鋁合金新材料在載人密封艙主結構中的應用研究進展

孟 松，劉 剛，方 杰，賴松柏，姜 鋒，姜 坤

（1.中國空間技術研究院 錢學森空間技術實驗室，北京100094；2.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；3.中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；4.北京衛星制造廠，北京 100094）

鋁合金新材料在載人密封艙主結構中的應用研究進展

孟 松1，劉 剛2，方 杰2，賴松柏2，姜 鋒3，姜 坤4

（1.中國空間技術研究院 錢學森空間技術實驗室，北京100094；2.中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094；3.中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083；4.北京衛星制造廠，北京 100094）

文章簡述了鋁合金新材料在載人密封艙主結構中的應用研究進展，總結了傳統航天用鋁鎂系鋁合金的特點，在相關實驗研究的基礎上，通過對比分析指出，新型5B70鋁鎂鈧合金具有優良的綜合性能，將是我國未來載人密封艙主結構升級換代的最佳備選材料。結合當今載人航天器的發展需要，剖析了傳統鋁合金材料在未來載人航天器升級換代這過程中亟待解決的難題和將要面臨的挑戰。

載人航天器；結構材料；鋁合金；綜述

0　引言

鋁合金材料以其比強度高、材料性能穩定、焊接性良好、耐受環境范圍寬等特點，被廣泛用于大型載人密封艙主結構中，如蘇聯的“聯盟號”飛船、“和平號”空間站，以及國際空間站、我國“神舟”系列飛船及未來空間站，還有目前國內外正開展研制的新型可重復使用載人飛船等的大型密封艙結構。

國外早期的飛船密封艙結構材料主要采用鋁鎂合金，特別是退火和半冷作硬化狀態的 5A06（AMГ6、5086）應用最為普遍，這種非熱處理強化的鋁合金具有優良的綜合力學性能和制造工藝性。蘇聯（俄羅斯）“禮炮”系列空間實驗室密封艙、“和平號”空間站密封艙以及國際空間站俄制密封艙一直延用 AMГ6鋁鎂合金；我國載人系列飛船和未來空間站的密封艙也都采用5A06鋁鎂合金。隨著航天技術的發展，密封艙主結構材料應用除了對比剛度、比強度要求逐步提高外，還增加了空間長期駐留和天地往返重復使用的安全可靠性要求。

早在20世紀60年代末，蘇聯就已經發現稀土元素族中最輕的鈧（Sc）能使鋁的晶粒細化并顯著提高鋁合金的強度，此后他們在對純金屬鈧、鈧的金屬間化合物及相關相圖充分研究的基礎上研發出多種含鈧鋁合金，并在米格-29戰斗機及導彈的導向尾翼上首先獲得應用。1989年后，蘇聯生產的鈧鋁合金及相關技術流向西方，鈧鋁合金的優異性能才得到美、歐等國的青睞，對它的研發也逐步擴大到全球范圍。近10余年來，俄羅斯、烏克蘭及美國、日本、加拿大開發的鈧鋁合金不斷取得新進展，形成包括 Al-Mg-Sc［1］、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Cu-Li-Sc、Al-Zn- Mg-Cu-Sc等合金系近20個牌號，其應用研究也在不斷擴大。

我國從20世紀90年代開始也開展了鈧鋁合金的相關研究：中南大學和東北輕合金有限公司等單位在國家項目支持下，率先開展鋁鎂鈧合金的研制，根據我國航天工業發展需求，開發出了 5B70鋁鎂鈧合金（Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr），在實驗室條件下對該鋁合金的微觀組織及性能進行了大量的研究，積累了豐富的基礎數據［2-5］。從2006年開始，中國空間技術研究院與中南大學、東北輕合金有限責任公司組成了國內產-學-研聯合研究團隊，在國家“十一五”“十二五”項目支持下，針對載人大型密封艙主結構開展了5B70鋁鎂鈧合金新材料應用基礎研究、關鍵制造工藝研究，以及新型結構設計和試驗件驗證研究等工作。

本文對載人航天器主結構材料的發展做簡要回顧，闡述我國新一代載人航天器密封艙主結構材料的發展方向和應用研究進展。

1　載人航天器密封艙主結構

1.1大型密封艙

載人航天器密封艙主要用于載人運輸和空間駐留生存，包括美國“阿波羅”、蘇聯“聯盟號”、我國“神舟”系列飛船和空間站的大型密封艙，以及未來新一代多用途可重復使用載人飛船（如圖1和圖2）、月球/深空探測載人飛船或駐留生存基地大型密封艙。載人大型密封艙是壓力容器，須保證艙內環境適于航天員工作生活 。

圖1　美國新一代“獵戶座”載人飛船返回艙示意圖［6］Fig.1　Schematic view of the return module of US Orion spaceship

