趙云鵬，曾福明，周志勇，成志忠，孫　蕾

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

?

新型鋁合金的發(fā)展及其在密封艙結(jié)構(gòu)上的工程應(yīng)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(shè)計(jì)部，北京 100094)

摘要:鑒于輕質(zhì)鋁合金材料在航天領(lǐng)域的重要作用，綜述分析了國(guó)內(nèi)外新型鋁鋰、鋁鈧合金材料的研發(fā)、供貨能力和在載人密封艙結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用情況，同國(guó)外相比，我國(guó)新型鋁合金在材料研發(fā)、工業(yè)化生產(chǎn)、焊接工藝等方面還存在較大差距，很難適應(yīng)當(dāng)前航天工業(yè)快速發(fā)展的需要。在綜述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)載人航天工程的發(fā)展需求，分析了新型鋁合金在我國(guó)航天器密封艙結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的前景，并對(duì)未來的發(fā)展與應(yīng)用提出了展望與建議。

關(guān)鍵詞:新型鋁合金；輕量化；密封艙結(jié)構(gòu)；工程應(yīng)用

1引言

輕量化是航天器結(jié)構(gòu)與有效載荷追求的永恒目標(biāo)，輕質(zhì)高強(qiáng)合金、先進(jìn)復(fù)合材料等的應(yīng)用為航天器平臺(tái)與載荷的輕量化提供了有效途徑。近年來，航天輕量化結(jié)構(gòu)材料取得了很大的發(fā)展，特別是輕質(zhì)鋁合金材料，如鋁鋰、鋁鈧合金等，在新型航天器結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的使用，美國(guó)新一代飛船密封艙結(jié)構(gòu)采用2195鋁鋰合金，強(qiáng)度比2219鋁合金大幅提高，減重效果明顯[1]。而國(guó)內(nèi)在材料研發(fā)、工業(yè)化生產(chǎn)等環(huán)節(jié)基礎(chǔ)還比較薄弱，工程應(yīng)用與材料研發(fā)嚴(yán)重脫節(jié)，制約了航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的提升。

本文以先進(jìn)輕質(zhì)鋁合金為研究對(duì)象，通過大量調(diào)研，對(duì)國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域新材料的應(yīng)用情況、國(guó)內(nèi)材料研發(fā)能力和供貨能力等進(jìn)行摸底考察，并結(jié)合我國(guó)航天器結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來需求，對(duì)新型鋁合金在密封艙結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析，并對(duì)未來發(fā)展提出了展望與建議。

2國(guó)外新型鋁合金的發(fā)展與現(xiàn)狀

對(duì)于載人航天器結(jié)構(gòu)，目前常用和有很好發(fā)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(jù)應(yīng)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(yīng)用前景的是鋁鋰合金和鋁鈧合金[2]。在國(guó)外，美、歐、日等國(guó)家密封艙主要采用2219鋁-銅合金；從上世紀(jì)90年代開始，美國(guó)開始采用2195鋁-鋰合金取代2219[1]；目前，美國(guó)開發(fā)了C557鋁-鎂-鈧合金，并形成規(guī)模化量產(chǎn)，已應(yīng)用在戰(zhàn)斗機(jī)和航天器結(jié)構(gòu)中[3]。在俄羅斯，密封艙材料主要為АМГ6鋁-鎂合金；在上世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)開發(fā)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(zhàn)斗機(jī)廣泛應(yīng)用，但并未應(yīng)用到密封艙上；上世紀(jì)90年代，俄羅斯開始開發(fā)1460鋁-鋰合金、1570鋁-鈧合金，以作為新一代載人航天器結(jié)構(gòu)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(shí)，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(zhì)量1%的鋰，可降低合金密度3%，提高彈性模量6%[5]。

