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中国航天铝材跻出身界强国之列

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发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

多国纷登月球火星,航天铝材喜迎新需

2月13日,俄罗斯公布了与我国携手打造月球科研站计划。日前,两边正在研究项目技能落实事宜。美国也在运作类似的课题,进展很快,不久美国月球基地即会亮相。2021年是人类征服火星圆梦之年,自从人类太空探索开始以来,火星一直是访问量最大的行星之一,美国的“水手四号”宇宙飞船早在1964年就发回了第一批火星表面照片。2021年2月初以来,3个国家(阿联酋、中国、美国)的探测器欲登岸火星,阿联酋的“盼望号”探测器已于2月19日进入环火星轨道,创造了历史;就在第2天,中国的“天问一号”探测器紧随其后举行了相同的操作,将于5月份着陆火星。

中国、美国、俄罗斯、欧盟、日本、印度、阿联酋等国都已向月球、火星发射过或准备向它们发射探测器,为航天铝材提供了新的需求阵地,高端铝材及铝基复合材料在航天器装备及发射火箭系统制造中占据极为重要的职位,是一类不可或缺的材料。现在,我国有多家企业都能批量制备各种航天铝材,在火箭用材的净质量中,铝材占94%以上,在航天器布局用材的净质量中,铝材及铝基复合材料也占到约75%。

铝材:航天器发射火箭和布局零部件的顶梁柱

航天铝材大体可为两部门:一是发射火箭用,二是航天器本身零部件布局用。从航天事业一开始,铝材及铝基复合材料就与航天工业结下了不解之缘,不但得到了广泛的应用,更是不可或缺的关键材料,虽不能说,没有铝就没有今天这样兴旺发达的航天事业,但可以毫不夸张地说,没有铝合金,像今天这样惊天动地的航天事业至少要延后二三十年。

在航天器与火箭上用的铝合金主要有7078型、2024型、Al-Li合金等;火箭发射用的液氢槽、液氧槽、控制装置、加固-连接环等均是用这类合金材料打造的。

长五奔太空 铝材建殊功

2016年11月3日20时43分,中国最大推力新一代运载火箭长征五号从中国海南省文昌航天发射场轰然发射升天,约30分钟后进入预定轨道,长征五号运载火箭初次发射任务圆满成功。这一声划破长空的惊天巨响震惊了整个地球,标记着中国跨过了航天强国门槛,进入了天下航天强国俱乐部。

长征五号大型火箭的液氢与液氧贮箱是用什么铝合金焊接的,虽未见媒体报道,但国外发射大型火箭用的液氢、液氧贮箱无论是美国,还是日本和欧洲的,都是用2219合金焊接的,所以笔者认为,长征五号低温燃料与助燃液氧贮箱也应是用2219型铝合金厚板(>6mm~≤10mm)焊的,板材应是中国铝业团体所属工厂生产的,它们有生产航空铝材60年的技能与经验,并通过了航空航天部门的认证。别的,2015年,无锡市某公司锻造的航天配套环件即是用的2219合金,其外径达8.7米、内径为8.32米。

多国纷登月球火星,航天铝材喜迎新需,中国航天铝材跻出身界强国之列

随着中国跻出身界航天大国和强国之列,航天产业所需的铝材、铝基复合材料、铝制零部件等(除个别零部件外),已全部能自给,而且有些还是天下首创,居天下领先程度,如火箭系统的直径10m整体铝合金环件、大直径喷射沉积AI-Li合金锭及其挤压锻坯等。

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直径10m级大锻环中国造

2003年以来,随着我国航天事业的飞速发展,大推力火箭和宇航器所需的铝合金锻环直径在不断加大,急需直径达5m及5m以上的锻环,而且除航天范畴外,在中远程战略导弹及舰载火炮等武器范畴也同样需要大直径铝合金锻环。此前,由于设备能力所限,东北轻合金有限责任公司(简称“东轻公司”)只能生产最大直径2.9m的锻环,而且生产工艺掉队、投料比大、成品率较低,已无法满意我国航天事业发展的需要。作为中国的铝镁合金加工基地,东轻公司审时度势,决定自主研发环轧生产线。2004年,东轻公司把环轧生产线列入了当年的重点创建项目之一,并于2005年6月开始设备的制造工作。2006年3月,环轧生产线安装工作全部结束。2006年6月,中国航天一院的领导就东轻公司到场研制“嫦娥工程”所需的超大直径铝合金锻环进展环境到东轻公司调研,并对东轻公司的设计方案和一系列工作给予了充分肯定。2006年9月12日,东轻公司一次试车成功,轧制出了直径达4m的铝合金锻环,不但环轧机达到了设计要求,而且淬火炉的最大温差只有±29℃,全面达到了设计尺度。

2006年12月30日,在东轻公司自行设计制造具有完全自主知识产权的环轧生产线上,生产出了当时国内最大的铝合金锻环,该锻环直径达5.15m、宽340mm、厚100mm,该公司成为中国火箭锻环的开发者。

2014年12月,无锡市派克重型铸锻有限公司也成功轧制出了国内最大2219铝合金环锻件。该锻件外径8.7米,内径8.32米,高0.35米,是现在国内最大2219铝合金环锻件,它的问世,突破了国内2219铝合金环件数控碾环成形的多项关键技能,达到行业领先程度。

大型环锻件可广泛用于风力发电、石油化工、矿山机械、能源电站、航空航天、核电燃机等领城。而派克锻造的这块国内现在最大2219铝合金环锻件是某型号火箭配套的关键构件。该环件的研制成功,推动这家民营高科技企业成功转型,跨入航天配套领城。

