铝合金助中国成为航天大国与强国

十年弹指一挥间，中国成为航天器发射火箭大国与强国。2022年7月24日14时22分，中国搭载问天实验舱的长征五号B遥三运载火箭在海南省文昌航天发射场准时点火发射，约495秒后，问天实验舱与火箭成功分离，进入预定轨道，发射取得圆满成功。

这是中国载人航天工程立项实施以来第24次飞行任务，发射的问天实验舱是中国空间站首个科学实验舱，由工作舱、气闸舱和资源舱组成，起飞质量约23吨，主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展空间科学实验。

长征五号B这次“零窗口”发射的问天实验舱是中国开展航天事业以来最大与最重的“大块头”，舱体总长17.9米，直径4.2米，发射质量23吨，和北京地铁13号线列车的一节车厢质量相当，是世界现役在轨最重的单舱主动飞行器。

在问天实验舱用的金属材料中，按质量估算，铝合金材料占75%以上。在火箭用的金属材料中，除用了少量的钛合金与金属基复合材料外，其它的材料都是铝合金，据估算，火箭用的铝合金约占金属结构总净质量的95%。

没有铝材就没有今天这样兴旺的火箭产业

中国已成为全球航天大国与初级强国。其间，中国铝业集团东北轻合金有限责任公司、西南铝业（集团）有限责任公司、西北铝加工有限公司（以下分别简称东轻、西南铝、西北铝）生产的铝材在火箭发射奔向太空和航天器翱翔太空进程中，如果没有铝合金结构件就不会那样轰地飞上天，与太空圆满地进行科学实验。例如，储存燃料——液氢与液氧的贮罐，国外所有国家，无论是日本、美国、俄罗斯，还是欧盟，都是用2219型铝合金厚板焊接的，将这些贮罐（箱）捆在一起的圆环件和异形环件，也都是用2219型铝合金锻压的。

中国在制造火箭贮罐（箱）、环件、贮罐上下堵帽领域居世界先进水平，所用的铝合金厚板是西南铝或东轻制造的，环件也是他们提供的，环件除用锻压工艺（也可以称轧制）制造外，也可以用尖端技术——3D打印工艺制造，环件可以是较为简单的圆形截面，也可以是相当复杂的异形截面。

4月中旬，重庆市科技局委托重庆生产力中心组织专家组，对西南铝业承担的“技术创新与应用发展（重点研发产业类）”项目“大型高性能铝合金异形环件开发及产业化”进行了验收，并顺利通过。对该项目主要开展了合金改性设计，铸锭铸造与开坯、环件轧制、热处理、冷变形技术研究，以实现大型复杂异形截面环件的成形性一体化控制，突破了此种首创环件轧制成形一体化控制，以及大型复杂异形截面环件轧制成形仿真模拟技术、制坯工艺技术、组织均匀化控制技术和残余应力控制技术，实现批量化生产与供货，经济效益和社会效益显著，开发的异形环锻件满足了国家重大工程要求。西南铝该项目的成功实施，为铝合金大型异形环件轧制提供了坚实的理论基础和实践经验，填补了国内空白，达到了国内领先、国际先进水平。

2219铝合金绝好的燃料与助燃剂箱材料

中国航天科技集团一院是运载火箭的摇篮，最新的长征五号运载火箭就是他们的新作。在太空开发初期，美国采用2014合金（相当于中国的LD合金），它有良好的成形性，可以加工成火箭需要的种种材料，如厚板、挤压材和锻件。后来，由于自动焊接技术的问世与成熟改用2219铝合金（相当于中国的LY16）。现在不论哪个国家，火箭的液体燃料（液氢）与助燃剂箱（液氧）都是用2219合金焊接的，因为它有铝合金一系列的通用优点外，还有极好的低温性能，它的各项性能均随着温度的下降而同步上升，而且它还是一种耐热合金，即使工作温度高达300℃，仍具有相当高的强度性能，这是非常难能可贵的性能，从而成为一种长盛不衰的火箭与航天器铝合金。

