铝合金新材料在载人密封舱主结构中的应用研究进展

孟 松，刘 刚，方 杰，赖松柏，姜 锋，姜 坤

（1.中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室，北京100094；2.中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094；3.中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；4.北京卫星制造厂，北京 100094）

铝合金新材料在载人密封舱主结构中的应用研究进展

孟 松1，刘 刚2，方 杰2，赖松柏2，姜 锋3，姜 坤4

（1.中国空间技术研究院 钱学森空间技术实验室，北京100094；2.中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094；3.中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083；4.北京卫星制造厂，北京 100094）

文章简述了铝合金新材料在载人密封舱主结构中的应用研究进展，总结了传统航天用铝镁系铝合金的特点，在相关实验研究的基础上，通过对比分析指出，新型5B70铝镁钪合金具有优良的综合性能，将是我国未来载人密封舱主结构升级换代的最佳备选材料。结合当今载人航天器的发展需要，剖析了传统铝合金材料在未来载人航天器升级换代这过程中亟待解决的难题和将要面临的挑战。

载人航天器；结构材料；铝合金；综述

0　引言

铝合金材料以其比强度高、材料性能稳定、焊接性良好、耐受环境范围宽等特点，被广泛用于大型载人密封舱主结构中，如苏联的“联盟号”飞船、“和平号”空间站，以及国际空间站、我国“神舟”系列飞船及未来空间站，还有目前国内外正开展研制的新型可重复使用载人飞船等的大型密封舱结构。

国外早期的飞船密封舱结构材料主要采用铝镁合金，特别是退火和半冷作硬化状态的 5A06（AMГ6、5086）应用最为普遍，这种非热处理强化的铝合金具有优良的综合力学性能和制造工艺性。苏联（俄罗斯）“礼炮”系列空间实验室密封舱、“和平号”空间站密封舱以及国际空间站俄制密封舱一直延用 AMГ6铝镁合金；我国载人系列飞船和未来空间站的密封舱也都采用5A06铝镁合金。随着航天技术的发展，密封舱主结构材料应用除了对比刚度、比强度要求逐步提高外，还增加了空间长期驻留和天地往返重复使用的安全可靠性要求。

早在20世纪60年代末，苏联就已经发现稀土元素族中最轻的钪（Sc）能使铝的晶粒细化并显著提高铝合金的强度，此后他们在对纯金属钪、钪的金属间化合物及相关相图充分研究的基础上研发出多种含钪铝合金，并在米格-29战斗机及导弹的导向尾翼上首先获得应用。1989年后，苏联生产的钪铝合金及相关技术流向西方，钪铝合金的优异性能才得到美、欧等国的青睐，对它的研发也逐步扩大到全球范围。近10余年来，俄罗斯、乌克兰及美国、日本、加拿大开发的钪铝合金不断取得新进展，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个牌号，其应用研究也在不断扩大。

我国从20世纪90年代开始也开展了钪铝合金的相关研究：中南大学和东北轻合金有限公司等单位在国家项目支持下，率先开展铝镁钪合金的研制，根据我国航天工业发展需求，开发出了 5B70铝镁钪合金（Al-6Mg-0.2Sc-0.1Zr），在实验室条件下对该铝合金的微观组织及性能进行了大量的研究，积累了丰富的基础数据［2-5］。从2006年开始，中国空间技术研究院与中南大学、东北轻合金有限责任公司组成了国内产-学-研联合研究团队，在国家“十一五”“十二五”项目支持下，针对载人大型密封舱主结构开展了5B70铝镁钪合金新材料应用基础研究、关键制造工艺研究，以及新型结构设计和试验件验证研究等工作。

本文对载人航天器主结构材料的发展做简要回顾，阐述我国新一代载人航天器密封舱主结构材料的发展方向和应用研究进展。

1　载人航天器密封舱主结构

1.1大型密封舱

载人航天器密封舱主要用于载人运输和空间驻留生存，包括美国“阿波罗”、苏联“联盟号”、我国“神舟”系列飞船和空间站的大型密封舱，以及未来新一代多用途可重复使用载人飞船（如图1和图2）、月球/深空探测载人飞船或驻留生存基地大型密封舱。载人大型密封舱是压力容器，须保证舱内环境适于航天员工作生活 。

