5052合金的力學(xué)性能

目前世界上有三臺“觀天巨眼”，第一是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），位于我國貴州省黔南州平塘縣大窩凼；第二是美國的阿雷西博350米望遠(yuǎn)鏡，建于1992年，23年來一直穩(wěn)坐世界第一寶座，我國“天眼”的綜合性能比它約強(qiáng)10倍；第三是德國波恩的100米口徑望遠(yuǎn)鏡，我國“天眼”的靈敏度比它提高了約10倍。
我國“天眼”的球面射電板是用鋁合金板制的，德國及美國球面射電望遠(yuǎn)鏡用的什么材料筆者還沒有看到相關(guān)報道，日本國立天文臺野邊山宇宙電波所ALMA望遠(yuǎn)鏡用的是5052鋁合金板材，支架結(jié)構(gòu)件是用6061鋁合金擠壓材制造，可在－20℃～20℃的環(huán)境中長期工作，建設(shè)地點標(biāo)高5000米，2011年9月末建成，2012年初投入運用，共有10臺，球面直徑45米。
中國“天眼”的建設(shè)
喀斯特洼坑的尋覓
1993年國際無線電聯(lián)合大會上，包括中國在內(nèi)的10個國家的天文學(xué)家提出建設(shè)新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議。1995年底，北京天文臺聯(lián)合國內(nèi)20余所大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(jìn)委員會，提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面，即“西雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。
此后，中國科學(xué)家進(jìn)一步推進(jìn)喀斯特概念，提出獨立研制一臺新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。為了給新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”找一個合適的“家”，科學(xué)家通過衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個底朝天。當(dāng)時天文臺委托兩家研究所進(jìn)行搜尋，從300個候選洼坑中遴選。最終位于黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲最高分。貴州天然喀斯特洼坑提供的條件，始終都是中國大射電望遠(yuǎn)鏡最獨到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。
歷時22年建成世界最大“天眼”
中國“天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST，F(xiàn)ive-hundred meter Aperture Spherical Radio Telescope）從1994年提出構(gòu)想到2016年9月建成歷時22年，是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的偉大工程，世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。借助這只巨大的“天眼”，科研人員可以窺探星際之間互動的信息、觀測暗物質(zhì)、測定黑洞質(zhì)量，甚至搜尋可能存在的星外文明。眾多獨門絕技讓其成為世界射電望遠(yuǎn)鏡中的佼佼者，這也將為世界天文學(xué)的新發(fā)現(xiàn)提供機(jī)遇。
作為國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施，“天眼”工程由主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、按收機(jī)與終端及觀測基地等幾大部分構(gòu)成。主動反射面由上萬根鋼絲索和4450個反射單元組成的球冠型索膜結(jié)構(gòu)，其外形像一口諾大無比的“鍋”，接收面積相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場。
利用天然的喀斯特洼坑作為臺址，洼坑內(nèi)鋪以數(shù)千塊單元組成的冠狀主動反射面，采用輕型索拖動機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人實現(xiàn)接收機(jī)高精度定位，這是中國“天眼”的三大自主創(chuàng)新。從2016年9月25日起，“天眼”方圓5千米已成為“靜默區(qū)”。這個龐然大物開始睜開“慧眼”，專注地捕捉來自宇宙深處的信號。“天眼”工程除了宏偉、狀觀外，最震撼人心的是精準(zhǔn)。經(jīng)過3年的測試，基墩具有極高的穩(wěn)定性，誤差不超過1毫米。“天眼”能夠接收到137億光年以外的電磁信號，觀測范圍可達(dá)宇宙邊緣。
