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2016年11月3日20时43分,推力新一代运载火箭长征五号从海南岛文昌航发射场轰然发射升天,约30分后进入预定轨道,长征五号运载火箭首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,标志着跨过了航天强国门槛,进入了世界航天强国俱乐部。
长征五号火箭是个货真价实的大块头,是个名副其实的“胖五”,起飞质量约870t,配12颗“大心脏”——发动机,
长征五号的“大”还体现在它的外观上,它的直径比现役火箭的大50%,它的芯级直径达5m,
长五火箭“身高”约57m,比20层楼还高一点点,但比长征二号下运载火箭却矮一些。因而长五火箭可容纳多得多的推进剂。芯级火箭推进剂为-253℃的液氢与-183℃的液氧,助推器的推进剂为液氧与煤油,这在运载火箭发展历程中是首次,由于液氢、液氧的温度很低,所以有人把长五火箭又称之为“冰箭”,有十几万个零部件。
燃料箱体铝合金造
长征五号火箭的起飞质量870t,其中液氢(-253℃)与液氧(-183℃)的质量占90%,即这两种燃料的质量达783t。据报道,长征五号火箭的研制历时10载,突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术,其中有多项是关于铝合金材料的。在关键技术中,新技术比例几乎占100%,核心技术全部拥有自主知识产权,实现了长征火箭的升级换代,使一跃进入航天强国,也为成为铝加工强国迈出了坚实的一大步。
长征五号火箭各大部件是用什么材料制造的未见媒体报道,但是可以肯定的是,在结构材料中铝合金肯定是主流,因为芯级火箭巨大的液氢液氧贮箱,4个助推器的液氧、煤油贮箱都应是用铝合金做的,只有铝合金才能在这种极为严峻的条件下工作:一是它们的密度小,轻巧,为钢密度的30%左右;低温性能,没有低温脆性,铝合金的强度与延展性均随着温度的降低而同步上升,成为一类绝好的低温结构材料,成为很难替代的航天材料;可加工与可形成性能好,可焊接性能好,尤其是摩擦搅拌焊(FSW)性能,美国大型火箭低温燃料铝合金贮箱就是摩擦搅拌焊的。
2219铝合金是的
低温燃料贮箱材料
长征五号大型火箭的液氢(-253℃)与液氧(-183℃)贮箱是用什么铝合金焊接的,连接固定锻环是用什么铝合金环锻的,未见媒体报道,但是国外发射大型火箭用的液氢、液氧贮箱不管是美国的,还是日本与欧洲的,都是用2219型铝合金厚板(>6mm——≤10mm)焊的,板材应该是铝业公司所属的工厂生产的,它们有生产铝材60年的技术与经验,并通过了航天部门的认证。
看看2219型合金的真面目
2019合金是美国铝业公司(Alcoa)为航天工业研发的一种高强度、高韧性的高温耐热合金,1954年在美国铝业协会公司注册,2008年将2219与2519合金纳入国家标准GB/T3190,自此,2219及2519合金不但是美国合金,也是的标准合金,它们的标定化学成分见表1,除含Ti、V外,
2219型合金属Al-Cu-Mn系,还含有少量的Ti、V、Zr,成分相当复杂,因而合金有良好的高低温性能,Ti、V、Zr的加入可形成Al3Ti、Al3Zr、Al5V化合物,具有细化晶粒、提高再结晶温度和耐热性的作用。这类合金是20世纪50年代初期开始问世,可加工成各种各样的半成品,用于制造在200℃——300℃与在超低温下工作的零部件。
在Al-Cu-Mn系合金中,Cu与Mn是主要的合金化元素,Cu与Al形成化合物Al2Cu,是主要强化相,
Mn是保证合金耐热性的主要元素,Ti、Zr、V也有一定的作用。Mn在铝中的扩散系数小,能降低Cu在Al中的扩散,不但使α(Al)固溶体的分解倾向减少,而且还降低了Al2Cu在高温下的聚集倾向。Mn的含量不宜>
Mg降低2219、2319、2419合金的可焊性,
杂质Zn加快Cu在铝中的扩散,对合金的性能不利。Fe会与铜形成三元化合物Al7Cu2Fe,降低α(Al)中的铜含量,使合金的强度下降,应严加控制。Si降低合金的高温(300℃)持久强度,属有害杂质。
热处理特性
2219型合金的显着特点是:高的热强性,的低温性能,可在-270℃——300℃长期使用,使用温度跨度之大,居铝合金之冠;挤压材料没有挤压效应。这类合金几乎没有自然时效效果,却有显着的人工时效能力。在人工时效状态T6,既有高的强度,又有的耐热性与可焊性。
此类合金的固溶处理温度520℃——535℃,人工时效规范160℃——170℃/(10——16)h。在固溶处理时,在合金中进行两个相反的过程:一是α(Al)+Al2Cu二元共晶及三元共晶α(Al)+Al2Cu+T(Al12CuMn2)固溶于α(Al)中,二是从α(Al)中析出含Mn相T(Al12CuMn2),呈点状弥散地分布于α(Al)基地中。淬火后获得的α(Al)是过饱和的,在人工时效时析出Al2Cu和T相,使合金强化。
在高温下,不但T相本身的显微硬度比Al2Cu的高,而且在高温长期负荷下其软化的百分数也比Al2Cu的少,T相还能显着提高合金的高温持久硬度。T相在高温下比Al2Cu稳定得多,不易聚集。
良好的低温性能
在铝合金中,2219型合金的低温性能久负盛誉,液氢、液氧贮箱非它莫属。2219-T62合金25℃时的抗拉强度Rm=400N/mm2,而-195℃时的为505N/mm2,
2219合金的典型性能
2219合金薄板(厚度≤6mm)上都包覆了一层薄薄的7072合金(
典型用途:洲际火箭与航天器火箭的焊接氧化剂箱与燃料箱,超声速飞机骨架与结构件。应用温度-270℃——300℃。断裂韧性高,T8材料有限高的抗应力腐蚀开裂能力。各种状态材料的典型拉伸性能见表3。
循环次数5×
电导率:20℃时的等体积电率,O状态的44%IACS,T31、T37、T351状态的28%IACS,T62、T81、T87、T851状态的30%IACS。电阻率:20℃时,O状态的39nΩ·m,T31、T37、T351状态的62nΩ·m,T62、T81、T87、T851状态的57nΩ·m。各种材料的电阻温度系数20℃