图1　美国新一代“猎户座”载人飞船返回舱示意图［6］Fig.1　Schematic view of the return module of US Orion spaceship

图2　俄罗斯未来载人运输系统（PPTS）中的PTK NP飞船示意图Fig.2　PTK NP spaceship of the future manned transportation system （PPTS） of Russia

1.2大型密封舱主结构

载人航天器大型密封舱主结构如图3所示，主要由铝合金壁板与大型锻环成型焊接而成，直径3～5 m，长度数10 m。

图3　大型密封舱铝合金整体网格壁板与大型锻环示意图Fig.3　The integrated network wall plate made of aluminium alloy for large-scale sealed cabin

2　关键材料及未来发展需求

2.1大型密封舱主结构材料应用情况

大型密封舱主结构材料的选用主要考虑：材料的比强度、比模量、塑性、断裂韧度、加工成形性、焊接性、抗应力腐蚀性，以及原料货源稳定性和成本等［7-8］。中国、苏联一直应用铝镁系列铝合金：苏联用AMГ6Al-Mg系合金，中国用5A06铝镁系合金；美国、欧洲主要应用铝铜系列铝合金，部分应用铝镁系列铝合金，如 2014Al-Cu系合金、2219Al-Cu系合金、 5086Al-Mg系合金。已成熟应用的空间站大型密封舱关键材料情况见表1。飞船及空间站铝合金材料发展应用脉络见图4。

表1　已成熟应用的空间站大型密封舱关键材料情况Table 1　Critical materials used in the large sealed cabin of mature space stations

图4　飞船及空间站铝合金材料发展应用脉络Fig.4　The application of aluminium-alloy materials in spaceships and space stations

2.2铝镁系铝合金特点

1）良好适中的力学性能、较高的比强度/比模量；

2）优良的结构制造工艺性能，塑性好，易成型加工，焊接性能较好，焊接方法、焊接工艺适应性强，不易出现焊接裂纹，焊接接头强度系数可高于0.9；

3）冷作强化后产生时效软化，不能热处理强化，与可热处理强化的铝铜系合金相比强度较低。

2.3铝铜系铝合金特点

1）可进行强化热处理，比铝镁系合金具有更高的抗拉强度和屈服强度；

2）低温性能优良，在-253～+200 ℃范围内均具有良好的力学性能、尤其是抗冲击性能；

3）焊接时气孔缺陷倾向较大，焊接性和耐蚀性能低于铝镁合金，焊接接头强度系数较低；

4）塑性较低，结构成型等制造工艺性较差。

2.4主结构材料升级需求

1）更轻的重量

载人深空探测发射代价比近地轨道大得多，要求航天器具有更轻的重量、更高的效率。目前我国载人航天器结构重量/发射重量比约为24%～28%，这个比例偏高，结构减重需求迫切，急需比强度更高的新型材料将此比例降至20%以下。

2）更长的寿命

未来新一代天地运输系统、地外驻留平台、月球基地等载人探测器工作和运行时间通常长于15年，要求主结构在复杂的载荷环境下满足长寿命需求，这就要求材料具备良好的疲劳特性和断裂特性。

3）可重复使用

为了提高经济性，新一代天地往返系统等载人航天器要求主结构具备可重复使用功能，这对主结构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，并对材料损伤容限进行界定、识别及可靠性分析。

4）更强的环境适应能力

载人航天器从近地轨道载人飞船和空间站延伸发展至未来月球/深空探测载人飞船或长期驻留生存基地，其密封舱主结构将面临更复杂的载荷条件和更苛刻的环境条件，因此应具备更强的环境适应能力。为满足新的航天应用需求，主结构材料应该提前进行升级换代和技术开发储备，同时逐步建立相应大型部件的制备能力和相关结构制造工艺的配套能力。