不過，在此需指出的是，F(xiàn)AST的地球“最大天眼”稱號可能只能保持七八年就得讓位給南非的陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）。SKA目前正在南非臺地高原地區(qū)和西澳大利亞州默奇森郡沙漠區(qū)進(jìn)行建設(shè)，其接收面積達(dá)1平方千米，建成后將是世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，也是國際天文界建造的有史以來最大的科學(xué)工程。SKA由多國參與修建，在目前SKA公開發(fā)布的11個工程中，中國參與了其中6個研發(fā)工作。
2020年1月11日被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡順利通過國家驗收，正式開放運行。作為天下最大最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，“天眼’工程圓滿收官，意味著中國大科技基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步完善，人類探索未知宇宙有了更加深邃視角。“天眼”的成功，體現(xiàn)了中國智慧、中國技術(shù)、中國力量、更彰顯中國擔(dān)當(dāng)。“天眼”的背后，是中國人民在長期奮斗中培育、繼承、發(fā)展起來的偉大創(chuàng)造精神、偉大夢想精神、偉大團(tuán)結(jié)精神。正是這樣的民族精神成就了“天眼”。
中國“天眼”造價12億元，經(jīng)過三年零三個多月的調(diào)試，于2020年1月11日正式運行。調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)了102顆脈沖星，超過同期歐美多個脈沖星搜索團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。
為了配合“中國天眼”的建設(shè)，其所在地區(qū)約7000名居民搬遷到約10千米外的另一座小城市，以確保望遠(yuǎn)境的性能與平靜運行。
日本野邊山用5052及6061鋁合金打造口徑45米望遠(yuǎn)鏡
日本國立天文臺野邊山宇宙電波觀測所共有10臺球面望遠(yuǎn)鏡（天線），直徑45米、高50米，1971年建成。球面望遠(yuǎn)鏡位于50米高的架上，球面是用5052鋁合金板材加工的，支架用6061鋁合金擠壓型材打造，用電火花工藝加工。
加工天線表面極具挑戰(zhàn)性，因為其表面越光潔才能接收到越短的電波，因此必須用有一定強(qiáng)度性能的、韌性高的鋁合金加工，其表面粗糙度應(yīng)≤25納米，同時在－20℃～＋20℃的環(huán)境中仍保持著這個精度。直徑12米的球面天線是用205塊1米×1米的鋁板鋪設(shè)的，原材料厚度30毫米，以納米為單位進(jìn)行史無前例的一層一層地切削加工，每一塊都有極其精準(zhǔn)的拋物面，為了組成大的拋物面，用了37種不同形狀的鋁板坯料。
為了制造直徑45米最大高度50米的天線，遇到的最大問題是如何減輕其自身質(zhì)量，因為它的拋物面積1590平方米，質(zhì)量700噸。為了輕量化，天線表層（鏡面體）采用夾層的碳纖維增強(qiáng)塑料蜂窩鋁板。為了避免骨架因太陽光直射而變形，在天線背面裝有隔熱鋁板。經(jīng)過這種精心設(shè)計，使這種毫米波望遠(yuǎn)鏡在世界該類裝備中如鶴立雞群，居世界頂尖水平，鏡面精度保持在170微米左右，鋁合金在這些超級天線中發(fā)揮了無可替代的作用。
5052鋁合金是制造球面射電望遠(yuǎn)鏡最佳材料
口徑小于3米的球面射電望遠(yuǎn)鏡的拋物面可用整塊的鋁合金沖制，因為當(dāng)今世界上輥面寬度最大的冷軋機(jī)為4350毫米，口徑再大的球面射電望遠(yuǎn)鏡就得用一塊塊拋物面鋁合金板拼接，日本國立天文臺野邊山宇宙所45米口徑的望遠(yuǎn)鏡、美國波多黎各天文臺望遠(yuǎn)鏡、德國波恩天文臺望遠(yuǎn)鏡、巴西天文臺望遠(yuǎn)鏡的拋物面都是用形狀特異的5052鋁合金板拼成，因為冷軋5052鋁合金板是制造這種拋物面板的最佳材料。
為什么拋物面都用5052鋁合金打造？因為它具有一系列優(yōu)秀性能。它是美國鋁業(yè)公司（Alcoa）于上世紀(jì)20年代后期推向市場的，其標(biāo)定成分（質(zhì)量%）：Si0.25，F(xiàn)e0.40，Cu0.10，Mn0.10，Mg2.2～2.8，Cr0.15～0.35，Zn 0.10，其它雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余為鋁。由Al-Mg系相圖可知，Mg在鋁中的溶解度僅次于Zn，居第二位，在450℃的極限溶解度為17.4%，室溫時只有1%，在理論上Al-Mg合金應(yīng)該有相當(dāng)大的時效硬化效應(yīng)，但因受β相（Mg2Al3）的沿晶沉淀傾向和彌散度的限制，一般沒有價值和必要利用這種效應(yīng)，全可以在退火和冷作硬化狀態(tài)使用。
AI﹣Mg合金過飽和固溶體α′的沉淀過程：
α′→GP區(qū)→β′→β（Mg2Al3）
Mg原子直徑（0.320納米）遠(yuǎn)比Al（0.286納米）的大，淬火后GP區(qū)雖在幾秒內(nèi)就能形成，但尺寸?。?.0納米～1.5納米），周圍有密集的空位云，與母相間幾乎不發(fā)生共格應(yīng)變，故Mg含量≤7%的沒有明顯的時效硬化效應(yīng)。
