西南鋁生產(chǎn)的各種直徑鋁合金鍛環(huán)

1. 多國紛登月球火星 航天鋁材喜迎新需（上）

2月13日，俄羅斯公布了與我國攜手打造月球科研站計劃。日前，雙方正在研究項目技術落實事宜。美國也在運作類似的課題，進展很快，不久美國月球基地即會亮相。2021年是人類征服火星圓夢之年，自從人類太空探索開始以來，火星一直是訪問量最大的行星之一，美國的“水手四號”宇宙飛船早在1964年就發(fā)回了第一批火星表面照片。2021年2月初以來，3個國家（阿聯(lián)酋、中國、美國）的探測器欲登陸火星，阿聯(lián)酋的“希望號”探測器已于2月19日進入環(huán)火星軌道，創(chuàng)造了歷史；就在第2天，中國的“天問一號”探測器緊隨其后進行了相同的操作，將于5月份著陸火星。

中國、美國、俄羅斯、歐盟、日本、印度、阿聯(lián)酋等國都已向月球、火星發(fā)射過或準備向它們發(fā)射探測器，為航天鋁材提供了新的需求陣地，高端鋁材及鋁基復合材料在航天器裝備及發(fā)射火箭系統(tǒng)制造中占有極為重要的地位，是一類不可或缺的材料。目前，我國有多家企業(yè)都能批量制備各種航天鋁材，在火箭用材的凈質(zhì)量中，鋁材占94%以上，在航天器結構用材的凈質(zhì)量中，鋁材及鋁基復合材料也占到約75%。

鋁材：航天器發(fā)射火箭和結構零部件的頂梁柱

航天鋁材大體可為兩部分：一是發(fā)射火箭用，二是航天器本身零部件結構用。從航天事業(yè)一開始，鋁材及鋁基復合材料就與航天工業(yè)結下了不解之緣，不僅獲得了廣泛的應用，更是不可或缺的關鍵材料，雖不能說，沒有鋁就沒有今天這樣興旺發(fā)達的航天事業(yè)，但可以毫不夸張地說，沒有鋁合金，像今天這樣驚天動地的航天事業(yè)至少要延后二三十年。

在航天器與火箭上用的鋁合金主要有7078型、2024型、Al-Li合金等；火箭發(fā)射用的液氫槽、液氧槽、控制裝置、加固-連接環(huán)等均是用這類合金材料打造的。

長五奔太空 鋁材建殊功

2016年11月3日20時43分，中國最大推力新一代運載火箭長征五號從中國海南省文昌航天發(fā)射場轟然發(fā)射升天，約30分鐘后進入預定軌道，長征五號運載火箭首次發(fā)射任務圓滿成功。這一聲劃破長空的驚天巨響震驚了整個地球，標志著中國跨過了航天強國門檻，進入了世界航天強國俱樂部。

長征五號火箭是個貨真價實的大塊頭，是個名副其實的“胖五”，起飛質(zhì)量約870噸，配12顆“大心臟”——發(fā)動機，起飛推力約10.56MN（1078噸力）；低軌道（近軌道）運載能力25噸，高（地球同步轉移）軌道運載能力14噸級，越過了國際上大型運載火箭近地軌道運載能力20噸，高軌道10噸的“鴻溝”，可與美國的宇宙神5、德爾塔4、歐洲的阿里安等世界主力大型火箭比翼齊飛，完成了脫胎換骨的升級換代。

長征五號火箭的起飛質(zhì)量870噸，其中液氫（-253℃）與液氧（-183℃）的質(zhì)量占90%，即這兩種燃料的質(zhì)量達783噸。據(jù)報道，長征五號火箭的研制歷時10載，突破了以12項重大關鍵技術為代表的247項關鍵技術，其中有多項是關于鋁合金材料的。在關鍵技術中，新技術比例幾乎占100%，核心技術全部擁有自主知識產(chǎn)權，實現(xiàn)了長征火箭的升級換代，使中國一躍進入航天強國行列，也為中國成為鋁加工強國邁出了堅實的一大步。