圖2　俄羅斯未來載人運輸系統（PPTS）中的PTK NP飛船示意圖Fig.2　PTK NP spaceship of the future manned transportation system （PPTS） of Russia

1.2大型密封艙主結構

載人航天器大型密封艙主結構如圖3所示，主要由鋁合金壁板與大型鍛環成型焊接而成，直徑3～5 m，長度數10 m。

圖3　大型密封艙鋁合金整體網格壁板與大型鍛環示意圖Fig.3　The integrated network wall plate made of aluminium alloy for large-scale sealed cabin

2　關鍵材料及未來發展需求

2.1大型密封艙主結構材料應用情況

大型密封艙主結構材料的選用主要考慮：材料的比強度、比模量、塑性、斷裂韌度、加工成形性、焊接性、抗應力腐蝕性，以及原料貨源穩定性和成本等［7-8］。中國、蘇聯一直應用鋁鎂系列鋁合金：蘇聯用AMГ6Al-Mg系合金，中國用5A06鋁鎂系合金；美國、歐洲主要應用鋁銅系列鋁合金，部分應用鋁鎂系列鋁合金，如 2014Al-Cu系合金、2219Al-Cu系合金、 5086Al-Mg系合金。已成熟應用的空間站大型密封艙關鍵材料情況見表1。飛船及空間站鋁合金材料發展應用脈絡見圖4。

表1　已成熟應用的空間站大型密封艙關鍵材料情況Table 1　Critical materials used in the large sealed cabin of mature space stations

圖4　飛船及空間站鋁合金材料發展應用脈絡Fig.4　The application of aluminium-alloy materials in spaceships and space stations

2.2鋁鎂系鋁合金特點

1）良好適中的力學性能、較高的比強度/比模量；

2）優良的結構制造工藝性能，塑性好，易成型加工，焊接性能較好，焊接方法、焊接工藝適應性強，不易出現焊接裂紋，焊接接頭強度系數可高于0.9；

3）冷作強化后產生時效軟化，不能熱處理強化，與可熱處理強化的鋁銅系合金相比強度較低。

2.3鋁銅系鋁合金特點

1）可進行強化熱處理，比鋁鎂系合金具有更高的抗拉強度和屈服強度；

2）低溫性能優良，在-253～+200 ℃范圍內均具有良好的力學性能、尤其是抗沖擊性能；

3）焊接時氣孔缺陷傾向較大，焊接性和耐蝕性能低于鋁鎂合金，焊接接頭強度系數較低；

4）塑性較低，結構成型等制造工藝性較差。

2.4主結構材料升級需求

1）更輕的重量

載人深空探測發射代價比近地軌道大得多，要求航天器具有更輕的重量、更高的效率。目前我國載人航天器結構重量/發射重量比約為24%～28%，這個比例偏高，結構減重需求迫切，急需比強度更高的新型材料將此比例降至20%以下。

2）更長的壽命

未來新一代天地運輸系統、地外駐留平臺、月球基地等載人探測器工作和運行時間通常長于15年，要求主結構在復雜的載荷環境下滿足長壽命需求，這就要求材料具備良好的疲勞特性和斷裂特性。

3）可重復使用

為了提高經濟性，新一代天地往返系統等載人航天器要求主結構具備可重復使用功能，這對主結構及其材料提出了全新的要求，需要采用服役可靠性更好的材料，并對材料損傷容限進行界定、識別及可靠性分析。

4）更強的環境適應能力

載人航天器從近地軌道載人飛船和空間站延伸發展至未來月球/深空探測載人飛船或長期駐留生存基地，其密封艙主結構將面臨更復雜的載荷條件和更苛刻的環境條件，因此應具備更強的環境適應能力。為滿足新的航天應用需求，主結構材料應該提前進行升級換代和技術開發儲備，同時逐步建立相應大型部件的制備能力和相關結構制造工藝的配套能力。

3　鋁合金新材料應用研究進展

3.1在新一代多用途飛船大型密封艙主結構中的應用及影響因素

鋁合金新材料在大型密封艙主結構中的應用（見表2）主要受以下因素影響：

1）材料性能：比強度、比模量、耐蝕性高仍是航天主結構材料永遠追求的目標。

2）基礎能力：穩定保證材料高性能（各向同性）條件下，需要具備研制直徑5 m左右大型鍛環、厚度30mm以上大型厚板的技術實力和條件保障能力。

3）綜合工藝性：材料成型、焊接、防腐蝕處理等綜合工藝性能優良，在經過成型、焊接制造后，材料仍然能保持原有的高性能，并且結構制造工藝繼承性與生產成本滿足預算要求。

4）服役可靠性：在長期空間環境駐留服役、多次往返重復使用條件下，材料仍然能保持原有的高性能和可靠性。

表2　在新一代多用途飛船大型密封艙主結構中的應用Table 2　The application of aluminium-alloy materials in the next-generation multipurpose spaceship

