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鈦與美國航天工業(yè)的發(fā)展

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鈦及鈦合金與美國航天工業(yè)的發(fā)展密不可分,沒有鈦工業(yè)的發(fā)展,航天工業(yè)是不會如此快速發(fā)展與興旺發(fā)達(dá)的。

鈦及鈦合金與美國航天工業(yè)的發(fā)展密不可分,沒有鈦工業(yè)的發(fā)展,航天工業(yè)是不會如此快速發(fā)展與興旺發(fā)達(dá)的。由于鈦及鈦合金具有一系列優(yōu)點(diǎn),如密度雖比4N鋁(2.70g/cm3)的大67%,但卻只有鐵密度(7.86g/cm3)的57.3%,比鋼輕得多,僅這一點(diǎn)就可以大大減輕航天器的發(fā)射重量,增加射程,節(jié)省費(fèi)用,所以,自上世紀(jì)70年代鈦的工業(yè)化生產(chǎn)以來,鈦就與航天工業(yè)結(jié)下了不懈之緣,成了航天工業(yè)不可多得的熱門結(jié)構(gòu)材料,例如,美國一級火箭發(fā)動機(jī)殼體材料最廣泛使用的就是Ti-6Al-4V合金;洲際彈道導(dǎo)彈、“民兵”導(dǎo)彈等的球形及橢圓形發(fā)動機(jī)殼體也是用這種合金制的。此外,由于Ti-6Al-4V ELI和Ti-5Al-2.5Sn ELI合金間隙元素特別是氧含量低,有很好的低溫性能,是制造低溫結(jié)構(gòu)的首選材料,所以,用它們制備火箭與導(dǎo)彈液氫、液氧容器,“水星”及“雙子星座”飛船的密封艙,以及成功在月球上著陸的“阿波羅(Apollo)”飛船的主要結(jié)構(gòu)件。

  鈦合金在美國航天工業(yè)中的應(yīng)用始于1955年,用了1.7t,僅占總消費(fèi)量的1%,以后的用量逐年快速上升,1963年,用量占總消費(fèi)量的32%,達(dá)到1784t,為1955年的1049.4倍。1963年后,每年的用量穩(wěn)定在1000t左右。鈦材在火箭、導(dǎo)彈和航天工業(yè)中主要用于制備壓力容器如低溫燃料容器、火箭發(fā)動機(jī)殼體和噴嘴套管、人造衛(wèi)星外殼、載人宇宙飛船船艙蒙皮及結(jié)構(gòu)骨架、主起落架、推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)件。

  制備圓球壓力容器的工藝:自由鍛-熱模鍛成形或以板材熱沖壓成形,再經(jīng)機(jī)械加工和氬弧焊接;或以板材超塑成形或旋壓成半球形,再氬弧焊接。所用的鈦及鈦合金有:工業(yè)純鈦、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-4V ELI、 Ti-5Al-2.5Sn ELI、Ti-7Al-4Mo、Ti-3Al-2.5V、Ti-13V-11Cr-3AI、Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI及Ti/B-AI復(fù)合材料等。用這些鈦合金制備:貯存壓縮氣體氦、氮以及液氫、四氧化二氮、偏二甲肼等液體推進(jìn)劑壓力容器,固體燃料發(fā)動機(jī)殼體和液體燃料火箭發(fā)動機(jī)燃燒室殼體。

  航天工業(yè)壓力容器鈦材的選擇

  要求鈦材在室溫及低溫下有足夠高的強(qiáng)度、韌性、抗震及抗疲勞性能等,首選材料是Ti-6Al-4V合金,其次是Ti-5Al-2.5Sn合金。它們在較廣的溫度范圍內(nèi)都具有所需的性能,比強(qiáng)度和比彈性模量高、抗腐蝕性強(qiáng)、塑性和韌性好、低溫性能和可焊性上乘,但一般工業(yè)用合金由于過隙元素特別是氧和鐵的含量過高,于是美國推出了超純級的鈦合金,在牌號后添加ELI,軍用標(biāo)準(zhǔn)超純級鈦合金的鐵、氧含量約有一般工業(yè)用合金的50%(表1),顯著改善了合金的低溫性能,液氫溫度(-253℃)的伸長率為7%~15%,缺口強(qiáng)度/非缺口強(qiáng)度之比大于1。室溫塑性也有相當(dāng)大的提高,可冷軋成0.25mm薄板。當(dāng)前這兩種超純鈦合金是制造火箭與導(dǎo)彈液氫容器的當(dāng)家材料。之后,在確保性能的前提下,為了降低生產(chǎn)成本,放寬了阿波羅飛船用的這兩種合金的雜質(zhì)含量(表2)。

  航天器上的鈦壓力容器

  航天器上用的各種壓力容器最早是用不銹鋼和鋁合金制的,后來用鈦合金,取得了預(yù)期的減重效果,還提高了容器的性能。“大力神”導(dǎo)彈用Ti-6Al-4V鈦合金取代原用的鋁合金后,每個(gè)導(dǎo)彈的質(zhì)量減輕68kg;“宇宙神”導(dǎo)彈用了3個(gè)鈦合金壓力容器取代原來不銹鋼的,減輕177kg;“徘徊者”第一級“宇宙神”火箭助推器采用了6個(gè)鈦合金壓力容器,第二級火箭“阿金納”用了5個(gè)鈦合金壓力容器,“徘徊者”本身用了3個(gè),共計(jì)14個(gè),比原先不銹鋼制的輕了272kg。

  “阿波羅”飛船使用了約50個(gè)壓力容器,其中約85%是用Ti-6Al-4V和Ti-5Al和Ti-5Al-2.5Sn鈦合金制的,用于貯存液氮、液氦等壓縮氣體和推進(jìn)劑及氧化劑。“大力神Ⅲ”過渡級發(fā)動機(jī)裝推進(jìn)劑燃料混胼或偏二甲胼貯箱直徑1219mm、長4115mm,裝四氧化二氮氧化劑的貯箱直徑1524 mm、長3353mm,共有7個(gè),是用Ti-6Al-4V合金鍛件制的。

  貯氫箱是用Ti-5Al-2.5Sn合金制的,比用不銹鋼或鋁合金的輕30%~35%。“民兵”洲際導(dǎo)彈第二級火箭發(fā)動機(jī)殼體用的是Ti-6Al-4V合金,圓筒段用強(qiáng)力旋壓法制,比用不銹鋼的輕30%。“阿波羅”登月艙下降發(fā)動機(jī)燃燒室采用燒蝕冷卻的玻璃鋼襯里,外面的承壓殼體用Ti-6Al-4V合金制備。

鈦合金 航天工業(yè)

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