長征五號火箭各大部件是用什么材料制造的未見媒體報道，但是可以肯定的是，在結構材料中鋁合金是主流，因為芯級火箭巨大的液氫液氧貯箱，4個助推器的液氧、煤油貯箱都應是用鋁合金制的，只有鋁合金才能在這種極為嚴峻的條件下工作：一是鋁材的密度小、質(zhì)輕，為鋼密度的30%左右；低溫性能極佳，沒有低溫脆性，鋁合金的強度與延展性均隨著溫度的降低而同步上升，成為一類絕好的低溫結構材料，是很難替代的航空航天材料；可加工與可成形性能好，可焊接性能好，尤其是摩擦攪拌焊（FSW）性能，美國大型火箭低溫燃料鋁合金貯箱就是摩擦攪拌焊的。

長征五號大型火箭的液氫與液氧貯箱是用什么鋁合金焊接的，雖未見媒體報道，但國外發(fā)射大型火箭用的液氫、液氧貯箱無論是美國，還是日本和歐洲的，都是用2219合金焊接的，所以筆者認為，長征五號低溫燃料與助燃液氧貯箱也應是用2219型鋁合金厚板（＞6mm～≤10mm）焊的，板材應是中國鋁業(yè)集團所屬工廠生產(chǎn)的，它們有生產(chǎn)航空鋁材60年的技術與經(jīng)驗，并通過了航空航天部門的認證。此外，2015年，無錫市某公司鍛造的航天配套環(huán)件即是用的2219合金，其外徑達8.7米、內(nèi)徑為8.32米。

Al﹣Li系合金

美國除用2219合金制造的低溫燃料箱與航天器結構外，還用2050鋁-鋰合金打造這類設備。用2050合金厚板制造的航天構件有貨艙頭（bulkhead）、錐體（cone）、筒體（barrel），用的都是厚板。

7050合金及2050合金厚板的拉伸性能，原文用的英制。未予換算，以免失真。表中的1bs/in3=磅/in3，Msi=百萬磅/英寸2，Gage=厚度，ksi=千磅/英寸2，%Tot=%總計，UTSL=縱向抗拉強度，UTSLT=長橫向抗拉強度，UTSST=短橫向抗拉強度；YS=屈服強度，el=伸長率。

Weldalite  AI-Li合金家族發(fā)展簡史，該系合金是肯聯(lián)鋁業(yè)在法國的軋制廠與在加拿大的研究中心研發(fā)的，歷時7～10年，原來主要是為A380飛機開發(fā)的，它們共有5類合金：2195、2196、2098、2198、2050，但2050合金是美國鋁業(yè)公司研發(fā)的，它們各自的特點分別為：

2195合金：Al-4.0 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，是第一個獲得成功商業(yè)應用的AI-Li合金，用于制造航天器低溫燃料槽；

2196合金：Al-2.8 Cu-1.6 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，密度低，強度高，斷裂韌性高，原是為哈勃望遠鏡（Hubble）太陽能板邊框開發(fā)的，商業(yè)飛機擠壓材；

2098合金：Al-3.5 cu-1.1 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，原是為HSCT機身研發(fā)，以及用于制造F16戰(zhàn)機的耐疲勞抗力機身和制造空間結構件。

2198合金：AI-3.2 Cu-0.9 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，用于制造商業(yè)飛行器。

2050合金：AI-3.5 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.4 Mn-0.1 Zr，用于加工厚板，以取代7050-T7451型制造商業(yè)飛行器和登陸車。2050合金的Cu+Mn含量比2195合金的低，以降低淬火敏感性，而仍有相等的力學性能。

2. 多國紛登月球火星 航天鋁材喜迎新需（中）

中國航天鋁材躋身世界強國之列

隨著中國躋身世界航天大國和強國之列，航天產(chǎn)業(yè)所需的鋁材、鋁基復合材料、鋁制零部件等（除個別零部件外），已全部能自給，并且有些還是世界首創(chuàng)，居世界領先水平，如火箭系統(tǒng)的直徑10m整體鋁合金環(huán)件、大直徑噴射沉積AI-Li合金錠及其擠壓鍛坯等。