按照發(fā)展歷程，鋁鋰合金大體經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段為20世紀(jì)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(chǎn)困難、價(jià)格昂貴等原因，未能推廣使用。20世紀(jì)70年代—80年代后期，是鋁鋰合金的第二個(gè)發(fā)展階段，在此階段，研制成功了低密度型、中強(qiáng)耐損傷型和高強(qiáng)型等一系列較為成熟的鋁鋰合金產(chǎn)品，如蘇聯(lián)的1420合金、美國(guó)Alcoa的2090合金[5]等，這些合金具有密度低、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，但是仍存在各項(xiàng)異性嚴(yán)重、焊接性差、強(qiáng)度水平相對(duì)較低等問題。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，開發(fā)了一系列具有一定特殊優(yōu)勢(shì)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(wěn)定性，合金綜合性能優(yōu)良，通過結(jié)合先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證航天器獲得很好的減重效益[6]。目前，國(guó)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(diǎn)是Li含量比第三代鋁鋰合金更低，而性能的最大特點(diǎn)是在裂紋擴(kuò)展速率、疲勞性能以及彈性模量等和第3代鋁鋰合金相當(dāng)?shù)臈l件下，有更高的靜強(qiáng)度(尤其是屈服強(qiáng)度)和更高的斷裂韌性，目前，Alcoa和Alcan兩大鋁業(yè)公司正在開展第4代鋁鋰合金的研究[7]。

在航天領(lǐng)域，鋁鋰合金已在許多航天構(gòu)件上取代了常規(guī)鋁合金。美國(guó)發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)外貯箱(直徑8.4 m、長(zhǎng)46.1 m)采用2195鋁鋰合金取代2219合金，使航天飛機(jī)減重3600 kg，相當(dāng)于每1 kg有效載荷節(jié)約成本1764美元，這也是美國(guó)開發(fā)的第三代鋁鋰合金在航天領(lǐng)域的最成功應(yīng)用[5]；美國(guó)的龍飛船、CST-100、MPCV等密封艙主結(jié)構(gòu)均采用2195鋁鋰合金[1]；俄羅斯已將1460鋁合金應(yīng)用于能源號(hào)運(yùn)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(guó)麥道公司，用于可重復(fù)使用、垂直起降的Delta-Clipper運(yùn)載火箭DC-X/DC-XA，并進(jìn)行了四次飛行試驗(yàn)，可減重約20%[5]。

目前，國(guó)外已有20多種鋁鋰合金的生產(chǎn)達(dá)到工業(yè)化水平，鋁鋰合金的軋制、擠壓、鍛造等技術(shù)也已達(dá)到常規(guī)鋁合金水平。美國(guó)Alcoa公司鋁鋰合金的年產(chǎn)量已超過3600 t，根據(jù)需要可迅速擴(kuò)大到年產(chǎn)9000 t，1998年-2011年，該公司向運(yùn)載火箭提供了超過4000 t鋁合金，其中2195鋁鋰合金800爐，而對(duì)應(yīng)的2219鋁合金僅50爐[7]；英國(guó)Alcan公司和法國(guó)Pechiney公司聯(lián)合建造的鋁鋰合金生產(chǎn)廠年產(chǎn)量可達(dá)10 000 t[7]。2007年，NASA與Alcoa公司簽訂了價(jià)值1850萬美元的鋁鋰合金開發(fā)合約，以發(fā)展新一代載人運(yùn)載火箭所需的制造能力并滿足對(duì)高性能鋁鋰合金板錠的需求，按照合約，Alcoa公司將為此項(xiàng)目供應(yīng)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(qiáng)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(guó)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(jié)構(gòu)材料，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

