中國航天鋁材躋身世界強國之列

西南鋁生產的各種直徑鋁合金鍛環

1. 多國紛登月球火星 航天鋁材喜迎新需（上）

2月13日，俄羅斯公布了與我國攜手打造月球科研站計劃。日前，雙方正在研究項目技術落實事宜。美國也在運作類似的課題，進展很快，不久美國月球基地即會亮相。2021年是人類徵服火星圓夢之年，自從人類太空探索開始以來，火星一直是訪問量最大的行星之一，美國的“水手四號”宇宙飛船早在1964年就發回了第一批火星表面照片。2021年2月初以來，3個國家（阿聯酋、中國、美國）的探測器欲登陸火星，阿聯酋的“希望號”探測器已於2月19日進入環火星軌道，創造了歷史；就在第2天，中國的“天問一號”探測器緊隨其後進行了相同的操作，將於5月份着陸火星。

中國、美國、俄羅斯、歐盟、日本、印度、阿聯酋等國都已向月球、火星發射過或準備向它們發射探測器，爲航天鋁材提供了新的需求陣地，高端鋁材及鋁基復合材料在航天器裝備及發射火箭系統制造中佔有極爲重要的地位，是一類不可或缺的材料。目前，我國有多家企業都能批量制備各種航天鋁材，在火箭用材的淨質量中，鋁材佔94%以上，在航天器結構用材的淨質量中，鋁材及鋁基復合材料也佔到約75%。

鋁材：航天器發射火箭和結構零部件的頂樑柱

航天鋁材大體可爲兩部分：一是發射火箭用，二是航天器本身零部件結構用。從航天事業一開始，鋁材及鋁基復合材料就與航天工業結下了不解之緣，不僅獲得了廣泛的應用，更是不可或缺的關鍵材料，雖不能說，沒有鋁就沒有今天這樣興旺發達的航天事業，但可以毫不誇張地說，沒有鋁合金，像今天這樣驚天動地的航天事業至少要延後二三十年。

在航天器與火箭上用的鋁合金主要有7078型、2024型、Al-Li合金等；火箭發射用的液氫槽、液氧槽、控制裝置、加固-連接環等均是用這類合金材料打造的。

長五奔太空 鋁材建殊功

2016年11月3日20時43分，中國最大推力新一代運載火箭長徵五號從中國海南省文昌航天發射場轟然發射升天，約30分鍾後進入預定軌道，長徵五號運載火箭首次發射任務圓滿成功。這一聲劃破長空的驚天巨響震驚了整個地球，標志着中國跨過了航天強國門檻，進入了世界航天強國俱樂部。

長徵五號火箭是個貨真價實的大塊頭，是個名副其實的“胖五”，起飛質量約870噸，配12顆“大心髒”——發動機，起飛推力約10.56MN（1078噸力）；低軌道（近軌道）運載能力25噸，高（地球同步轉移）軌道運載能力14噸級，越過了國際上大型運載火箭近地軌道運載能力20噸，高軌道10噸的“鴻溝”，可與美國的宇宙神5、德爾塔4、歐洲的阿裏安等世界主力大型火箭比翼齊飛，完成了脫胎換骨的升級換代。

長徵五號火箭的起飛質量870噸，其中液氫（-253℃）與液氧（-183℃）的質量佔90%，即這兩種燃料的質量達783噸。據報道，長徵五號火箭的研制歷時10載，突破了以12項重大關鍵技術爲代表的247項關鍵技術，其中有多項是關於鋁合金材料的。在關鍵技術中，新技術比例幾乎佔100%，核心技術全部擁有自主知識產權，實現了長徵火箭的升級換代，使中國一躍進入航天強國行列，也爲中國成爲鋁加工強國邁出了堅實的一大步。

長徵五號火箭各大部件是用什麼材料制造的未見媒體報道，但是可以肯定的是，在結構材料中鋁合金是主流，因爲芯級火箭巨大的液氫液氧貯箱，4個助推器的液氧、煤油貯箱都應是用鋁合金制的，只有鋁合金才能在這種極爲嚴峻的條件下工作：一是鋁材的密度小、質輕，爲鋼密度的30%左右；低溫性能極佳，沒有低溫脆性，鋁合金的強度與延展性均隨着溫度的降低而同步上升，成爲一類絕好的低溫結構材料，是很難替代的航空航天材料；可加工與可成形性能好，可焊接性能好，尤其是摩擦攪拌焊（FSW）性能，美國大型火箭低溫燃料鋁合金貯箱就是摩擦攪拌焊的。

