关键词：
7050铝合金
火箭分离环
组织演变
性能调控
精准制造
摘要：
我国新一代载人登月火箭箭体芯级和助推直径均为?5m,起飞推力近2700吨,近地轨道运载能力70吨,是长征五号火箭的近三倍。分离环是火箭级间结构承载和可靠分离的核心关键构件,火箭运载能力的提升要求其必须满足结构大承载、装配高精度、分离高可靠等极端服役性能需求,国内尚无满足该服役性能需求的制造技术和先例。本文针对分离环成形制造面临的新挑战,开展了7050铝合金分离环极端服役性能精准制造技术与应用研究,通过锻造开坯、环轧成形、形变热处理等各制造环节材料特征微结构的演变规律研究与精准调控,提出了“高温多向锻造+中低温轧制变形+多级强化固溶+双级过时效”制造全过程精准调控新方法,解决了分离环三向延伸率指标区间控制、各部位组织性能均匀性提升等难题,首次实现了?5m级7050铝合金分离环的高性能制造及其在火箭分离结构中的应用,支撑了我国新一代载人登月火箭航天重大装备的研制。主要研究工作如下:(1)分析了新一代载人登月火箭分离结构极端服役条件及性能指标需求,探明了分离环高性能制造存在的主要问题。分离环结构大承载要求其三向高强度、高塑性,切割分离高可靠要求其延伸率区间控制、各部位性能均匀一致,常规工艺生产的7050铝合金分离环存在延伸率指标轴向下限(6%)超差、环向上限(12%)超差、各部位组织性能不均匀等突出问题。剖析并获得了分离环性能超差的关键因素,粗大纤维组织和不均匀混晶组织是环件三向延伸率差异显著的主要原因,组织中残余结晶相的聚集分布是导致性能不均匀、局部延伸率偏低的主要原因。(2)研究了锻造变形方式和工艺参数对7050铝合金粗大结晶相均细化及力学性能的影响规律,获得了粗大结晶相尺寸大小和分布形态的调控方法,实现了不同部位力学性能均匀性提升。大规格7050铝合金圆铸锭第二相含量高、种类多且分布不均匀,热塑成形后构件的力学性能与组织中粗大结晶相的均细化程度密切相关,粗大结晶相含量越少、分布越均匀、尺寸越细小,材料的力学性能越优且均匀性越好;提高变形温度、增大变形量、降低变形速率,有利于粗大结晶相粒子的细化与均匀分布,溶解扩散和剪切破碎是其主要细化方式;高温多向锻造可充分溶解细化粗大结晶相,同时提高坯料不同部位组织性能的均匀性。(3)研究了轧制工艺对7050铝合金组织性能的影响及组织遗传演变规律,提出了中低温轧制变形诱发再结晶获得等轴晶粒组织的策略,实现对三向延伸率指标的区间控制。270℃中低温轧制以动态回复为主,高温固溶过程中发生92.9%再结晶并获得等轴晶粒组织;460℃高温轧制发生了少量动态再结晶,晶粒组织为粗大的再结晶晶粒和细小的亚晶组成的纤维状混晶组织;合金的三向力学性能与晶粒组织密切相关,晶粒等轴化程度越高、尺寸越细小、纤维方向越弱,延伸率越高且三向差异越小。7050铝合金晶粒组织易发生再结晶细化与长大,七镦六拔高温多向锻造后获得了细小的动态再结晶组织,后续加热过程中极易发生再结晶长大,固溶前终轧温度对最终环件的晶粒组织有决定性影响;粗大结晶相粒子遗传效应显著,锻造开坯过程中消减粗大结晶相可显著提高最终环件的组织均匀性。(4)研究了固溶温度和时间、冷变形量、时效温度和时间等工艺参数对7050铝合金硬化行为和力学性能的影响规律,提出了“分级强化固溶+双级过时效”策略,实现对三向强度和延伸率指标的协同调控。提高固溶温度,通过促进粗大残余结晶相的进一步溶解和细化,可同时提高强度和延伸率,最佳固溶温度为477℃至482℃之间;时效处理前增加冷变形可提高析出相密度进而加速合金的硬化行为,最优冷变形量为1%-3%;不同峰值时效制度下7050铝合金的强度和延伸率差异显著,双级时效更加有利于强度和延伸率的综合调控,二级时效时间延长,分离环三向抗拉和屈服强度逐渐降低,而延伸率增加至一定程度后基本维持不变。(5)采用新工艺成功研制Φ5m级7050铝合金分离环,并通过了型号地面承载和分离试验验证。与原工艺相比,新工艺制造的分离环晶粒组织再结晶比例由59.9%提高至80.1%,等轴晶粒组织比例显著增加,结晶相均细化效果显著;分离环三向力学性能各向异性显著改善,环件圆周均布16处的轴向和径向延伸率均值分别由7.4%、5.7%提高到8.4%和6.6%,而切向由12.6%下降为11.1%,合格率由32%提升到100%,实现了三向延伸率指标的区间控制;分离环各部位性能均匀性显著提升,特别是影响分离的轴向延伸率的数据标准差由1.5下降到0.9,降低了40%,大幅提高了分离可靠性。经地面静力承载和分离试验考核验证,新工艺生产的7050铝合金分离环质量可靠,具备工程化应用条件,满足新一代载人登月火箭研制需求。图89幅,表26个,参考文献118篇
欢迎来到三峡大学图书馆！