10米級鋁合金鍛環(huán)

直徑10m級大鍛環(huán)中國造

2003年以來，隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，大推力火箭和宇航器所需的鋁合金鍛環(huán)直徑在不斷加大，急需直徑達5m及5m以上的鍛環(huán)，而且除航天領域外，在中遠程戰(zhàn)略導彈及艦載火炮等兵器領域也同樣需要大直徑鋁合金鍛環(huán)。此前，由于設備能力所限，東北輕合金有限責任公司（簡稱“東輕公司”）只能生產(chǎn)最大直徑2.9m的鍛環(huán)，而且生產(chǎn)工藝落后、投料比大、成品率較低，已無法滿足我國航天事業(yè)發(fā)展的需要。作為中國的鋁鎂合金加工基地，東輕公司審時度勢，決定自主研發(fā)環(huán)軋生產(chǎn)線。2004年，東輕公司把環(huán)軋生產(chǎn)線列入了當年的重點建設項目之一，并于2005年6月開始設備的制造工作。2006年3月，環(huán)軋生產(chǎn)線安裝工作全部結束。2006年6月，中國航天一院的領導就東輕公司參與研制“嫦娥工程”所需的超大直徑鋁合金鍛環(huán)進展情況到東輕公司調(diào)研，并對東輕公司的設計方案和一系列工作給予了充分肯定。2006年9月12日，東輕公司一次試車成功，軋制出了直徑達4m的鋁合金鍛環(huán)，不僅環(huán)軋機達到了設計要求，而且淬火爐的最大溫差只有±29℃，全面達到了設計標準。

2006年12月30日，在東輕公司自行設計制造具有完全自主知識產(chǎn)權的環(huán)軋生產(chǎn)線上，生產(chǎn)出了當時國內(nèi)最大的鋁合金鍛環(huán)，該鍛環(huán)直徑達5.15m、寬340mm、厚100mm，該公司成為中國火箭鍛環(huán)的開拓者。

2014年12月，無錫市派克重型鑄鍛有限公司也成功軋制出了國內(nèi)最大2219鋁合金環(huán)鍛件。該鍛件外徑8.7米，內(nèi)徑8.32米，高0.35米，是目前國內(nèi)最大2219鋁合金環(huán)鍛件，它的問世，突破了國內(nèi)2219鋁合金環(huán)件數(shù)控碾環(huán)成形的多項關鍵技術，達到行業(yè)領先水平。

大型環(huán)鍛件可廣泛用于風力發(fā)電、石油化工、礦山機械、能源電站、航空航天、核電燃機等領城。而派克鍛造的這塊國內(nèi)目前最大2219鋁合金環(huán)鍛件是某型號火箭配套的關鍵構件。該環(huán)件的研制成功，推動這家民營高科技企業(yè)成功轉型，跨入航天配套領城。

據(jù)悉，該鋁合金環(huán)件涉及多個領城和多項關鍵技術。后來該公司繼續(xù)開展了環(huán)件熱處理、應力消除、整體機械加工等工藝研究，以確保零件的形狀及性能滿足產(chǎn)品的技術要求和使用要求。

2015年8月初，廣西南南鋁加工有限公司的“大推力火箭用超大規(guī)格鋁合金鍛坯的開發(fā)”項目通過了廣西壯族自治區(qū)工信委的鑒定驗收，滿足大規(guī)格鋁合金整體環(huán)的生產(chǎn)，這是我國“十三五”時期重點發(fā)展的重型火箭國家重大工程項目所需的關鍵材料。

南南鋁公司通過引進吸收和再創(chuàng)新，建成了目前世界上最先進的硬鋁合金熔鑄生產(chǎn)線，研究開發(fā)了熔體聯(lián)動精煉、除氣、過濾和鑄錠多級均勻化熱處理等技術，解決了熔體高潔凈化、高性能超大規(guī)格鑄錠半連續(xù)鑄造成形和組織均勻性控制等重大技術難題，生產(chǎn)了直徑1320mm、質(zhì)量超過20t的超大規(guī)格硬鋁合金鑄錠，并與航天應用單位合作，在世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)直徑≥8500mm鋁合金整體環(huán)的制造。