長徵五號大型火箭的液氫與液氧貯箱是用什麼鋁合金焊接的，雖未見媒體報道，但國外發射大型火箭用的液氫、液氧貯箱無論是美國，還是日本和歐洲的，都是用2219合金焊接的，所以筆者認爲，長徵五號低溫燃料與助燃液氧貯箱也應是用2219型鋁合金厚板（＞6mm～≤10mm）焊的，板材應是中國鋁業集團所屬工廠生產的，它們有生產航空鋁材60年的技術與經驗，並通過了航空航天部門的認證。此外，2015年，無錫市某公司鍛造的航天配套環件即是用的2219合金，其外徑達8.7米、內徑爲8.32米。

Al﹣Li系合金

美國除用2219合金制造的低溫燃料箱與航天器結構外，還用2050鋁-鋰合金打造這類設備。用2050合金厚板制造的航天構件有貨艙頭（bulkhead）、錐體（cone）、筒體（barrel），用的都是厚板。

7050合金及2050合金厚板的拉伸性能，原文用的英制。未予換算，以免失真。表中的1bs/in3=磅/in3，Msi=百萬磅/英寸2，Gage=厚度，ksi=千磅/英寸2，%Tot=%總計，UTSL=縱向抗拉強度，UTSLT=長橫向抗拉強度，UTSST=短橫向抗拉強度；YS=屈服強度，el=伸長率。

Weldalite  AI-Li合金家族發展簡史，該系合金是肯聯鋁業在法國的軋制廠與在加拿大的研究中心研發的，歷時7～10年，原來主要是爲A380飛機開發的，它們共有5類合金：2195、2196、2098、2198、2050，但2050合金是美國鋁業公司研發的，它們各自的特點分別爲：

2195合金：Al-4.0 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，是第一個獲得成功商業應用的AI-Li合金，用於制造航天器低溫燃料槽；

2196合金：Al-2.8 Cu-1.6 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，密度低，強度高，斷裂韌性高，原是爲哈勃望遠鏡（Hubble）太陽能板邊框開發的，商業飛機擠壓材；

2098合金：Al-3.5 cu-1.1 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，原是爲HSCT機身研發，以及用於制造F16戰機的耐疲勞抗力機身和制造空間結構件。

2198合金：AI-3.2 Cu-0.9 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.1 Zr，用於制造商業飛行器。

2050合金：AI-3.5 Cu-1.0 Li-0.4 Mg-0.4 Ag-0.4 Mn-0.1 Zr，用於加工厚板，以取代7050-T7451型制造商業飛行器和登陸車。2050合金的Cu+Mn含量比2195合金的低，以降低淬火敏感性，而仍有相等的力學性能。

2. 多國紛登月球火星 航天鋁材喜迎新需（中）

中國航天鋁材躋身世界強國之列

隨着中國躋身世界航天大國和強國之列，航天產業所需的鋁材、鋁基復合材料、鋁制零部件等（除個別零部件外），已全部能自給，並且有些還是世界首創，居世界領先水平，如火箭系統的直徑10m整體鋁合金環件、大直徑噴射沉積AI-Li合金錠及其擠壓鍛坯等。

10米級鋁合金鍛環

直徑10m級大鍛環中國造

2003年以來，隨着我國航天事業的飛速發展，大推力火箭和宇航器所需的鋁合金鍛環直徑在不斷加大，急需直徑達5m及5m以上的鍛環，而且除航天領域外，在中遠程戰略導彈及艦載火炮等兵器領域也同樣需要大直徑鋁合金鍛環。此前，由於設備能力所限，東北輕合金有限責任公司（簡稱“東輕公司”）只能生產最大直徑2.9m的鍛環，而且生產工藝落後、投料比大、成品率較低，已無法滿足我國航天事業發展的需要。作爲中國的鋁鎂合金加工基地，東輕公司審時度勢，決定自主研發環軋生產線。2004年，東輕公司把環軋生產線列入了當年的重點建設項目之一，並於2005年6月開始設備的制造工作。2006年3月，環軋生產線安裝工作全部結束。2006年6月，中國航天一院的領導就東輕公司參與研制“嫦娥工程”所需的超大直徑鋁合金鍛環進展情況到東輕公司調研，並對東輕公司的設計方案和一系列工作給予了充分肯定。2006年9月12日，東輕公司一次試車成功，軋制出了直徑達4m的鋁合金鍛環，不僅環軋機達到了設計要求，而且淬火爐的最大溫差只有±29℃，全面達到了設計標準。

