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鈦合金在航天火箭中的應用 

發布時間:2019/06/21
鈦合金在航天火箭中的應用

   鈦及鈦合金始終受到航天火箭技術裝備研制人員的關注。實際上沒有一種航天火箭是不使用鈦及鈦合金的。鈦合金在航天火箭中所占質量為5%一30%。在“能源—暴風雪”號、“和平—1”號、“進步”號、“金星”號、“月球”號航天器中也得到非常廣泛的應用。

  在航天火箭技術裝備中采用的。合金和近α合金包括OT4、OT4—1、BT5—1、ПT3B。用OT4合金板材制造液體燃料火箭發動機的燃燒倉和“和平—1”號軌道站對接件,用OT4—1合金制造發動機吊架構件、燃料箱、管接頭和托架等。 BT5-1和ПT3B合金用于制造容器-增壓系統蓄壓器和低溫液體儲存箱BT5—1合金用于制造液氫輸送泵葉輪。葉輪制造工藝為傳統冶金工序鑄錠—模鍛與顆粒冶金相結合。帶有葉片的蓋輪和厚度為3mm的主輪采用顆粒冶金方法制成,并在顆粒加壓燒結過程中以擴散焊的方法與模鍛主輪焊合。靜力加載時,斷裂是發生在顆粒坯料上或模鍛件上的,這說明擴散焊是很可靠的。“能源”號運載火箭葉輪的順利運行證明,該工藝具有很好的效果。

  先進航天火箭技術產品用的高脈沖推重比發動機的開發,要求采用低溫強度和塑性更高的鈦合金。為此俄羅斯“復合材料”股份公司金屬研究院正在進行將BT6c合金用于這種項目的工藝測定工作循環。用這種合金制造了工作溫度可達-200℃的φ600mm的模鍛件、蓄壓器用的板材、承載托架和管接頭用的坯料。目前正在探索將該合金工作溫度降低到一253'C的途徑,其中之一是用顆粒冶金法制取零件。這種工藝可保證坯料各個部位都具有均勻的細晶組織,并使整個坯料的性能具有各向同性。用BT6c合金顆粒經α+β區熱等靜壓+一段焙燒后制取致密坯料,強度比BT5—1KT合金高100MPa,疲勞性能更高。

  重要的問題是要研制和開發一種σb>800MPa、抗氧化溫度達850℃的新型近α合金,以取代不銹鋼大型焊接結構。該合金將含有鉿和鈮,其特點是工藝塑性要高,在高達850'C的溫度下仍具有抗氧化性能,焊接時稍加保護即可,不需采用具有保護氣氛的載人太空倉式的昂貴焊接設備。除此而外,合金的焊接接頭不需要退火消除殘余應力。

  在航天火箭中應用最廣的鈦合金是兩相合金BT6c、BTl4、BT3—1、BT23、BTl6、BT9(BT8),這些合金主要在熱處理強化狀態下使用。退火狀態BT6c合金可應用于蓄壓器中,但該合金大多應用在σb=1050MPa—1100MPa的熱處理強化狀態。

  類似的應用還有σb=1100MPa~1150MPa的BTl4合金。σb≥900MPa的退火狀態BTl4合金可用作直徑80mm~120mm的管狀梁形構件,還用于制造在-196℃下工作的緊固件。

  近年來開發了BT23合金外徑達350mm半球坯料的等溫沖壓工藝。與整體熱沖壓相比,這種工藝可使沖壓件的質量從36kg降低到8.5kg,壁厚由22mm減少到10mm,金屬利用率從0.15提高到0.64。

  在航天火箭中應用相當廣泛的還有BT5л、BT20л合金鑄件,質量達100kg。研制并試驗了強度為1050MPa—1100MPa的鑄造鈦合金(Ti—6A1-20Zr-2Mo),獲得了重達200kg的鑄件。開發了鑄件熱等靜壓加工。經該工藝加工后,鑄件的成品率由70%提高到92%,鑄件的延伸率提高30%,沖擊韌性提高50%~150%,疲勞強度提高50%。

  還使用了具有“形狀記憶”效應的鈦—鎳系合金。TH1合金用作自開天線、推桿、接觸器以及航天系統減震部件。形狀恢復溫度為一80℃的THlk低溫合金可用于制造各種液壓系統和動力系統中管道與設備的連接件。

  目前,正重點研究Ti-Al金屬間化合物基合金。該合金具有獨特的性能組合,有高的熱強性和彈性模量以及低的密度,使這些合金成為新一代航天火箭中最有使用前途的合金。“復合材料”科研生產聯合公司正在研制用這些材料制取坯料的綜合工藝設備,包括熔煉設備、制取顆粒裝備、等溫變形設備等。


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