上世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)科學(xué)院巴依科夫冶金研究院和全俄輕合金研究院相繼對(duì)Sc在鋁合金中的存在形式和作用機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[5]，經(jīng)過近四十年的研發(fā)，已研制出三大系列(Al-Mg-Sc、Al-Li-Sc、Al-Zn-Mg-Sc)共14個(gè)牌號(hào)的鋁鈧合金，其中1570合金是Al-Mg-Sc合金中強(qiáng)度最高、應(yīng)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(zhì)下工作的承載焊接結(jié)構(gòu)，并且性能大大提升[5]。此外，俄羅斯開發(fā)了以1970為代表的鋁鋅鎂鈧合金，材料強(qiáng)度達(dá)到500 MPa以上[8]。目前，美國(guó)也在開展對(duì)含鈧鋁合金的研究，美國(guó)航天局蘭利研究中心開發(fā)的牌號(hào)為C557的三元Al-Mg-Sc合金，準(zhǔn)備將其應(yīng)用未來型號(hào)任務(wù)中[3, 9]。

3國(guó)內(nèi)新型鋁合金的發(fā)展與現(xiàn)狀

3.1鋁鋰合金

我國(guó)的鋁鋰合金研究從“七五”開始正式起步，由國(guó)家立項(xiàng)，中南大學(xué)、東北大學(xué)、西南鋁加工廠、航天703所等單位聯(lián)合開展了仿制中強(qiáng)鋁鋰合金的研究[2]，由于經(jīng)費(fèi)少、技術(shù)薄弱等原因，未能取得更多實(shí)質(zhì)性成果及應(yīng)用?！鞍宋濉逼陂g，國(guó)內(nèi)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(fā)試制了1420、2090鋁鋰合金，生產(chǎn)出了小規(guī)格的板材、型材。同時(shí)，由于國(guó)家投資強(qiáng)度加大，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也取得較大進(jìn)展，在西南鋁加工廠建成了1 t級(jí)的鋁鋰合金半連續(xù)熔鑄機(jī)組，為我國(guó)鋁鋰合金大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)[2]。上世紀(jì)90年代，西南鋁廠從俄羅斯引進(jìn)了6 t級(jí)пЛAB-6K鋁鋰合金熔鑄機(jī)組和技術(shù)[10]。為解決1420薄板單片軋制的問題，國(guó)家還投資購(gòu)置了一臺(tái)1650 mm冷軋機(jī)[10]。在此基礎(chǔ)上，西南鋁業(yè)公司全面掌握了1420、5A90鋁鋰合金的生產(chǎn)、應(yīng)用技術(shù)，目前已可批量生產(chǎn)5A90、1420等合金的薄板、鍛件，并形成了相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

長(zhǎng)征2號(hào)F火箭的二級(jí)艙段、C919大型商用客機(jī)、部分導(dǎo)彈彈頭殼體結(jié)構(gòu)均采用了5A90鋁鋰合金板材，有效降低了結(jié)構(gòu)重量[6]；此外，在神舟飛船等型號(hào)的非密封艙殼體主結(jié)構(gòu)上也廣泛采用5A90鋁鋰合金板材，起到良好的減重效果[4]?！熬盼濉逼陂g，根據(jù)航天型號(hào)發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)提出了“高強(qiáng)鋁鋰合金研究”的科技攻關(guān)任務(wù)，該項(xiàng)目瞄準(zhǔn)美國(guó)航天飛機(jī)液氫/液氧貯箱材料WeldaliteTW049系列中的2195合金，由西南鋁業(yè)公司和中南大學(xué)承擔(dān)，項(xiàng)目于1996年12月通過可行性論證，1997年啟動(dòng)，在2000年試制出了2195合金Φ310～450 mm圓錠和300x1200 mm扁錠，基本技術(shù)指標(biāo)滿足要求[10]。同時(shí)，初步解決了2195合金在工業(yè)化生產(chǎn)條件下的一系列關(guān)鍵工藝技術(shù)，成功試制出2195合金Φ360×15×1200 mm的大規(guī)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(guó)2195合金性能相當(dāng)[10]。

