國內外航天器密封艙主結構材料的選用

施麗銘 楊鵬 周志勇 成志忠

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）（2 西北工業大學航空學院，西安 710072）

1 引言

隨著航天技術的不斷發展，航天任務對密封艙結構的要求越來越高，大尺寸、低質量、高可靠等要求對主結構設計提出了挑戰。材料是航天器結構的基礎，航天器結構的性能很大程度上取決于材料的性能，因此主結構材料的選擇變得尤為重要。目前，國內外航天器均在不斷發展和使用新材料，以有效降低結構重量。

本文介紹了目前國內外研制的航天器密封艙主結構的材料選用情況，并對未來主結構材料的發展方向進行了分析。針對航天器密封艙結構設計的要求，對可選材料的常規力學性能、斷裂韌度、焊接性能、抗應力腐蝕性能、其他工藝性能及原材料供應情況進行了對比分析。同時，分析了具體的使用環境及條件，并結合國內現狀，給出了建議。

2 國內外密封艙主結構材料概況

對于密封艙結構而言，保證密封功能的可靠性是最重要的，由于樹脂基等非金屬復合材料自身的缺陷以及工藝難度等原因，大型密封艙結構均采用金屬材料作為主結構材料，而鋁合金以其優良的綜合性能成為航天器密封艙主結構材料的首選。因此，本節主要介紹國內外航天器密封艙主結構不同鋁合金材料的選用情況。

2．1 國外狀況

20世紀60年代以來，國外已經成功研制了大量的航天器密封艙，比較來看，可分為蘇聯／俄羅斯研制的和歐美研制的兩大類型。

蘇聯／俄羅斯研制的密封艙主結構材料主要為АМГ6鋁-鎂合金（相當于國內的5A06），該鋁合金應用時間較早，且范圍較廣，從載人飛船到目前的“國際空間站”，均采用該合金材料。此外，蘇聯能源號火箭貯箱上使用了1460鋁-鋰合金，取得了良好的減重效果。

以美國為代表的西方各國其航天器密封艙主結構選用材料早期使用的類型較多，主要有5086 及5456鋁-鎂合金，目前歐、美、日等地區或國家的密封艙主結構的材料主要為2219鋁-銅合金［1］。為減輕質量，20世紀90年代美國將航天飛機貯箱材料由2219改為2195鋁-鋰合金，與原貯箱相比，質量減輕了3405kg，這使得攜帶這種超輕貯箱的航天飛機有效載荷大幅度增加。

同時，隨著鋁合金冶金技術的發展，美、俄正在著力發展新的可焊鋁合金材料用于新的航天器密封結構上，目前較為看好的是含鈧（Sc）鋁合金。20世紀70年代，蘇聯對鈧在鋁合金中的存在形式和作用機制進行了系統的研究，開發出多個牌號的非熱處理強化可焊含鈧的鋁-鎂系列合金，并在米格-29型戰斗機及導彈的導向尾翼上首先獲得應用［2］。此外，美國也在開展對含鈧鋁合金材料的研究，其開發的牌號為C557的鋁-鎂-鈧合金，計劃應用在下一代試驗機X-43B中。目前，一些含鈧鋁合金的材料已經在航空器研制中使用，如飛機的艙壁、翼梁、上部蒙皮用的薄板等［3］。

2．2 國內狀況

目前，國內研制的航天器密封結構主要有返回式衛星、神舟系列飛船、運載火箭貯箱等。我國的返回式系列衛星的密封艙艙體結構和載人飛船返回艙艙體結構采用5A06鋁鎂合金［4］。對于運載火箭貯箱，20世紀60年代采用5A06鋁-鎂合金，70年代開始，主要采 用2A14 鋁-銅合金［5］，新一代運載火箭貯箱采用了2219鋁-銅合金［6］。

我國在鋁-鋰合金應用方面也有些標志性成果?！熬盼濉逼陂g，我國在第二代鋁-鋰合金的研制上取得重大突破，國產1420鋁-鋰合金的工業化試制和應用研究獲得成功，現已批生產并在某型飛機的壁板、垂尾、長桁等多個部位上成功應用，單架次用毛坯重達1t。在航天領域，1420鋁-鋰合金已用于某型火箭二級艙段的制造；1420鋁-鋰合金模鍛件已成功地用于某航天器殼體［7］。但是，與2195、2197等第三代鋁-鋰合金相比，其綜合性能較第三代鋁-鋰合金有較大差距。因此，除俄羅斯的1420合金獲得較廣泛應用之外，歐美大部分都直接應用第三代鋁-鋰合金。

對于含鈧合金，國內從90年代開始，部分高校、科研院所、企業等也相繼開展了鋁-鎂-鈧合金的研究，這些研究先后得到國家自然科學基金、973項目、863計劃等項目的支持。目前一些用鈧改性的鋁合金已在航空航天中使用，如飛機的艙壁、熱屏蔽、翼梁、上部蒙皮用的薄板等，含鈧鋁合金在船舶、航天工業、火箭導彈、核能等領域應用前景十分廣闊［3-8］。

