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鋁鋰合金打造衛星資源艙天宮一號減重10%

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鋁鋰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,中國自主研製的載人飛行器——“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為2年,可以與載人飛船進行幾次對接。“天宮一號”為兩艙結構,一個是試驗艙,另一個為資源艙。前者為密封的,是航天員駐留生活和工作的地方,分為密封段和非密封段。密封段是航天員活動區,而所有的科學試驗設備都裝於非密封段。

  “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為2年。在資源艙也就是“天宮一號”的後艙內裝有動力係統(含超強電力的大型太陽能電池板)推進係統和能源。它的主要任務是為“天宮一號”的飛行提供能源保障,並控製飛行姿態。資源艙加足燃料後的重量約1.4t。

  “天宮一號”電源分係統的全部設備(太陽能電池翼)都在資源艙內,再加上艙內儲備的燃料都為飛行器提供運行能量。艙內還有一個極為關鍵的零件——控製力矩陀螺,用來控製“天宮一號”的飛行姿態,重約50kg,是用有色金屬材料製作的。

  資源艙減重10%以上,鋁-鋰合金功不可滅

  “天宮一號”將在軌運行兩年,資源艙內不但有太陽能電池、動力係統和推進係統,以及控製力矩陀螺,還必須加裝足夠的燃料。因此,必須減輕艙段結構部分重量。由於常規的高強度2XXX係合金及超高強度7XXX係合金密度較高,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-鋰合金,它的一個重要特點是其密度低與彈性模量高。在鋁合金中,鋰與鈹是降低其密度有效的合金元素,鋰在鋁中的大溶解度為4.2%,向鋁中每添加1%鋰,可使其密度下降約3%,而其彈性模量則上升約5%。

  當前世界上可以生產鋁-鋰合金的國家與企業是:中國的西南鋁業(集團)有限責任公司,美國的美國鋁業公司(Alcoa)的達文波特廠(Davenport Works)、力拓加鋁集團(Rito Alcan)的雷文斯伍德(Ravenswood)鋁業公司及法國的伊蘇爾鋁業公司(Issoire),英國的加拿大鋁業公司(British Alcan),俄國聯合鋁業公司的卡緬斯克(Kamensk)鋁加工廠。中國於上世紀60年代初研製成鋁-銅-鋰係合金S141,90年代中期西南鋁業(集團)有限責任公司從俄羅斯引進鋁-鋰合金真空熔煉爐及鑄造設備,從此中國可批量生產鋁-鋰合金板材、型材與鍛件等。

  鋰是一個化學活性很大的金屬元素,因此鋁-鋰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,熔鑄是生產鋁-鋰合金關鍵的技術。

  中國大飛機C919型客機機身等直段部段也是用鋁-鋰合金製造的,由中航工業洪都公司製造,已於2010年12月上旬順利下線,所有的鋁-鋰合金板材由美國鋁業公司提供,來自達文波特廠。等直段位於大客機機身前部,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-鋰合金製造的部段。

  美國航空航天局(NASA)也曾於2008年選定美國鋁業公司為其戰神一號載人運載火箭生產鋁-鋰合金板材,其中僅薄板訂貨量就達453.6t,全部用2195鋁-鋰合金(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,其餘為Al)軌製。該合金於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產鑄錠,達文波特廠軋製薄板。

  航空航天鋁材明星——老而先進的鋁-鋰合金家族

  鋁-鋰合金是一種既老而又先進的高精航空航天材料,全世界隻有5個國家的7個廠可以生產板材,11個可以生產擠壓型材,9個廠可以生產鍛件,生產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,至於在擠壓與鑄造方麵鋁-鋰合金並沒有特別的工藝,大多數可生產熱處理強化鋁合金材料的企業都可以生產。

  說鋁-鋰合金是一個老的合金是因為在上世紀20年代初德國便研製成含鋰的鋁合金,其商品名稱為“Scleron”,典型成分(質量%):12Zn,3Cu,0.1Li。1942年美國鋁業公司的Lebron申請了X2020合金(Al-4.5Cu-1.0Li-0.8Mn-0.5Cd)的專利。1957年此合金板材在美國海軍的A3j偵察機上得到應用,60年代初在超音速轟炸機B-58和殲擊機F-111上也得到少量應用。但由於其斷裂韌性低,以及對缺口的敏感性遠比7075合金的大,所以此合金的應用未得到推廣。後來原蘇聯研製成01420及BA 23鋁鋰合金。1971年英國富爾默(Fulmer)研究製製成了新的鋁-鎂-鋰-鋯合金,特別是1973年的石油危機以後,再次興起了研究鋁-鋰合金熱潮,在解決合金的低韌性與晶界脆性方麵取得了突破性的成就,於是從上世紀80年代以來,各國的一些企業先後推出一批高性能的鋁-鋰合金,它們具有良好的綜合性能,在現行與未來的航空航在器中獲得廣泛的應用。



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