目前，國(guó)內(nèi)只有西南鋁業(yè)公司具備2195鋁鋰合金的生產(chǎn)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(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]。但總體來看，2195鋁鋰合金還處于工業(yè)化試制階段，在公開的文獻(xiàn)上，尚未有型號(hào)應(yīng)用案例。

3.2鋁鈧合金

國(guó)內(nèi)從90年代開始，中南大學(xué)、東北輕合金有限責(zé)任公司、西南鋁加工集團(tuán)等相繼開展了鋁-鎂-鈧合金的研究[12]，目前已經(jīng)從試驗(yàn)室研究向工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)研究過渡，并開始向航天、航空和艦船部門供貨[13]。國(guó)內(nèi)鋁-鎂-鈧合金制備技術(shù)相對(duì)成熟的是東北輕合金公司研制的5B70牌號(hào)的鋁-鎂-鈧合金，從2004年開始，經(jīng)過五年多的研究和試制，從實(shí)驗(yàn)室到工程試制階段，再到工業(yè)化生產(chǎn)階段，對(duì)鋁鎂鈧合金進(jìn)行了充分、系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)，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(chǎn)品，目前已向各航空航天單位提供了近10 t的5B70合金產(chǎn)品，產(chǎn)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(jìn)行鋁鈧5B70合金的應(yīng)用研究工作，突破了變壁厚構(gòu)件強(qiáng)力旋壓、耐蝕與強(qiáng)度匹配性控制、焊接殘余應(yīng)力控制技術(shù)，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(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到0.92，變極性鎢極氬弧焊和熔化極氣保護(hù)焊焊接接頭力學(xué)性能相當(dāng)，接頭強(qiáng)度系數(shù)大于0.77[15]。中國(guó)空間技術(shù)研究院、中南大學(xué)等針對(duì)5B70材料進(jìn)行了大量的力學(xué)性能測(cè)試和工藝性試驗(yàn)，目前已開始將5B70鋁合金應(yīng)用到部分密封艙主結(jié)構(gòu)上[16]。

在5B70的基礎(chǔ)上，中南大學(xué)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用

表1所示為國(guó)內(nèi)外典型密封艙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵材料使用情況，由表可知，俄羅斯的密封艙主結(jié)構(gòu)材料一直采用AMГ6鋁-鎂合金，而美國(guó)、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(jìn)的鋁鋰合金[18]。相比貯箱等焊接結(jié)構(gòu)，密封艙主結(jié)構(gòu)材料的選用更加保守。

表1　國(guó)內(nèi)外航天器密封艙采用的關(guān)鍵材料列表

注：首飛時(shí)間來自NASA網(wǎng)站及文獻(xiàn)[20]。

目前，隨著輕量化和低成本的要求越來越高，密封艙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diǎn)：1)2195鋁合金具有好的比強(qiáng)度；2) 2195鋁合金厚度超過2 inches時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的各向異性，且供貨材料受尺寸規(guī)格的限制。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)承載能力和輕量化需求，在不同區(qū)域選擇合適的材料，并最終將兩種材料焊接為整體結(jié)構(gòu)。該方案為密封艙結(jié)構(gòu)的材料選用提供了一種新的理念[18]。

對(duì)于密封艙結(jié)構(gòu)，還要重點(diǎn)關(guān)注焊接技術(shù)。傳統(tǒng)的密封艙結(jié)構(gòu)一般采用VPPA等熔焊技術(shù)。1991年，劍橋大學(xué)焊接研究所(TWI)發(fā)明了攪拌摩擦焊技術(shù)(FSW)，F(xiàn)SW焊接變形小、力學(xué)性能高、焊接成本低，但補(bǔ)焊效果差[21]。1995年，TWI又開發(fā)了摩擦塞焊，洛克希德.馬丁公司利用該技術(shù)解決了補(bǔ)焊的問題，進(jìn)一步提高了焊接質(zhì)量[22]。NASA開發(fā)了可回抽式攪拌頭，在環(huán)縫末尾將攪拌針逐漸回抽，實(shí)現(xiàn)環(huán)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(shí)現(xiàn)密封艙的成型[24]。雖然2195等先進(jìn)鋁鋰合金和攪拌摩擦焊技術(shù)在歐美已經(jīng)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(guó)可重復(fù)使用運(yùn)載器的貯箱，最初方案是采用2195鋁鋰合金，后來因?yàn)楣に嚨雀鞣矫鎲栴}重新改回2219鋁銅合金[25]。