3　铝合金新材料应用研究进展

3.1在新一代多用途飞船大型密封舱主结构中的应用及影响因素

铝合金新材料在大型密封舱主结构中的应用（见表2）主要受以下因素影响：

1）材料性能：比强度、比模量、耐蚀性高仍是航天主结构材料永远追求的目标。

2）基础能力：稳定保证材料高性能（各向同性）条件下，需要具备研制直径5 m左右大型锻环、厚度30mm以上大型厚板的技术实力和条件保障能力。

3）综合工艺性：材料成型、焊接、防腐蚀处理等综合工艺性能优良，在经过成型、焊接制造后，材料仍然能保持原有的高性能，并且结构制造工艺继承性与生产成本满足预算要求。

4）服役可靠性：在长期空间环境驻留服役、多次往返重复使用条件下，材料仍然能保持原有的高性能和可靠性。

表2　在新一代多用途飞船大型密封舱主结构中的应用Table 2　The application of aluminium-alloy materials in the next-generation multipurpose spaceship

3.2在实验室条件下新型5B70铝镁钪合金与传统5A06铝镁合金力学性能对比（图5）

图5　实验室条件下新型5B70铝镁钪合金与传统5A06铝镁合金力学性能对比Fig.5　Comparison of mechanical properties between 5B70 and traditional 5A60

3.35B70与5A06铝合金合金强韧化机理

5B70铝合金新材料是在5A06基础上复合添加微量Sc/Zr合金化元素发展而来，它不但继承了5A06合金的所有优点，而且具备更高的使用性能，是未来铝镁系航天金属材料升级换代的重要备选材料。两种铝合金强化效果对比见表3。

表3　5A06和5B70铝合金强化效果对比Table 3　Strengthening process for 5A06和5B70

1）固溶强化

由于各原子尺寸不同，大量溶质Mg原子固溶到Al基体中引起基体晶格畸变。畸变应变场阻碍位错运动从而引起强烈的固熔强化效果。Al-Mg基合金的固溶强化效果与Mg含量成正比，5B70和5A06合金的Mg含量均高达6.0%（wt.），合金的固溶强化效果非常显著。

2）细晶强化

5B70合金中大量弥散 Al3（Sc， Zr）粒子能促进新晶粒形核，在熔炼和焊接过程中细化铸态组织和焊缝熔合区的晶粒尺寸，引起显著的细晶强化效果，如图6所示。

图6　细晶强化效果Fig.6　Comparison of refined crystalline strengthening

3）亚结构强化

亚结构强化主要来自于基体中的形变储能，

5B70合金中大量弥散Al3（Sc， Zr）粒子，在变形过程中能阻碍位错运动，抑制动态回复和动态再结晶发生，使形变储能得以保留，增强合金的亚结构强化效果，如图7所示。

图7　亚结构强化效果Fig.7　Comparison of sub-structure strengthening

4）弥散析出强化

5B70合金中大量与基体共格的Al3（Sc， Zr）粒子能钉扎位错运动，阻碍晶界迁移［9］，在焊接过程中能抑制热影响区再结晶形成和晶粒粗化，降低合金焊接软化程度，如图8所示。

图8　弥散析出强化效果Fig.8　HRTEM and TEM of dispersed precipitation

5）各向异性特征较弱

通过控制制备工艺，5B70合金板材不同方向上的性能差异不明显，合金性能各向异性得到很好控制（见图9），为作为航天大型主结构材料奠定基础。

图9　5B70合金板材各向异性示意Fig.9　Anisotropy of 5B70 alloy plate

4　结束语

未来载人航天器大型密封舱主结构铝合金新材料的升级换代，应基于我国国情，坚持走产-学-研联合自主创新发展的道路，加快研究及应用步伐：

1）加强工程化应用验证研究

加强针对5B70合金在新一代可重复使用载人飞船、载人深空探测器主结构中的工程设计与应用研究，掌握材料在特殊使用环境中的适应性、损伤积累及演化规律，积累5B70在型号研制及应用验证中的数据。

2）提升原材料制备工艺稳定性

由于工程化应用研究和用料较少，未来所需的大规格板材和锻环制备工艺仍需优化，工艺稳定性尚需提升。

3）夯实机理研究

针对未来复杂空间环境长期驻留和天地往返重复使用的发展需求，加强铝镁钪合金微结构演变机理及调控方法研究，为未来工程应用及可靠性控制提供依据。

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（编辑：闫德葵）

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，硕士学位，研究员，从事航天器焊接材料及工艺、航天器先进材料制造技术体系及发展战略规划研究。E-mail： mengsong@qxslab.cn。

2015-09-26；

2015-12-11