3 材料特性

根據上述調研及分析，目前密封艙主結構可選用的材料主要有5A06 鋁-鎂合金、2219 等鋁-銅 合金，2195等鋁-鋰合金，5B70等鋁-鎂-鈧合金。

對于密封艙主結構材料來說，選材主要關注的性能有以下幾點：較高的比強度和比模量、良好的塑性和斷裂韌度；優良的機加、成形以及焊接性能；良好的抗應力腐蝕性能；穩定可靠的供貨來源。下文將對可選材料的性能逐項進行對比。

3．1 常規力學性能

結構設計中最關注的材料性能一般為比強度和比模量，表1對以上材料的常規性能進行了統計［9-10］。

從表1可以看出，在比強度方面，2195鋁-鋰合金具有較大的優勢，5B70 鋁-鎂-鈧合金與2219 相當，5A06等鋁-鎂合金在這些材料中最差；在比模量方面，2195 和1420 鋁-鋰合金略高一些，其余鋁合金基本相當；在延伸率方面，5A06、5B70 等鋁-鎂、鋁-鎂-鈧合金最好，2219、2195鋁合金次之，1420鋁合金最差。

此外，相對于其他鋁合金，2219鋁合金還具有良好的低溫力學性能。溫度下降時，2219鋁合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率都會提高。因此，2219在低溫使用時其材料性能可得到更好的發揮。圖1是2219-T87鋁合金及變極性等離子弧焊（VPPA）焊接接頭強度及其延伸率隨溫度的變化情況［11］。

表1 鋁合金常規力學性能Table 1 Mechanical properties of Al alloy

圖1 2219-T87鋁合金及焊接接頭低溫力學性能Fig．1 Low temperature mechanical properties of 2219-T87

3．2 斷裂韌度

對于有長壽命要求的航天器結構來說，材料的抗斷裂性能也是十分重要的，表2給出了不同材料的斷裂韌度數值［10，12］。

表2 不同狀態鋁合金斷裂韌度Table 2 Fracture toughness of Al alloy

從表2可以看出，2195、5B70鋁合金斷裂韌度最高，具有良好的抗斷裂性能，5A06等鋁-鎂合金次之，2219鋁-銅合金較5A06略低一些。同時，從表2可以看出，與常溫相比，2219鋁-銅合金在低溫下具有更高的斷裂韌度。

3．3 焊接性能

由于密封艙結構需要采用焊接方法把金屬材料部件連接成一個密封的艙體，因此材料的焊接性能對密封艙結構來說非常重要，必須保證焊接的密封性、連接強度和焊接工藝質量［4］。

鋁-鎂合金具有較好的焊接性能，常用的焊接方法為惰性氣體鎢極保護焊（TIG）、變極性等離子弧焊（VPPA）等，其焊縫強度系數可以達到95%以上。同時，對5A06鋁板焊縫的力學性能檢測發現：焊后結構極限強度和材料的延展率與標準值比較變化不大。從拉伸試片的斷裂情況看，焊縫部位的強度高于母材（焊縫余高未清除）。

相對于鋁-鎂合金，鋁-銅合金的焊接性能較差。早期的2A14鋁-銅合金在熱處理強化狀態下焊接時，易產生焊縫金屬凝固裂紋及近縫區母材液化裂紋；焊縫脆性大，對集中應力敏感，母材熱影響區軟化，焊接接頭強度僅達到焊前母材強度的60%～70%，且承載時焊接結構易發生低應力脆性斷裂。2219是鋁-銅系合金中少數焊接性能良好的合金，國外在研制2219鋁合金密封艙時，曾采用過多種熔焊方法，包括氣體保護焊、變極性等離子焊、電子束焊、攪拌摩擦焊等，相比之下，2219鋁合金采用攪拌摩擦焊時的焊縫強度系數更高。

與2195、2197等第三代鋁合金相比，目前國內的1420等鋁-鋰合金仍為第二代鋁鋰合金產品，其各向異性嚴重、塑韌性水平較低、熱暴露后會嚴重損失韌性、大部分合金不可焊。對于2197等第三代鋁鋰合金，其焊接性能較1420等鋁合金有了顯著的提高。

鋁-鎂-鈧合金繼承了鋁-鎂合金焊接性能好的特點，且焊接工藝相近。5B70焊接性能良好，焊接時有較低的熱裂紋敏感性等優點。同時，若焊后進行熱處理，鋁-鎂-鈧合金的焊縫的力學性能可以顯著提高［13］。

以上不同鋁合金材料采用不同焊接方法時對應的焊縫強度系數見表3。

從表3可以看出，5A06、5B70鋁合金焊縫強度系數最高，且對焊接方法不敏感，焊接更容易；2219、2197鋁合金在采用攪拌摩擦焊時焊縫強度系數略低一些，其他焊接方法焊接性能較差；1420等較早牌號的鋁-鋰合金焊接性能最差。

表3 鋁合金不同焊接方法的焊縫強度系數Table 3 Al alloy strength coefficients of different welding methods

