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铝锂合金打造卫星资源舱天宫一号减重10%

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铝锂合金打造卫星资源舱天宫一号减重10%

发布日期:2012-03-31 作者: 点击:

2011年9月29日21时25分,中国自主研制的载人飞行器——“天宫一号”顺利地进入预定轨道,发射圆满成功。“天宫一号”目标飞行器总长10.4m,重约8.5t,舱体结构大直径3.35m。它的运行高度约370km,在轨道上的运行时间为2年,可以与载人飞船进行几次对接。“天宫一号”为两舱结构,一个是试验舱,另一个为资源舱。前者为密封的,是航天员驻留生活和工作的地方,分为密封段和非密封段。密封段是航天员活动区,而所有的科学试验设备都装于非密封段。

  “天宫一号”这个中国的一个低轨道、长寿命大型载人航天器的设计寿命为2年。在资源舱也就是“天宫一号”的后舱内装有动力系统(含超强电力的大型太阳能电池板)推进系统和能源。它的主要任务是为“天宫一号”的飞行提供能源保障,并控制飞行姿态。资源舱加足燃料后的重量约1.4t。

  “天宫一号”电源分系统的全部设备(太阳能电池翼)都在资源舱内,再加上舱内储备的燃料都为飞行器提供运行能量。舱内还有一个极为关键的零件——控制力矩陀螺,用来控制“天宫一号”的飞行姿态,重约50kg,是用有色金属材料制作的。

  资源舱减重10%以上,铝-锂合金功不可灭

  “天宫一号”将在轨运行两年,资源舱内不但有太阳能电池、动力系统和推进系统,以及控制力矩陀螺,还必须加装足够的燃料。因此,必须减轻舱段结构部分重量。由于常规的高强度2XXX系合金及超高强度7XXX系合金密度较高,所以设计人员想用各项性能与常规结构铝合金相当,而密度又比它们的小一些的航天铝合金——铝-锂合金,它的一个重要特点是其密度低与弹性模量高。在铝合金中,锂与铍是降低其密度有效的合金元素,锂在铝中的大溶解度为4.2%,向铝中每添加1%锂,可使其密度下降约3%,而其弹性模量则上升约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。

  锂是一个化学活性很大的金属元素,因此铝-锂合金必须在真空炉内熔炼,熔体也必须在有保护气体条件下铸造,熔铸是生产铝-锂合金关键的技术。

  中国大飞机C919型客机机身等直段部段也是用铝-锂合金制造的,由中航工业洪都公司制造,已于2010年12月上旬顺利下线,所有的铝-锂合金板材由美国铝业公司提供,来自达文波特厂。等直段位于大客机机身前部,是宽度相等的简状结构部段,全长7.45m、宽4.2m、高4.2m。是中国国内民用飞机上首次采用铝-锂合金制造的部段。

  美国航空航天局(NASA)也曾于2008年选定美国铝业公司为其战神一号载人运载火箭生产铝-锂合金板材,其中仅薄板订货量就达453.6t,全部用2195铝-锂合金(质量%: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,其他杂质每个0.05,总计0.15,其余为Al)轨制。该合金于1992年定型并在美国铝业协会公司(AA)注册,是美国铝业公司研发的。由美国铝业公司匹兹堡技术中心生产铸锭,达文波特厂轧制薄板。

  航空航天铝材明星——老而先进的铝-锂合金家族

  铝-锂合金是一种既老而又先进的高精航空航天材料,全世界只有5个国家的7个厂可以生产板材,11个可以生产挤压型材,9个厂可以生产锻件,生产合金材料的关键是溶炼铸造,所以熔炼铸造企业数就决定了这种高门槛合金材料的厂数,至于在挤压与铸造方面铝-锂合金并没有特别的工艺,大多数可生产热处理强化铝合金材料的企业都可以生产。

  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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