2219合金是一种相当老的铝合金，问世于上世纪30年代中期，是美国铝业公司匹兹堡（Pittsburgh）研究中心发明的，1954年在美国铝业协会注册，现在已发展成为有4个成员的家族，可以加工成各种各样的半成品，材料状态有O、T42、T31、T351、T37、T62、T81、T851、T87。原2019合金及2119合金均被淘汰。

2219-T62合金是一类Al-Cu-Mn-Ti-V-Zr系合金，铜是最主要的合金化元素，向Al中加Cu的主要目的是提高强度，低温强度的增加是靠热处理，而高温强度的增加则是通过Cu与Mn、Ti、V、Zr等形成的化合物，这些化合物都有细化晶粒、组织和改善合金性能作用。Cu降低Al的电极电位，也降低它的抗蚀性，Al-Cu合金在退火状态即O状态合金有严重的点蚀倾向，而时效硬化后，对晶界腐蚀或应力腐蚀敏感。Al-Cu合金熔体内有铜原子偏聚团，其直径为（40~100）×10-10m。铝端的共晶反应：熔体——Al+Al2Cu，820K，33.2%Cu。Al2Cu通常被称为θ相，是在53.3%Cu与864K时直接从熔体内结晶出来的四方晶系，单位晶细胞中有12个原子。

在铝合金中，2219合金是密度最大的，也是火箭铝合金中密度最大的。火箭结构主要铝合金的密度：2219合金为2.84g/cm3，7075合金为2.80g/cm3，2014合金为2.80g/cm3。

火箭铝合金的其它物理性能：20℃~100℃的平均热胀系数，2219合金为22.5μm/（m·k），2014合金为22.5μm/（m·k），7075合金为23.4μm/（m·k）；熔化温度：2219合金液相线温度643℃、固相线温度543℃，2014合金的熔化温度范围507℃~638℃，7075合金未经均匀化处理铸锭或未经固溶处理加工材的共晶温度477℃~635℃，经过均匀化处理的铸锭和经过固溶处理加工材料的初熔温度532℃；比热容，2219合金为864J/（kg·k）、7075合金为960J/（kg·k）。

2219合金的可切削性能良好，在铝合金中是最好的，O状态材料的稍差一些；有较好的可焊性能，但所有状态的材料都不能钎焊，O状态材料不能气焊，点焊、滚焊也不易，其它状态的都可以气焊、点焊、滚焊、氩弧焊。2219合金工件互相联接时，采用2319合金作填充金属更好些，对焊缝强度、塑性、抗蚀性更为有利，与其它材料焊接时，宜采用4043合金作焊丝，以减少焊接裂纹，2219合金虽可以焊接，但焊缝的抗蚀性低。

2219合金由于含Cu量高，抗蚀性能不好，比2024合金的还差，不能在无保护条件下使用。不过每枚火箭从工厂制造完毕到发射时间很短，抗蚀性差对发射没有什么不好。用于其它场合时，板材可以包铝，宜采用含少量锌的包覆材料，但由于基体含铜量高，易扩散，因此保护作用有所下降，还不如2024合金的。T4状态挤压材料有应力腐蚀开裂倾向。焊缝过渡区的抗蚀性也很低，因此必须进行阳极氧化处理或涂漆保护。

2014合金属Al-Mg-Si-Cu系，除Mn、Si含量稍高以外，其它成分与2017合金的相同。该合金的特点是：强度高，与2024合金相当，但铸锭的热裂倾向比2024合金小，有较好的热塑性，并有较好的耐热性和更好的可焊性；不足之处是，材料纵横向性能有较大差异，人工时效状态有晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向，在火箭和航天器结构中用于制造焊接件，从强度、抗焊接裂纹性能和抗应力腐蚀开裂性能等方面考虑，它还是一种不错的火箭铝合金。

2014合金的主要相组成物：α（Al）、Mg2Si、θ（Al2Cu）、S（Al2CuMg）、W（Al4Cu4Mg5Si4），杂质相Al5（FeMnSi）等。Mg和Si形成主要强化相Mg2Si，Cu的主要作用是形成θ、S、W相，起补充强化作用，同时可抑制Al-Mg-Si系合金的停放效应。铜还能改善热加工性能，抑制挤压效应，降低合金中锰引起的各向异性。锰能细化再结晶晶粒，扩大淬火加热温度上限，从而增加合金元素的固溶度，提高时效强化效果。钛可细化铸造组织，铁可防止淬火加热时再结晶晶粒长大，但超过0.8%时会出现粗大的Al6（FeMn）相，降低合金塑性。锌是杂质，应予控制。