3．4 抗應力腐蝕性能

對于密封艙來說，由于其長時間承受內壓載荷的作用，若材料周圍存在潮濕的空氣，則能夠誘發鋁合金應力腐蝕，應力腐蝕也是結構材料必須考慮的因素之一。

5A06等5系鋁合金具有良好的抗應力腐蝕性能，其某些狀態（主要是H 態）抗應力腐蝕性能更好。

5B70也屬于鋁-鎂合金，鈧元素的加入不僅能提高合金的強度，還能有效改善合金的可焊性和耐蝕性，5B70的抗應力腐蝕性能更優異。

為了驗證材料的抗應力腐蝕性能，根據標準ECSS-Q-ST-70-37C［14］對5A06、5B70、2219三種材料開展了對比試驗。試驗結果顯示96%應力水平的2219T87板材在3．5%NaCl溶液中的平均斷裂時間約為400h，而5A06、5B70材料在1080h內均未出現斷裂。結果表明，2219 抗應力腐蝕性能較5A06、5B70要差。

對于1420等第二代鋁-鋰合金，其抗應力腐蝕性能更差，2195 等第三代鋁-鋰合金較之前有了顯著提高，但仍比5A06等5系鋁合金要差一些。

3．5 其他工藝性能及原材料供應情況

鋁-鎂合金成形性能、機加工性能良好，焊接技術成熟，且5A06具有良好的防腐、防銹性能，可以不進行表面處理。目前，以5A06為代表的鋁-鎂合金原材料制備工藝技術成熟，國內可生產的原材料種類、規格齊全，且成本較低。

鋁-銅合金價格低廉，材料制備工藝技術成熟，目前國內可生產的原材料的種類、規格齊全。相對于鋁-鎂合金，鋁-銅合金的成形性能相對較差。

相對于5A06、2219等材料，鋁鋰合金延伸率較低，因此其工藝塑性也相對較差，成形較為困難。目前，國內已經可以批量提供1420 等鋁鋰合金的薄板、型材等，并已在航空航天等領域使用；對于2195等第三代鋁-鋰合金，國內仍處于小規模生產階段。由于研究經費投入等原因，國內的鋁-鋰合金工程化研制和應用水平有限，主要表現為：可供航天航空工業選用的成熟鋁-鋰合金材料和產品規格品種有限；鋁-鋰合金成本偏高，產品質量的批次穩定性須提高［7］。

鋁-鎂-鈧合金為鋁-鎂合金中增加微量的鈧元素，其加工、成形等工藝性能與鋁-鎂合金基本一致。目前，國內鋁-鎂-鈧合金制備技術相對成熟的是牌號為5B70的鋁-鎂-鈧合金，其可提供的產品，包括軋制板材、棒材、鍛件、絲材等多種類型，并且產品的規格也越來越豐富，但目前鋁-鎂-鈧合金產品質量的批次穩定性仍需進一步提高。此外，隨著近10年來鈧供應渠道的暢通，鈧價在緩慢下跌，鈧在鋁合金中極少的用量，使成本不再是使用的障礙［8］。

3．6 綜合對比

根據以上分析結果，現分別以5A06、2219、1420、2195、5B70為代表，綜合比較各系鋁合金的各項性能，比較結果見表4。

表4 不同鋁合金綜合性能對比Table 4 Performance comparison of different aluminum alloys

4 選材分析

從以上對比可以看出，可選材料各有優缺點，不能直接確定選用哪種材料，需要根據特定的使用條件來進行分析。影響航天器密封艙主結構材料選擇的因素主要包括應力水平、工作時間、工作溫度、濕度環境、工藝水平、研制進度要求等，選用時需綜合這些因素統一考慮。

對于運載火箭貯箱等密封艙來說，其工作時間較短，工作溫度較低，壓力水平較大，故選材時主要考慮因素為比強度，而對于斷裂韌度、抗應力腐蝕性能等影響壽命的因素不敏感。在當前技術水平下，主要可考慮選擇2219鋁-銅合金。對于長期在軌運行的航天器尤其是載人航天器密封艙來說，首先要考慮的是保證結構長期運行的可靠性，故選材時首先要考慮的是材料的斷裂韌度、抗應力腐蝕性能等因素，因此，在目前技術水平下，5A06鋁合金是可用的材料。

隨著材料力學性能、焊接等難題的解決，2195等鋁-鋰合金、5B70等含鈧合金可成為未來密封艙主結構的理想材料。

5 結束語

本文對國內外航天器密封艙主結構材料及其主要性能進行了說明，同時結合具體的使用環境及要求進行了分析，根據分析對比可以看出，對于密封艙結構來講，不同材料本身并沒有優劣，應用時需根據具體的任務需求來進行選用。就目前國內的情況而言，5A06、2219是現階段技術成熟且各方面性能較好的密封艙體主結構材料。隨著各方面技術的不斷完善，未來鋁-鋰、鋁-鎂-鈧等新型鋁合金可替代目前的材料，成為密封艙主結構材料選用的方向。

本文對不同密封艙主結構材料的調研和分析結果，可為大型航天器密封艙主結構研制提供借鑒和參考，但具體選擇時還需根據特定使用條件開展詳細的分析和驗證。

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