3.2在實驗室條件下新型5B70鋁鎂鈧合金與傳統5A06鋁鎂合金力學性能對比（圖5）

圖5　實驗室條件下新型5B70鋁鎂鈧合金與傳統5A06鋁鎂合金力學性能對比Fig.5　Comparison of mechanical properties between 5B70 and traditional 5A60

3.35B70與5A06鋁合金合金強韌化機理

5B70鋁合金新材料是在5A06基礎上復合添加微量Sc/Zr合金化元素發展而來，它不但繼承了5A06合金的所有優點，而且具備更高的使用性能，是未來鋁鎂系航天金屬材料升級換代的重要備選材料。兩種鋁合金強化效果對比見表3。

表3　5A06和5B70鋁合金強化效果對比Table 3　Strengthening process for 5A06和5B70

1）固溶強化

由于各原子尺寸不同，大量溶質Mg原子固溶到Al基體中引起基體晶格畸變。畸變應變場阻礙位錯運動從而引起強烈的固熔強化效果。Al-Mg基合金的固溶強化效果與Mg含量成正比，5B70和5A06合金的Mg含量均高達6.0%（wt.），合金的固溶強化效果非常顯著。

2）細晶強化

5B70合金中大量彌散 Al3（Sc， Zr）粒子能促進新晶粒形核，在熔煉和焊接過程中細化鑄態組織和焊縫熔合區的晶粒尺寸，引起顯著的細晶強化效果，如圖6所示。

圖6　細晶強化效果Fig.6　Comparison of refined crystalline strengthening

3）亞結構強化

亞結構強化主要來自于基體中的形變儲能，

5B70合金中大量彌散Al3（Sc， Zr）粒子，在變形過程中能阻礙位錯運動，抑制動態回復和動態再結晶發生，使形變儲能得以保留，增強合金的亞結構強化效果，如圖7所示。

圖7　亞結構強化效果Fig.7　Comparison of sub-structure strengthening

4）彌散析出強化

5B70合金中大量與基體共格的Al3（Sc， Zr）粒子能釘扎位錯運動，阻礙晶界遷移［9］，在焊接過程中能抑制熱影響區再結晶形成和晶粒粗化，降低合金焊接軟化程度，如圖8所示。

圖8　彌散析出強化效果Fig.8　HRTEM and TEM of dispersed precipitation

5）各向異性特征較弱

通過控制制備工藝，5B70合金板材不同方向上的性能差異不明顯，合金性能各向異性得到很好控制（見圖9），為作為航天大型主結構材料奠定基礎。

圖9　5B70合金板材各向異性示意Fig.9　Anisotropy of 5B70 alloy plate

4　結束語

未來載人航天器大型密封艙主結構鋁合金新材料的升級換代，應基于我國國情，堅持走產-學-研聯合自主創新發展的道路，加快研究及應用步伐：

1）加強工程化應用驗證研究

加強針對5B70合金在新一代可重復使用載人飛船、載人深空探測器主結構中的工程設計與應用研究，掌握材料在特殊使用環境中的適應性、損傷積累及演化規律，積累5B70在型號研制及應用驗證中的數據。

2）提升原材料制備工藝穩定性

由于工程化應用研究和用料較少，未來所需的大規格板材和鍛環制備工藝仍需優化，工藝穩定性尚需提升。

3）夯實機理研究

針對未來復雜空間環境長期駐留和天地往返重復使用的發展需求，加強鋁鎂鈧合金微結構演變機理及調控方法研究，為未來工程應用及可靠性控制提供依據。

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（編輯：閆德葵）

Review of new aluminum alloy materials used in large sealed cabin for manned spaceflight

Meng Song1， Liu Gang2， Fang Jie2， Lai Songbai2， Jiang Feng3， Jiang Kun4
（1.Qian Xuesen Laboratory， China Academy of Space Technology， Beijing 100094 China；2.Beijing Institute of Manned Space System Engineering， China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China；3.School of Materials Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， China；4.Beijing Spacecrafts， Beijing 100094， China）

This paper reviews the applications of new aluminum alloy materials in the main structure of manned spacecraft.On the basis of relevant experimental studies and comparison analyses， it is shown that the new 5B70 aluminum-magnesium-scandium alloy is the best alternative materials for the main structure of the upgrading manned spacecraft in China because of its excellent comprehensive performance.To meet the development needs of the shuttle manned aircraft today， the problems to be solved and the challenges to come for the traditional aluminum alloy materials for the upgrading manned spacecraft in the future are analyzed.

manned spacecrafts； structural materials； aluminum alloy； review

V252.1

A

1673-1379（2015）06-0571-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.001

孟松（1962—），女，碩士學位，研究員，從事航天器焊接材料及工藝、航天器先進材料制造技術體系及發展戰略規劃研究。E-mail： mengsong@qxslab.cn。

2015-09-26；

2015-12-11