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)新型鋁合金進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并取得了較好的成果，但到了工業(yè)化生產(chǎn)階段，材料力學(xué)性能和工藝性能均有所下降，特別是材料的穩(wěn)定性還有待提高。表2列出了國(guó)內(nèi)幾種典型可焊鋁合金的性能，其中5A06是目前密封艙結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用的材料，但其屈服極限較低，已不能夠適應(yīng)新型密封艙結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求。最近，國(guó)內(nèi)北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部等單位開始將5B70鋁鈧合金應(yīng)用到密封艙結(jié)構(gòu)上，該材料在強(qiáng)度上較5A06有一定的提升，達(dá)到270 Mpa，但力學(xué)性能與新型鋁鋰、鋁鈧合金相比還有較大差距[13, 15]。

表2國(guó)內(nèi)典型可焊鋁合金性能參數(shù)

Table 2Mechanical properties of aluminum alloy in China

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

注：上表各數(shù)據(jù)焊接系數(shù)為試驗(yàn)測(cè)試值，其它數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[4]、[8]。

在焊接工藝方面，國(guó)內(nèi)對(duì)攪拌摩擦焊等工藝有較深入的研究，哈工大焊接實(shí)驗(yàn)室取5 mm厚的鋁鋰合金板進(jìn)行攪拌摩擦焊，當(dāng)焊接速度V=60 mm/min時(shí)，焊縫強(qiáng)度最高，對(duì)應(yīng)焊接系數(shù)可達(dá)到0.61[26]。目前，國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊工藝發(fā)展比較成熟，在運(yùn)載火箭領(lǐng)域已廣泛采用，但主要應(yīng)用在貯箱等結(jié)構(gòu)縱向?qū)雍缚p上。在環(huán)焊縫焊接過程中，容易留下較多缺陷，還需要進(jìn)行更多的基礎(chǔ)研究和工程探索[27]。

5密封艙結(jié)構(gòu)材料需求分析

從前蘇聯(lián)的第一艘載人航天飛船東方一號(hào)成功發(fā)射，到目前在軌運(yùn)行的大型國(guó)際空間站，再到未來的載人深空探測(cè)，密封艙結(jié)構(gòu)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1)長(zhǎng)壽命：國(guó)際空間站結(jié)構(gòu)在軌設(shè)計(jì)壽命15年，目前提出延壽5年，實(shí)際使用壽命達(dá)到20年[28]；而火星探測(cè)任務(wù)對(duì)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(guó)內(nèi)密封艙結(jié)構(gòu)采用的5A06鋁鎂合金斷裂韌度KC值為44 Mpa.M1/2，優(yōu)于國(guó)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(jié)構(gòu)的可重復(fù)使用要求，以2195為代表的新型高強(qiáng)韌鋁合金具有十分迫切的應(yīng)用需求。

2)大型化：國(guó)際空間站大型艙體結(jié)構(gòu)直徑超過4 m，長(zhǎng)度達(dá)15 m以上[28]，隨著后續(xù)太空的開發(fā)，艙體結(jié)構(gòu)直徑將更加龐大。對(duì)高性能鋁合金板材、鍛件的規(guī)格種類、性能穩(wěn)定性要求也更高。