2006年12月30日，在東輕公司自行設計制造具有完全自主知識產權的環軋生產線上，生產出了當時國內最大的鋁合金鍛環，該鍛環直徑達5.15m、寬340mm、厚100mm，該公司成爲中國火箭鍛環的開拓者。

2014年12月，無錫市派克重型鑄鍛有限公司也成功軋制出了國內最大2219鋁合金環鍛件。該鍛件外徑8.7米，內徑8.32米，高0.35米，是目前國內最大2219鋁合金環鍛件，它的問世，突破了國內2219鋁合金環件數控碾環成形的多項關鍵技術，達到行業領先水平。

大型環鍛件可廣泛用於風力發電、石油化工、礦山機械、能源電站、航空航天、核電燃機等領城。而派克鍛造的這塊國內目前最大2219鋁合金環鍛件是某型號火箭配套的關鍵構件。該環件的研制成功，推動這家民營高科技企業成功轉型，跨入航天配套領城。

據悉，該鋁合金環件涉及多個領城和多項關鍵技術。後來該公司繼續開展了環件熱處理、應力消除、整體機械加工等工藝研究，以確保零件的形狀及性能滿足產品的技術要求和使用要求。

2015年8月初，廣西南南鋁加工有限公司的“大推力火箭用超大規格鋁合金鍛坯的開發”項目通過了廣西壯族自治區工信委的鑑定驗收，滿足大規格鋁合金整體環的生產，這是我國“十三五”時期重點發展的重型火箭國家重大工程項目所需的關鍵材料。

南南鋁公司通過引進吸收和再創新，建成了目前世界上最先進的硬鋁合金熔鑄生產線，研究開發了熔體聯動精煉、除氣、過濾和鑄錠多級均勻化熱處理等技術，解決了熔體高潔淨化、高性能超大規格鑄錠半連續鑄造成形和組織均勻性控制等重大技術難題，生產了直徑1320mm、質量超過20t的超大規格硬鋁合金鑄錠，並與航天應用單位合作，在世界範圍內首次實現直徑≥8500mm鋁合金整體環的制造。

廣西壯族自治區工信委組織了由航天設計和應用單位組成的驗收專家組對該項目進行鑑定驗收，專家組認爲該項目完成了任務書提出的各項指標，整體技術達到國內領先、國際先進水平，一致同意通過鑑定驗收。

2014年4月10日11點39分，隨着軋環機緩緩停止轉動，中鋁西南鋁與天津特鋼精鍛有限公司合作研發的首件新型運載火箭用9m級超大型鋁合金整體環件研制成功。這是目前世界範圍內最大級別的鋁合金整體環件。

研制出9m級超大鋁合金整體環件，是中鋁公司自成功開發出5m級環件軋制工藝技術，結束我國不能生產大規格鋁合金巨型環件歷史以來，在航天新材料領域實現的又一歷史性突破！

近年來，隨着國家重大機械裝備制造業的發展，對高性能大型環件提出了迫切需求，大型環件的制造能力已經成爲國家基礎制造能力的標志和國防重要保障。2012年，中國航天科技集團進行材料調研時，提出了9m級超大型鋁合金環件需求。

超大型環件傳統制造工藝主要以鑄造成形和焊接成形爲主，但這兩種工藝均無法滿足承受重載、高衝擊、超低溫等惡劣工作情況所需的性能要求，必須採用整體制造工藝。但此時9m級整體環件的研發技術在國內依然一片空白，環件從5m級到9m級，技術跨度巨大。爲滿足國家需求，佔領行業制高點，2014年，中鋁集團在西南鋁成立環件技術研發團隊，預研工作正式啓動。

要滿足環件設計要求，必須突破環件鑄錠熔鑄、軋制成型、熱處理、冷變形等多項關鍵核心技術難題，所有研制工作都要從頭做起。

滿足該整體環件對鑄錠坯料的要求是研發團隊必須啃下的第一塊“硬骨頭”。2014年，研發團隊開始了超大合金鑄錠的攻關。短短3個月時間內，研發團隊依靠自主創新，研制出配套鑄造工具，摸索出關鍵熔鑄技術和鑄造工藝，攻克了超大鑄錠成型難關，鑄造出滿足技術標準要求的直徑1350mm圓鑄錠，爲後期研制工作的成功打下了堅實基礎。此後半年間，西南鋁突破了鍛壓制坯和軋制成形兩大關鍵技術，成功軋制出尺寸完全滿足設計要求的鋁合金整體環件，環件表面光滑無缺陷，尺寸完全達標，精度超出預期效果。