5052合金是一種中等偏低強(qiáng)度合金。AI-Mg合金加Mn或Cr主要為了改善抗蝕性和可焊性，但固溶部分還有一定的強(qiáng)化作用，Cu、Zn、Fe、Si是雜質(zhì)，應(yīng)嚴(yán)加控制。特點是：密度2.68g/cm3，比純鋁1050的2.705g/cm3稍低一些；有優(yōu)秀的抗腐蝕性，在海洋氣氛與海水中有高的抗蝕性，表面可長期保持高的表面光潔度，幾乎“終身”不需要維護(hù)；可焊性良好，焊縫的力學(xué)性能幾乎與基體材料的相等；特別好的可拋光性能，表面處理后亮晶晶的；塑性與成形性能優(yōu)秀，可加工成各種各樣的零部件，它的抗拉強(qiáng)度雖不高，但還是比1050工業(yè)純鋁的高不少，比3003合金的高一些，還有高的疲勞強(qiáng)度，不管是在實驗室還是在實際使用中，都未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。
由于5052合金具有上述的諸多優(yōu)點，成為工業(yè)界一致認(rèn)同的制造射電望遠(yuǎn)鏡球面拋物面板塊的不可多得的好材料。所以國外射電望遠(yuǎn)鏡的“大鍋”都是用一塊塊5052合金拋物線板塊拼成的。
5052合金板的力學(xué)性能見表，它的物理性能如下：密度2.68g/cm3，熔化607℃～649℃，20℃時的電導(dǎo)率35%IACS，25℃時的熱導(dǎo)率138W/（m·℃），20℃時的比熱900J/（kg· ℃），（20℃～100℃）的線脹系數(shù)23.8×10-6/℃。在2.67%AlCl3溶液中對干汞電極（SCE）的自然電位為－936.2mV，孔食電位為－722.7mV，抗蝕性及抗應(yīng)力腐蝕開裂性能均被評為A級。
5052合金只在退火（300℃～360℃）或冷加工硬化狀態(tài)下使用，它的優(yōu)秀抗蝕性只在β相沿晶內(nèi)和晶界均勻分布的情況下，才能顯示出來，同時有極高的穩(wěn)定性，無論是退火或冷加工狀態(tài)，在室溫或低溫或敏化處理溫度（67℃～177℃）長時間加熱，均不形成沿晶β相網(wǎng)膜，對應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）和剝落腐蝕（EFC）也不敏感。但Mg含量＞3.5%的合金則不是這樣。
“天眼”中的鋁材
中國“天眼”所用的鋁合金板材與擠壓鋁材都是中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡稱“西南鋁”）提供的，它的4450塊反射面單元是用西南鋁的板材加工的。除了第一“天眼”正式啟用外，中國還有內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟正鑲白旗草原深處的專門“看”太陽的“草原天眼”，占地10平方千米，排列著100面白色的拋物面天線陣列，這就是被譽為“草原天眼”的明安圖射電頻譜日像儀群，英文縮寫名為MUSER。MUSER項目2008年開工建設(shè)，2013年開始進(jìn)行一系列太陽射電觀測，還將投資1.3億元，進(jìn)行二期建設(shè)，占地215畝，預(yù)計2023年建成，2025年投入使用。
2015年1月西南鋁就組建起以“銷售十技術(shù)”“技術(shù)＋銷售”的開發(fā)團(tuán)隊，前瞻性地做好FAST市場開發(fā)，及時加強(qiáng)與射電望遠(yuǎn)鏡面設(shè)計方——中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所的溝通協(xié)調(diào)，第一時間了解與掌握了工程建設(shè)對鋁材的需求情況。7月初，西南鋁與FAST反射面板生產(chǎn)廠正式簽訂了800噸反射面板和鋁板結(jié)構(gòu)件的全部訂單。為盡快生產(chǎn)出這批需要經(jīng)過陽極氧化著色處理的、對尺寸偏差、表面質(zhì)量、沖孔性能等有特別要求的板材，西南鋁充分整合內(nèi)部資源，發(fā)揮技術(shù)設(shè)備及人才優(yōu)勢，克服工期緊、任務(wù)重等諸多困難，全面做好毛料組織、質(zhì)量控制、進(jìn)度跟綜各項工作，確保了產(chǎn)品質(zhì)量與工期，在探索宇宙文明的“鋁途”中，西南鋁邁出了堅實的第一步。從2015年7月初簽訂合同到8月底交付最后一批帶卷，僅用了短短一個多月時間。
FAST工程是中國近期九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，能參與這項國家重大工程建設(shè)，對中鋁與西南鋁來說，其意義不僅僅是對材料品質(zhì)的高度認(rèn)可和效益體現(xiàn)，更大的是中鋁公司履行國家重大科技專項工程材料保障和西南鋁“國家利益高于一切”核心價值的綜合體現(xiàn)，彰顯的是企業(yè)社會責(zé)任。
這臺全球第一“天眼"的反射面面積相當(dāng)于近30個足球場面積，由4450塊反射面單元拼成，制造企業(yè)在收到西南鋁發(fā)來的鋁合金帶卷后，將其裁切成坯料，然后進(jìn)行機(jī)械加工，加工成所需的形狀與尺寸，從2015年8月2日安裝第一塊反射面開始到2016年7月3日安裝完成，共用了11個月時間。
中國歷時5年建成了FAST，取代了美國有50年歷史的阿雷西博電離層天文臺的望遠(yuǎn)鏡，成為全球最大的“天眼”，2016年落成時，來自世界各地的數(shù)百位科學(xué)家出席了啟動儀式。