觀偏析問題，但無法消除宏觀偏析。在強塑性變形時，成分偏析引起材料微觀性能不均勻耦合金屬質點的流變不均勻，使得壁板整體的應力-應變場極度不均勻，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強塑性變形過程中是以局部質點群的不均勻流動來體現的，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

由于構件存在截面復雜、壁薄、筋高等特點，目前鮮有通過強塑性流變制造整體薄壁帶筋壁板的研究報道。而少量相關研究主要集中于通過平板機加(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構復雜，不同部位與模具之間摩擦副的性質差異大，造成質點流動、溫度差異大，甚至出現紊流導致壁板流變失穩，從而產生金屬瘤、扭曲、皺褶、破裂等擠壓缺陷，嚴重影響壁板成形率；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變速率/應變溫度敏感，復雜結構件的性能不均勻顯著。此外，復雜截面構件不同部位擠壓變形工藝參數分布范圍大，而高強合金擠壓變形參數可行區間小，突破強塑性擠壓均勻流變制造技術是高強鋁合金寬幅薄壁高筋壁板整體成形的先決條件。在上述認識基礎上，已對幅寬650 mm壁板強塑性變形技術進行了研究，已經成功制備出筋高43 mm、壁厚1.5 mm、筋間距175.5 mm的高強鋁合金薄壁高筋大型壁板縮比件，如圖6所示。

通過調整擠壓工藝參數(擠壓溫度、擠壓速度等)達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。可以看到，各部位晶粒經過擠壓后得到充分破碎變形，沿擠壓方向呈細小均勻分布，且各部位之間的微觀組織狀態接近，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 擠壓態各部位金相組織Fig.7 Metallurgical structure after extrusion

3.4 復雜斷面構件熱處理調控

斷面結構復雜的壁板在熱處理過程中，溫度場和應力場分布不均勻，在多重熱力場作用下，多尺度多相微結構呈現出復雜多樣性。研究人員針對機加整體壁板的熱處理調控做了大量的研究，為機加壁板的形性控制形成了有效的指導。然而，強塑性流變成形整體壁板與機加整體壁板不同，在強塑性變形條件下，斷面復雜的大型壁板應變復雜，多相多尺度的微觀結構在應力場-熱場作用下演變機理復雜，各個工序之間的壁板殘余應力分布變化劇烈且不均勻，形成特有的組織模式-性能調控難題。本文作者對制備的650 mm壁板的固溶時效處理制度進行了研究，并完成了壁板抗拉強度、屈服強度、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律。后續工作需要探明大型壁板在熱處理中組織流變-微結構演變-綜合性能間的關聯關系，以達到薄壁高筋整體壁板高性能精確成形的目的。

4 結論

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定性的同時降低制造成本，符合航天鋁合金大型構件整體快速制造的發展方向。

1) 相較于傳統的制造方式，鋁合金整體擠壓成形壁板具有生產效率高、產品質量好等特點，具有重要的推廣與應用價值；

2)后續將開展結構壁板的輕量化設計研究，對結構加強筋幾何拓撲形式、分布密度與結構尺寸進行優化設計，實現輕量化高可靠性設計；突破輕質、高強韌、大直徑(≥2 m)復雜鋁合金結構壁板的高精度成形與控制技術，實現曲率精確成形與低成本制造，完成對曲面成形后材料性能、微觀組織與殘余應力動態演變規律的研究與準確預估。