3)輕量化：輕量化是航天器的設(shè)計(jì)宗旨，特別在后續(xù)載人深空探測(cè)的過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量非常敏感，要求也會(huì)更加苛刻。密封艙結(jié)構(gòu)的輕量化要求重點(diǎn)關(guān)注材料的綜合性能。首先，材料應(yīng)具備較低的密度；其次，材料較高的強(qiáng)度、斷裂韌性KC值可以帶來充分的設(shè)計(jì)空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的減重優(yōu)化；最后，材料性能的穩(wěn)定性、一致性，可以有效降低設(shè)計(jì)安全系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。

目前國(guó)內(nèi)密封艙結(jié)構(gòu)采用的5A06材料屈服強(qiáng)度較低，已很難滿足未來新型密封艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要。鋁鈧合金1970和鋁鋰合金2195屈服強(qiáng)度較高，是未來新型密封艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料，其中1970鋁合金屈服性能超過500 MPa，與2195基本相當(dāng)，焊接系數(shù)可達(dá)0.75，高于2195的焊接系數(shù)0.5，同時(shí)鋁鈧合金的煉制設(shè)備要求低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)工業(yè)化水平制約下，可以作為新型密封艙結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注材料。2195鋁鋰合金具有高模量(78.5 GPa)[4]的突出優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)工業(yè)化應(yīng)用的深入研究，待其材料性能穩(wěn)定、供貨規(guī)格滿足需求時(shí)，可以用于新型密封艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料。

6結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以得到以下結(jié)論：

1)5A06鋁合金還是我國(guó)密封艙結(jié)構(gòu)的主要材料，5B70合金已開始工程應(yīng)用，但材料一致性、材料力學(xué)性能還有較大提升空間；

2)1970鋁鈧合金屈服強(qiáng)度和焊接系數(shù)高，同時(shí)煉制設(shè)備要求低，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)工業(yè)化水平制約下，可以作為新型密封艙結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注材料；

3)2195鋁鋰合金具有高模量的突出優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)工業(yè)化應(yīng)用的深入研究，待其材料性能穩(wěn)定、供貨規(guī)格滿足需求時(shí)，可以用于新型密封艙結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料；

4)我國(guó)攪拌摩擦焊工藝較為成熟，可以應(yīng)用到密封艙結(jié)構(gòu)焊接上，但后續(xù)還需解決焊接缺陷、補(bǔ)焊等問題。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]Tayon W A, Domack M S, Hales S J. Correlation of fracture behavior with microstructure in friction stir welded, and spin formed AI-Li 2195 domes[R]. NASA/NF1676L-13559, 2012.

[2]戴圣龍, 張坤, 楊守杰, 等. 先進(jìn)航空鋁合金材料與應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2008: 100-107.

Dai Shenglong, Zhang Kun, Yang Shoujie, et al. Acvanced Aeronautical Aluminum Alloy Materials Technology and Application[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008: 100-107.(in Chinese)

[3]Domack M S, Dicus D L. Evaluation of Sc-bearing aluminum alloy C557 for aerospace applications[C]//Materials Science Forum. 2002, 396: 839-844. NASA/TM-2002-211633.

[4]施麗銘, 楊鵬, 周志勇, 等. 國(guó)內(nèi)外航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料的選用[J]. 航天器工程, 2013, 22(5): 136-141.

Shi Liming, Yang Peng, Zhou Zhiyong, et al. Material selection of primary structure for sealed module of spacecraft in China and other countries[J]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(5): 136-141.(in Chinese)

[5]Williams J C, Starke E A. Progress in structural materials for aerospace systems[J]. Acta Materialia, 2003, 51(19): 5775-5799.

[6]楊守杰, 陸政, 蘇彬, 等. 鋁鋰合金研究進(jìn)展[J]. 材料工程, 2001(5): 44-47.

Yang Shoujie, Lu Zheng, Su Bin, et al. Development of aluminum-lithium alloys[J]. Journal OF Materials Engineering. 2001(5): 44-47.(in Chinese)

[7]Niedzinski M, Ebersolt D, Schulz P. Review of airware alloys currently used for space launchers[C]//Confidential and Constellium Proprietary Information. October 8th 2013.