据悉,该铝合金环件涉及多个领城和多项关键技能。厥后该公司继续开展了环件热处置处罚、应力消除、整体机械加工等工艺研究,以确保零件的形状及性能满意产品的技能要求和使用要求。

2015年8月初,广西南南铝加工有限公司的“大推力火箭用超大规格铝合金锻坯的开发”项目通过了广西壮族自治区工信委的判定验收,满意大规格铝合金整体环的生产,这是我国“十三五”时期重点发展的重型火箭国家重大工程项目所需的关键材料。

南南铝公司通过引进吸取和再创新,建成了目宿天下上最先辈的硬铝合金熔铸生产线,研究开发了熔体联动精炼、除气、过滤和铸锭多级均匀化热处置处罚等技能,办理了熔体高洁净化、高性能超大规格铸锭半一连铸造成形和构造均匀性控制等重大技能难题,生产了直径1320mm、质量凌驾20t的超大规格硬铝合金铸锭,并与航天应用单元合作,在天下范围内初次实现直径≥8500mm铝合金整体环的制造。

广西壮族自治区工信委构造了由航天设计和应用单元组成的验收专家组对该项目举行判定验收,专家组认为该项目完成了任务书提出的各项指标,整体技能达到国内领先、国际先辈程度,同等同意通过判定验收。

2014年4月10日11点39分,随着轧环机缓缓制止转动,中铝西南铝与天津特钢精锻有限公司合作研发的首件新型运载火箭用9m级超大型铝合金整体环件研制成功。这是目宿天下范围内最大级别的铝合金整体环件。

研制出9m级超大铝合金整体环件,是中铝公司自成功开发出5m级环件轧制工艺技能,结束我国不能生产大规格铝合金巨型环件历史以来,在航天新材料范畴实现的又一历史性突破!

近年来,随着国家重大机械装备制造业的发展,对高性能大型环件提出了急迫需求,大型环件的制造能力已经成为国家基础制造能力的标记和国防重要保障。2012年,中国航天科技团体举行材料调研时,提出了9m级超大型铝合金环件需求。

超大型环件传统制造工艺主要以铸造成形和焊接成形为主,但这两种工艺均无法满意蒙受重载、高打击、超低温等恶劣工作环境所需的性能要求,必须采用整体制造工艺。但此时9m级整体环件的研发技能在国内依然一片空白,环件从5m级到9m级,技能跨度巨大。为满意国家需求,占领行业制高点,2014年,中铝团体在西南铝创建环件技能研发团队,预研工作正式启动。

要满意环件设计要求,必须突破环件铸锭熔铸、轧制成型、热处置处罚、冷变形等多项关键焦点技能难题,所有研制工作都要从头做起。

满意该整体环件对铸锭坯料的要求是研发团队必须啃下的第一块“硬骨头”。2014年,研发团队开始了超大合金铸锭的攻关。短短3个月时间内,研发团队依赖自主创新,研制出配套铸造工具,探索出关键熔铸技能和铸造工艺,攻克了超大铸锭成型难关,铸造出满意技能尺度要求的直径1350mm圆铸锭,为后期研制工作的成功打下了坚实基础。此后半年间,西南铝突破了锻克制坯和轧制成形两大关键技能,成功轧制出尺寸完全满意设计要求的铝合金整体环件,环件表面光滑无缺陷,尺寸完全达标,精度超出预期效果。

2016年8月25日,西南铝成功轧制出重型运载火箭用10m级整体铝合金环件,再次刷新天下整体铝合金环件记载。这意味着我国深空探测装备硬件能力得到大幅提升,西南铝再一次实现了在超大型整体环件研制技能上的重大突破。

近年来,西南铝已为我国“长征”系列火箭、“神舟”系列飞船、“嫦娥”系列探月卫星、国产大飞机、天下最大口径射电望远镜等国家重大工程提供了大量关键材料,为我国国防创建和航空航天事业发展作出了突出贡献。

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10米级铝合金锻环

据相识,10m级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键布局件,是我国重型运载火箭研制可否取得新突破的关键材料,其制造技能是研制工作急迫需要突破的重浩劫题。

“重型运载火箭箭体布局为超大型薄壁布局,具有多少尺度大、布局刚度低、形状精度高、服役环境苛刻等难点,这就意味着作为关键布局件的整体环件制造过程面临全新的技能挑战。”西南铝总经理、党委副书记黎勇介绍,相对于9m整体铝合金环件,10m级整体铝合金环件要蒙受的重载、高打击、超低温更甚,随着直径的加大,研制难度更大。

中国现在在用的各类运载火箭所需的铝合金锻环95%由西南铝提供。西南铝不断刷新航天用铝合金锻环的产品规格、技能性能、国内和国外记载,为中国航天事业发展提供了可靠的材料保障。

铝合金复合材料器件,在北斗系统成功应用

中国科学院沈阳金属研究所多种相关材料器件在北斗三号环球卫星导航系统中成功应用,金属基复合材料课题组研制的多个成分的系列铝基复合材料,成功应用于北斗卫星的光学布局及20余个北斗卫星的电源模块散热载体。与传统铝、钛合金相比,铝基复合材料具有低膨胀、高热导、高弹性模量和良好尺寸稳固性等优点,可更好满意激光系统等对布局件的高精度和高可靠性要求;与钨铜、钼铜散热材料相比,铝基复合材料的低密度可使电源模块散热载体减重70%以上。上述铝基复合材料对激光通讯精度、卫星轻量化设计等发挥了重要作用。


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