2014合金的可切削性能良好，但O状态的稍差一些，其它状态的可以干切削，若要求高表面品质，可用煤油或煤油-猪油各50%的混合油作切削液。该合金不能气焊和钎焊，可以氢弧焊和点焊。通常采用自身材料或2017合金作填充金属，焊缝强度可通过重新热处理得到改善，采用焊接前同样的热处理工艺，焊接横向的抗拉强度可达到基体的80%左右，塑性降低更多些。2014合金易产生焊接裂纹，若采用LT1焊条，可以减少裂纹倾向。由于该合金强度高又耐热，且无低温脆性，可用其板材焊接大型火箭燃料箱。

由于2014合金的铜含量高，抗蚀性不好，且有晶间腐蚀和应力腐蚀开裂倾向，但与热处理状态和工件断面厚度有关，淬火自然状态有较高的抗蚀性，薄断面工件的抗蚀性比厚断面的好。因为工件断面厚，淬火时得不到快速冷却，对第二相析出不利。

2014合金的熔炼温度700℃~750℃，铸造温度700℃~730℃，均匀化退火温度495℃，挤压温度380℃~450℃，锻造温度380℃~480℃，退火温度470℃，固熔处理温度502℃±3℃，过烧温度515℃。时效规范：自然时效10d以上，人工时效160℃±5℃，10h，但锻件为170℃±5℃，10h。

7075合金为Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金，其特点是：强度高、热处理强化效果好、退火和新淬火状态下塑性中等，与硬铝不同的是，人工时效状态下的抗蚀性比自然时效材料的好，且自然时效进程缓慢，须经过3个月才能达到时效硬化峰值，所以都在人工时效状态使用，其缺点是组织稳定性不高，低频疲劳强度低，有应力腐蚀开裂倾向。

它的主要相组成：α（Al）、η（MgZn2）、T（Al2Mg3Zn3）、S（Al2MgCu），可能的杂质相有Mg2Si、Al6（FeMn）、Al（FeMn）Si等。锌和镁形成主要强化相η、T，它们在铝中都有大的溶解度，因此热处理效果强。Al-Zn-Mg系合金强度随Zn、Mg含量增加而上升，但应力腐蚀敏感性也同步加大。加入Cu、Mn、Cr可以提高抗蚀性，Cr的作用最大，加入<0.3%的量就有显著效果，Mn的作用次之，但Mn和Cr又可以提高合金的淬火敏感性。Cu不仅能改善合金的抗蚀性，还能形成θ相，起补充强化作用，但对可焊性不利，Fe和Si为有害杂质，特别对断裂韧性不利。

淬火和时效状态或冷加工状态的7075合金有良好的可切削加工性，O状态材料的不好。应采用高速钢或硬质合金刀具，并有较大的前倾角，可以干切削，最好采用煤油或各占50%的煤油-猪油混合物作切削液。

7075合金焊接敏感性大，熔焊时易产生裂纹，焊缝的力学性能和抗应力腐蚀开裂性能也很差，即使进行热处理使强度性能大部分得到恢复，伸长率仍很低，因此不能熔焊，但采用强脉冲电流还是可以接触焊接。故常用铆接或胶接工艺连接。

7075合金一般抗蚀性尚好，但抗应力腐蚀开裂性能差。喷丸处理、包铝、分级时效、形变热处理等对降低应力腐蚀开裂倾向都有利。该合金的熔炼温度720℃~750℃，铸造温度715℃~730℃，热轧温度370℃~410℃，锻造温度380℃~450℃，挤压温度300℃~450℃，退火温度360℃~420℃，退火冷却速度≤30℃/h，缓冷至150℃后空冷。固溶处理温度470℃±5℃，淬火转移时间≤15s，否则过饱和固溶体易分解。淬火后的停留时间对以后的人工时效效果有影响，应在淬火后4h以内或48h以后人工时效，否则强度会下降。

因此，7075合金是应用最广的航空航天器铝合金之一。（作者：王祝堂）