2016年8月25日，西南鋁成功軋制出重型運載火箭用10m級整體鋁合金環件，再次刷新世界整體鋁合金環件紀錄。這意味着我國深空探測裝備硬件能力得到大幅提升，西南鋁再一次實現了在超大型整體環件研制技術上的重大突破。

近年來，西南鋁已爲我國“長徵”系列火箭、“神舟”系列飛船、“嫦娥”系列探月衛星、國產大飛機、世界最大口徑射電望遠鏡等國家重大工程提供了大量關鍵材料，爲我國國防建設和航空航天事業發展作出了突出貢獻。

10米級鋁合金鍛環

據了解，10m級超大型鋁合金環件是連接重型運載火箭貯箱的筒段、前後底與火箭的箱間段之間的關鍵結構件，是我國重型運載火箭研制能否取得新突破的關鍵材料，其制造技術是研制工作迫切需要突破的重大難題。

“重型運載火箭箭體結構爲超大型薄壁結構，具有幾何尺度大、結構剛度低、形狀精度高、服役環境苛刻等難點，這就意味着作爲關鍵結構件的整體環件制造過程面臨全新的技術挑戰。”西南鋁總經理、黨委副書記黎勇介紹，相對於9m整體鋁合金環件，10m級整體鋁合金環件要承受的重載、高衝擊、超低溫更甚，隨着直徑的加大，研制難度更大。

中國目前在用的各類運載火箭所需的鋁合金鍛環95%由西南鋁提供。西南鋁不斷刷新航天用鋁合金鍛環的產品規格、技術性能、國內和國外紀錄，爲中國航天事業發展提供了可靠的材料保障。

世界首塊噴射沉積AI-Li合金坯料

在豪然公司下線

鎮江豪然科技有限公司是中國首家採用沉積技術的公司，在全球首次用噴射沉積法制成AI-Li合金錠，河北宏潤核裝備科技股份有限公司用此種錠第一次擠出了鍛造棒坯與管材，棒坯用於鍛造航天器鍛件，這在全球是首次。噴射沉積錠的組織和性能均優於鑄錠冶金的，因而鍛件具有更加優異的組織和性能。

鋁合金復合材料器件

在北鬥系統成功應用

2020年7月31日，中國北鬥三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在北京舉行。國家主席習近平出席儀式，宣布北鬥三號全球衛星導航系統正式開通。這是中國第一個面向全球提供公共服務的重大空間基礎設施，標志着北鬥導航系統26年的研發過程結出碩果。

北鬥導航系統工程自1994年啓動，2000年完成北鬥一號系統建設，2012年完成北鬥二號系統建設。北鬥三號全球衛星導航系統全面建成並開通服務，標志着工程“三步走”發展戰略取得決戰決勝，使中國成爲世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。

目前，太空中在軌的有俄羅斯格洛納斯全球衛星導航系統的27顆衛星、30餘顆美國衛星、20餘顆歐洲衛星，中國北鬥導航系統55顆衛星的加入，大大提高了定位的準確性，擴大了覆蓋範圍，給全球用戶帶來巨大福利。使中國邁入全球衛星導航技術領先隊伍。目前，北鬥系統服務已覆蓋200多個國家和地區，日服務達2億次，全世界一半以上國家都已開始使用北鬥系統。中國自主建設的北鬥三號全球衛星導航系統完成全球組網部署，標志着中國作爲主要空間力量又向前邁進了一步，開啓了和平利用外層空間、高質量服務全球的新篇章。

中國科學院沈陽金屬研究所多種相關材料器件在北鬥三號全球衛星導航系統中成功應用，金屬基復合材料課題組研制的多個成分的系列鋁基復合材料，成功應用於北鬥衛星的光學結構及20餘個北鬥衛星的電源模塊散熱載體。與傳統鋁、鈦合金相比，鋁基復合材料具有低膨脹、高熱導、高彈性模量和良好尺寸穩定性等優點，可更好滿足激光系統等對結構件的高精度和高可靠性要求；與鎢銅、鉬銅散熱材料相比，鋁基復合材料的低密度可使電源模塊散熱載體減重70%以上。上述鋁基復合材料對激光通信精度、衛星輕量化設計等發揮了重要作用。

金屬所材料摩擦磨損與航天熱控服役課題組研制的長壽命管式凱裝加熱器成功應用於北鬥MEO衛星單組元肼推力器中，具有集中加熱、功率密度低、熱效率高和高溫絕緣性能好等優點，且使用壽命長，對保障推力器長壽命安全可靠運行起到關鍵作用。