[8]戴曉元, 夏長(zhǎng)清, 吳安如, 等. 含鈧超高強(qiáng)鋁合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2006, 20(5): 104-107.

DAI Xiaoyuan, XIA Changqing, WU Anru, et al. Present research and developing trends of ultra high strength aluminium alloys contained scandium element[J]. Materials Review, 2006, 20(5): 104-107.(in Chinese)

[9]Ahmad Z. The properties and application of scandium-reinforced aluminum[J]. JOM, 2003, 55(2): 35-39.

[10]鄭子樵, 李勁風(fēng), 李紅英, 等. 新型鋁鋰合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用 [C]//中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第十四屆材料科學(xué)與合金加工學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2011.

Zheng Ziqiao, Li Jinfeng, Li Hongying, et al. Research and application of aluminum-lithium alloy[C]//The 14th Annual Conference of the China Nonferrous Metal Society Materials Science and Engineering Alloy Processing, 2011.(in Chinese)

[11]向曙光, 張鈺. Q/SWA J5013-2008 航空航天用高強(qiáng)可焊鋁鋰合金板材標(biāo)準(zhǔn)[S]. 西南鋁業(yè)有限責(zé)任公司, 2008.

十八世紀(jì)工業(yè)革命以來，電的發(fā)明具有劃時(shí)代的意義，電能也逐漸成為人類生活和生產(chǎn)的最重要的能源之一。在全球化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下，伴隨著信息化時(shí)代的到來，我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展也在有條不紊地進(jìn)行著，而電網(wǎng)系統(tǒng)信息化運(yùn)營(yíng)也是電力發(fā)展的一個(gè)必要方向。我國(guó)電網(wǎng)企業(yè)正在努力建設(shè)“三集五大”體系，[1]這是電網(wǎng)企業(yè)信息化建設(shè)的重要戰(zhàn)略舉措，而運(yùn)監(jiān)系統(tǒng)是電網(wǎng)企業(yè)信息化建設(shè)的關(guān)鍵。此前電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)存在不完善、不可控、不能控的問題，客戶對(duì)電能的需求和電力部門的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。因此，電網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)企業(yè)必須針對(duì)原有運(yùn)監(jiān)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行革新，以確保電網(wǎng)企業(yè)信息化建設(shè)目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)。

Xiang Shuguang, Zhang Yu. Q/SWA J5013-2008 The Standard of High-Stress & Jointing Aluminum-Lithium Alloy for Aeronautics and Astromautics[S]. Standard of Southwest Aluminum(Group) Co., Ltd.,2008.(in Chinese)

[12]黃玉鳳, 黨驚知. 含鈧鋁合金的現(xiàn)狀與開發(fā)前景[J]. 大型鑄鍛件，2006, 11(4): 45-48.

Huang Yufeng, Dang Jingzhi. The Present Situation and the Development Prospect of Aluminum Alloy with Scandium Contained[J]. Heavy Casting and Forging, 2006, 11(4): 45-48.(in Chinese)

[13]路麗英. Q/S1010-2012 航天用5B70合金板材標(biāo)準(zhǔn)[S]. 東北輕合金有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 2012.

Lu Liying. Q/S1010-2012 The Standard of 5B70 Aluminum Alloy Plates[S]. Standard of Northeast Light - Aluminum(Group) Co., Ltd.,2012.(in Chinese)

[14]路麗英. Q/S8001-2012 航天用5B70合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)[S]. 東北輕合金有限責(zé)任公司, 2012.

Lu Liying. Q/S8001-2012 The standard of 5B70 Aluminum Alloy Forgings[S]. Standard of Northeast Light - Aluminum(Group) Co., Ltd.,2012.(in Chinese)

[15]趙娟. 可焊耐蝕鋁鎂鈧合金組織與性能的研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2009.