廣西壯族自治區(qū)工信委組織了由航天設計和應用單位組成的驗收專家組對該項目進行鑒定驗收，專家組認為該項目完成了任務書提出的各項指標，整體技術達到國內(nèi)領先、國際先進水平，一致同意通過鑒定驗收。

2014年4月10日11點39分，隨著軋環(huán)機緩緩停止轉動，中鋁西南鋁與天津特鋼精鍛有限公司合作研發(fā)的首件新型運載火箭用9m級超大型鋁合金整體環(huán)件研制成功。這是目前世界范圍內(nèi)最大級別的鋁合金整體環(huán)件。

研制出9m級超大鋁合金整體環(huán)件，是中鋁公司自成功開發(fā)出5m級環(huán)件軋制工藝技術，結束我國不能生產(chǎn)大規(guī)格鋁合金巨型環(huán)件歷史以來，在航天新材料領域實現(xiàn)的又一歷史性突破！

近年來，隨著國家重大機械裝備制造業(yè)的發(fā)展，對高性能大型環(huán)件提出了迫切需求，大型環(huán)件的制造能力已經(jīng)成為國家基礎制造能力的標志和國防重要保障。2012年，中國航天科技集團進行材料調(diào)研時，提出了9m級超大型鋁合金環(huán)件需求。

超大型環(huán)件傳統(tǒng)制造工藝主要以鑄造成形和焊接成形為主，但這兩種工藝均無法滿足承受重載、高沖擊、超低溫等惡劣工作情況所需的性能要求，必須采用整體制造工藝。但此時9m級整體環(huán)件的研發(fā)技術在國內(nèi)依然一片空白，環(huán)件從5m級到9m級，技術跨度巨大。為滿足國家需求，占領行業(yè)制高點，2014年，中鋁集團在西南鋁成立環(huán)件技術研發(fā)團隊，預研工作正式啟動。

要滿足環(huán)件設計要求，必須突破環(huán)件鑄錠熔鑄、軋制成型、熱處理、冷變形等多項關鍵核心技術難題，所有研制工作都要從頭做起。

滿足該整體環(huán)件對鑄錠坯料的要求是研發(fā)團隊必須啃下的第一塊“硬骨頭”。2014年，研發(fā)團隊開始了超大合金鑄錠的攻關。短短3個月時間內(nèi)，研發(fā)團隊依靠自主創(chuàng)新，研制出配套鑄造工具，摸索出關鍵熔鑄技術和鑄造工藝，攻克了超大鑄錠成型難關，鑄造出滿足技術標準要求的直徑1350mm圓鑄錠，為后期研制工作的成功打下了堅實基礎。此后半年間，西南鋁突破了鍛壓制坯和軋制成形兩大關鍵技術，成功軋制出尺寸完全滿足設計要求的鋁合金整體環(huán)件，環(huán)件表面光滑無缺陷，尺寸完全達標，精度超出預期效果。

2016年8月25日，西南鋁成功軋制出重型運載火箭用10m級整體鋁合金環(huán)件，再次刷新世界整體鋁合金環(huán)件紀錄。這意味著我國深空探測裝備硬件能力得到大幅提升，西南鋁再一次實現(xiàn)了在超大型整體環(huán)件研制技術上的重大突破。

近年來，西南鋁已為我國“長征”系列火箭、“神舟”系列飛船、“嫦娥”系列探月衛(wèi)星、國產(chǎn)大飛機、世界最大口徑射電望遠鏡等國家重大工程提供了大量關鍵材料，為我國國防建設和航空航天事業(yè)發(fā)展作出了突出貢獻。

10米級鋁合金鍛環(huán)

據(jù)了解，10m級超大型鋁合金環(huán)件是連接重型運載火箭貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的關鍵結構件，是我國重型運載火箭研制能否取得新突破的關鍵材料，其制造技術是研制工作迫切需要突破的重大難題。

