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钛合金航天火箭构件中的“顶梁柱”

钛及钛合金始终受到航天火箭技术装备研制人员的关注。实际上没有一种航天火箭是不使用钛及钛合金的。钛合金在航天火箭中所占质量为5%一30%。在“能源—暴风雪”号、“和平—1”号、“进步”号、“金星”号、“月球”号航天器中也得到非常广泛的应用。
在航天火箭技术装备中采用的合金和近α合金包括OT4、OT4—1、BT5—1、ПT3B。用OT4合金板材制造液体燃料火箭发动机的燃烧仓和“和平—1”号轨道站对接件,用OT4—1合金制造发动机吊架构件、燃料箱、管接头和托架等。 BT5-1和ПT3B合金用于制造容器-增压系统蓄压器和低温液体储存箱BT5—1合金用于制造液氢输送泵叶轮。
叶轮制造工艺为传统冶金工序铸锭—模锻与颗粒冶金相结合。带有叶片的盖轮和厚度为3mm的主轮采用颗粒冶金方法制成,并在颗粒加压烧结过程中以扩散焊的方法与模锻主轮焊合。静力加载时,断裂是发生在颗粒坯料上或模锻件上的,这说明扩散焊是很可靠的。“能源”号运载火箭叶轮的顺利运行证明,该工艺具有很好的效果。
先进航天火箭技术产品用的高脉冲推重比发动机的开发,要求采用低温强度和塑性更高的钛合金。为此国外一家金属研究院正在进行将BT6c合金用于这种项目的工艺测定工作循环。用这种合金制造了工作温度可达-200℃的φ600mm的模锻件、蓄压器用的板材、承载托架和管接头用的坯料。
目前正在探索将该合金工作温度降低到一253'C的途径,其中之一是用颗粒冶金法制取零件。这种工艺可保证坯料各个部位都具有均匀的细晶组织,并使整个坯料的性能具有各向同性。用BT6c合金颗粒经α+β区热等静压+一段焙烧后制取致密坯料,强度比BT5—1KT合金高100MPa,疲劳性能更高。
重要的问题是要研制和开发一种σb>800MPa、抗氧化温度达850℃的新型近α合金,以取代不锈钢大型焊接结构。该合金将含有铪和铌,其特点是工艺塑性要高,在高达850℃的温度下仍具有抗氧化性能,焊接时稍加保护即可,不需采用具有保护气氛的载人太空仓式的昂贵焊接设备。除此而外,合金的焊接接头不需要退火消除残余应力。
在航天火箭中应用最广的钛合金是两相合金BT6c、BTl4、BT3—1、BT23、BTl6、BT9(BT8),这些合金主要在热处理强化状态下使用。退火状态BT6c合金可应用于蓄压器中,但该合金大多应用在σb=1050MPa—1100MPa的热处理强化状态。类似的应用还有σb=1100MPa~1150MPa的BTl4合金。σb≥900MPa的退火状态BTl4合金可用作直径80mm~120mm的管状梁形构件,还用于制造在-196℃下工作的紧固件。
近年来开发了BT23合金外径达350mm半球坯料的等温冲压工艺。与整体热冲压相比,这种工艺可使冲压件的质量从36kg降低到8.5kg,壁厚由22mm减少到10mm,金属利用率从0.15提高到0.64。在航天火箭中应用相当广泛的还有BT5л、BT20л合金铸件,质量达100kg。研制并试验了强度为1050MPa—1100MPa的铸造钛合金(Ti—6A1-20Zr-2Mo),获得了重达200kg的铸件。开发了铸件热等静压加工。经该工艺加工后,铸件的成品率由70%提高到92%,铸件的延伸率提高30%,冲击韧性提高50%~150%,疲劳强度提高50%。还使用了具有“形状记忆”效应的钛—镍系合金。TH1合金用作自开天线、推杆、接触器以及航天系统减震部件。形状恢复温度为一80℃的THlk低温合金可用于制造各种液压系统和动力系统中管道与设备的连接件。
目前,正重点研究Ti-Al金属间化合物基合金。该合金具有独特的性能组合,有高的热强性和弹性模量以及低的密度,使这些合金成为新一代航天火箭中最有使用前途的合金。“复合材料”科研生产联合公司正在研制用这些材料制取坯料的综合工艺设备,包括熔炼设备、制取颗粒装备、等温变形设备等。


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点击次数:  更新时间:3/6/2018 10:17:10 AM  【打印此页】  【关闭