[16]杜會(huì)橋, 侯文德, 姜坤, 等. Al-Mg-Sc 型鋁合金 5B70 熱裂紋敏感性評(píng)估[J]. 焊接技術(shù), 2013, 41(12): 45-48.

Du Huiqiao, Hou Wende, Jiang Kun, et al. The evaluate of sensitivity for heat crack of Al-Mg-Sc alloy 5B70[J]. Welding Technology, 2013, 41(12): 45-48.(in Chinese)

[17]于登云, 賴松柏, 陳同樣. 大型空間站整體壁板結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)展[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 2011(5): 31-40.

Yu Dengyun, Lai Songbai, Chen Tongxiang. Review on integral stiffened shell structure technology of large space station[J]. Chinese Space Science and Technology. 2011(5): 31-40.(in Chinese)

[18]Hoffman E K, Domack M S, Torres P D, et al. Spin forming aluminum crew module(CM) metallic aft pressure vessel bulkhead (APVBH)-Phase II[R]. NASA/TP-2015-218674, 2015.

[19]Catherine A. International space station evolution data book[R]. NASA-SP-6109, 2000.

[20]陳求發(fā). 世界航天器大全[M]. 北京: 中國(guó)宇航出版社, 2008: 443-468.

CHEN Qiufa. The Encyclopedia of Space Probe[M]. Beijing: China Aerospace Press, 2008: 443-468.(in Chinese)

[21]Fonda R W, Bingert J F, Colligan K J. Microstructural development in friction stir welding[R]. ADA521602, 2005.

[22]夏德順, 王國(guó)慶. 攪拌摩擦焊接在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2002(4): 27-32.

Xia Deshun, Wang Guoqing. Application of friction stir welding in launch vehicle[J]. Missiles and Space Vehicles, 2002(4): 27-32.(in Chinese)

[23]關(guān)橋, 欒國(guó)紅. 攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展[C]//第十一次全國(guó)焊接會(huì)議論文集, 2005.

Guan Qiao, Luan Guohong. The actuality and development of friction stir welding[C]//The 14th Welding Conference, 2005.(in Chinese)

[24]Tayon W A, Domack M S, Hoffman E K, et al. Investigation of abnormal grain growth in a friction stir welded and spin-formed Al-Li Alloy 2195 crew module[R]. NF1676L-15814, 2013.

[25]夏德順. 重復(fù)使用運(yùn)載器貯箱的研制現(xiàn)狀[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2001(2): 12-18.

Xia Deshun. Development of the tank for reusable launch vehicle[J]. Missiles and Space Vehicles, 2001(2): 12-18.(in Chinese)

[26]王大勇, 馮吉才, 王攀峰. 鋁鋰合金攪拌摩擦焊研究[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 23(3): 369-372.

Wang Dayong, Feng Jicai, Wang Panfeng. Friction stir welding of Al-Li alloy[J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2005, 23(3): 369-372.(in Chinese)

[27]董春林, 欒國(guó)紅, 關(guān)橋. 攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 焊接, 2008(11): 25-31.

Dong Chunlin, Luan Guohong, Guan Qiao. The development and foreground of friction stir welding in aerospace industry[J]. Welding, 2008(11): 25-31.(in Chinese)

[28]Marshburn T. Status of research on the ISS[R]. JSC-CN-34258, 2015.

[29]Calle C. New NASA technologies for space exploration[J]. KSC-E-DAA-TN24811, 2015.

[30]Gangloff R P, Haviland J K, Herakovich C T, et al. NASA-UVA light aerospace alloy and structures technology program[R]. NASA-CR-187321, NAS 1.26:187321, UVA/528266/MS90/104, 1989.

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(xiàng)目：載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(060104)

作者簡(jiǎn)介：趙云鵬(1983-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楹教炱鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Email：zhaoyunpeng18@163.com

中圖分類號(hào)：V45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0302-06