“重型運載火箭箭體結構為超大型薄壁結構，具有幾何尺度大、結構剛度低、形狀精度高、服役環(huán)境苛刻等難點，這就意味著作為關鍵結構件的整體環(huán)件制造過程面臨全新的技術挑戰(zhàn)。”西南鋁總經(jīng)理、黨委副書記黎勇介紹，相對于9m整體鋁合金環(huán)件，10m級整體鋁合金環(huán)件要承受的重載、高沖擊、超低溫更甚，隨著直徑的加大，研制難度更大。

中國目前在用的各類運載火箭所需的鋁合金鍛環(huán)95%由西南鋁提供。西南鋁不斷刷新航天用鋁合金鍛環(huán)的產(chǎn)品規(guī)格、技術性能、國內(nèi)和國外紀錄，為中國航天事業(yè)發(fā)展提供了可靠的材料保障。

世界首塊噴射沉積AI-Li合金坯料

在豪然公司下線

鎮(zhèn)江豪然科技有限公司是中國首家采用沉積技術的公司，在全球首次用噴射沉積法制成AI-Li合金錠，河北宏潤核裝備科技股份有限公司用此種錠第一次擠出了鍛造棒坯與管材，棒坯用于鍛造航天器鍛件，這在全球是首次。噴射沉積錠的組織和性能均優(yōu)于鑄錠冶金的，因而鍛件具有更加優(yōu)異的組織和性能。

鋁合金復合材料器件

在北斗系統(tǒng)成功應用

2020年7月31日，中國北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成暨開通儀式在北京舉行。國家主席習近平出席儀式，宣布北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通。這是中國第一個面向全球提供公共服務的重大空間基礎設施，標志著北斗導航系統(tǒng)26年的研發(fā)過程結出碩果。

北斗導航系統(tǒng)工程自1994年啟動，2000年完成北斗一號系統(tǒng)建設，2012年完成北斗二號系統(tǒng)建設。北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面建成并開通服務，標志著工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略取得決戰(zhàn)決勝，使中國成為世界上第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。

目前，太空中在軌的有俄羅斯格洛納斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的27顆衛(wèi)星、30余顆美國衛(wèi)星、20余顆歐洲衛(wèi)星，中國北斗導航系統(tǒng)55顆衛(wèi)星的加入，大大提高了定位的準確性，擴大了覆蓋范圍，給全球用戶帶來巨大福利。使中國邁入全球衛(wèi)星導航技術領先隊伍。目前，北斗系統(tǒng)服務已覆蓋200多個國家和地區(qū)，日服務達2億次，全世界一半以上國家都已開始使用北斗系統(tǒng)。中國自主建設的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)完成全球組網(wǎng)部署，標志著中國作為主要空間力量又向前邁進了一步，開啟了和平利用外層空間、高質(zhì)量服務全球的新篇章。

中國科學院沈陽金屬研究所多種相關材料器件在北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中成功應用，金屬基復合材料課題組研制的多個成分的系列鋁基復合材料，成功應用于北斗衛(wèi)星的光學結構及20余個北斗衛(wèi)星的電源模塊散熱載體。與傳統(tǒng)鋁、鈦合金相比，鋁基復合材料具有低膨脹、高熱導、高彈性模量和良好尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點，可更好滿足激光系統(tǒng)等對結構件的高精度和高可靠性要求；與鎢銅、鉬銅散熱材料相比，鋁基復合材料的低密度可使電源模塊散熱載體減重70%以上。上述鋁基復合材料對激光通信精度、衛(wèi)星輕量化設計等發(fā)揮了重要作用。

金屬所材料摩擦磨損與航天熱控服役課題組研制的長壽命管式凱裝加熱器成功應用于北斗MEO衛(wèi)星單組元肼推力器中，具有集中加熱、功率密度低、熱效率高和高溫絕緣性能好等優(yōu)點，且使用壽命長，對保障推力器長壽命安全可靠運行起到關鍵作用。