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鋁锂合金打造衛星資源艙天宮一號減重10%

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鋁锂合金打造衛星資源艙天宮一號減重10%

發布日期:2012-03-31 作者: 點擊:

2011年9月29日21時25分,中國自主研制的載人飛行器——“天宮一號”順利地進入預定軌道,發射圓滿成功。“天宮一號”目標飛行器總長10.4m,重約8.5t,艙體結構大直徑3.35m。它的運行高度約370km,在軌道上的運行時間爲2年,可以與載人飛船進行幾次對接。“天宮一號”爲兩艙結構,一個是試驗艙,另一個爲資源艙。前者爲密封的,是航天員駐留生活和工作的地方,分爲密封段和非密封段。密封段是航天員活動區,而所有的科學試驗設備都裝于非密封段。

  “天宮一號”這個中國的一個低軌道、長壽命大型載人航天器的設計壽命爲2年。在資源艙也就是“天宮一號”的後艙內裝有動力系統(含超強電力的大型太陽能電池板)推進系統和能源。它的主要任務是爲“天宮一號”的飛行提供能源保障,並控制飛行姿態。資源艙加足燃料後的重量約1.4t。

  “天宮一號”電源分系統的全部設備(太陽能電池翼)都在資源艙內,再加上艙內儲備的燃料都爲飛行器提供運行能量。艙內還有一個極爲關鍵的零件——控制力矩陀螺,用來控制“天宮一號”的飛行姿態,重約50kg,是用有色金屬材料制作的。

  資源艙減重10%以上,鋁-锂合金功不可滅

  “天宮一號”將在軌運行兩年,資源艙內不但有太陽能電池、動力系統和推進系統,以及控制力矩陀螺,還必須加裝足夠的燃料。因此,必須減輕艙段結構部分重量。由于常規的高強度2XXX系合金及超高強度7XXX系合金密度較高,所以設計人員想用各項性能與常規結構鋁合金相當,而密度又比它們的小一些的航天鋁合金——鋁-锂合金,它的一個重要特點是其密度低與彈性模量高。在鋁合金中,锂與铍是降低其密度有效的合金元素,锂在鋁中的大溶解度爲4.2%,向鋁中每添加1%锂,可使其密度下降約3%,而其彈性模量則上升約5%。

  当前世界上可以生产铝-锂合金的国家与企业是:中国的西南铝业(集团)有限责任公司,美国的美国铝业公司(Alcoa)的达文波特厂(Davenport Works)、力拓加铝集团(Rito Alcan)的雷文斯伍德(Ravenswood)铝业公司及法国的伊苏尔铝业公司(Issoire),英国的加拿大铝业公司(British Alcan),俄国联合铝业公司的卡缅斯克(Kamensk)铝加工厂。中国于上世纪60年代初研制成铝-铜-锂系合金S141,90年代中期西南铝业(集团)有限责任公司从俄罗斯引进铝-锂合金真空熔炼炉及铸造设备,从此中国可批量生产铝-锂合金板材、型材与锻件等。

  锂是一個化學活性很大的金屬元素,因此鋁-锂合金必須在真空爐內熔煉,熔體也必須在有保護氣體條件下鑄造,熔鑄是生産鋁-锂合金關鍵的技術。

  中國大飛機C919型客機機身等直段部段也是用鋁-锂合金制造的,由中航工業洪都公司制造,已于2010年12月上旬順利下線,所有的鋁-锂合金板材由美國鋁業公司提供,來自達文波特廠。等直段位于大客機機身前部,是寬度相等的簡狀結構部段,全長7.45m、寬4.2m、高4.2m。是中國國內民用飛機上首次采用鋁-锂合金制造的部段。

  美國航空航天局(NASA)也曾于2008年選定美國鋁業公司爲其戰神一號載人運載火箭生産鋁-锂合金板材,其中僅薄板訂貨量就達453.6t,全部用2195鋁-锂合金(質量%:0.12Si,0.15Fe,3.7~4.3Cu,0.25Mn,0.25-0.8Mg,0.25In,0.10Ti,0.25-0.6Ag,0.8-1.2Li,0.08-0.16Zr,其他雜質每個0.05,總計0.15,其余爲Al)軌制。該合金于1992年定型並在美國鋁業協會公司(AA)注冊,是美國鋁業公司研發的。由美國鋁業公司匹茲堡技術中心生産鑄錠,達文波特廠軋制薄板。

  航空航天鋁材明星——老而先進的鋁-锂合金家族

  鋁-锂合金是一種既老而又先進的高精航空航天材料,全世界只有5個國家的7個廠可以生産板材,11個可以生産擠壓型材,9個廠可以生産鍛件,生産合金材料的關鍵是溶煉鑄造,所以熔煉鑄造企業數就決定了這種高門檻合金材料的廠數,至于在擠壓與鑄造方面鋁-锂合金並沒有特別的工藝,大多數可生産熱處理強化鋁合金材料的企業都可以生産。

  说铝-锂合金是一个老的合金是因为在上世纪20年代初德国便研制成含锂的铝合金,其商品名称为“Scleron”,典型成分(质量%):12Zn,3Cu,0.1Li。1942年美国铝业公司的Lebron申请了X2020合金(Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.5Cd)的专利。1957年此合金板材在美国海军的A3j侦察机上得到应用,60年代初在超音速轰炸机B-58和歼击机F-111上也得到少量应用。但由于其断裂韧性低,以及对缺口的敏感性远比7075合金的大,所以此合金的应用未得到推广。后来原苏联研制成01420及BA 23铝锂合金。1971年英国富尔默(Fulmer)研究制制成了新的铝-镁-锂-锆合金,特别是1973年的石油危机以后,再次兴起了研究铝-锂合金热潮,在解决合金的低韧性与晶界脆性方面取得了突破性的成就,于是从上世纪80年代以来,各国的一些企业先后推出一批高性能的铝-锂合金,它们具有良好的综合性能,在现行与未来的航空航在器中获得广泛的应用。



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