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  • 【擴大鈦應用】鈦材在美國航天器上的應用


    鈦材在航天器上大量應用始于美國,1972年開始研制“水星號”宇宙飛船,1981年首次升空,將人送入太空。飛船質(zhì)量2t,呈鐘形,分為3部分:基礎部、密封艙(壓力艙)、頂部。壓力艙體積1.4m3,主要結(jié)構(gòu)都是用鈦合金制造的,約占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的80%,重達168kg,鈦材用量約240kg(采購質(zhì)量)。密封艙可乘座宇航員,其內(nèi)蒙皮是用厚0.25mm的純鈦薄板焊的,加固用的為Ti-5Al-2.5Sn鈦合金擠壓材,它有中等的力學強度,而一部分骨架環(huán)是用Ti﹣6Al-4V合金制造的,內(nèi)蒙皮板焊于其上。Ti-6Al-4V是一個用得多的鈦合金之一,是一個綜合性很好的合金,不但有高的力學性能,而且可在480℃長期使用,耐熱性高、可焊性良好、焊縫有極好的氣密性,對調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力極為有利。這種飛船是用阿特拉斯火箭發(fā)射的,火箭的不少結(jié)構(gòu)件,如加強環(huán)、連接環(huán)等是用鈦合金制備的。Ti-5Al-2.5Sn合金的成分(質(zhì)量%):Al4.5~5.75,Sn2.0~3.0,F(xiàn)e0.50,C0.08,N0.05,H0.020,O0.20。

    1984年“雙子星座”飛船升空,是“水星號”飛船的改進型,也是鐘形,但鈦合金的用量及品種更多了,共用了7種,鈦結(jié)構(gòu)件凈質(zhì)量約570kg,占結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量的84%。該飛船的內(nèi)壁為雙層,用0.25mm厚的工業(yè)純鈦板焊成。用Ti-6Al-4V鈦合金的球形壓力容器,其抗拉強度可達900MPa;起落架結(jié)構(gòu)件受力大,是用高強度Ti-7AI-4Mo鈦合金鍛造的,其抗拉強度可達1100MPa或更大一些。
    飛船重返大氣層時必須減慢速度,這個任務由4個裝有固體燃料的圓形火箭完成,每個火箭有2個Ti-6Al-4V焊接的鈦合金半圓球件,材料厚1.0mm,偏差嚴格為+0.17mm,-0.01mm。乘員室的氧氣瓶為Ti-6Al-4V或Ti-13V-11Cr-3Al鈦合金制的。氧氣瓶容積2.5L,壓力2059MPa,質(zhì)量160kg。
    “阿波羅”宇宙飛船。此船類似于2020年中國航天局發(fā)射的探月工程嫦娥五號。但嫦娥五號未載人,而“阿波羅”則將人送上了月球,在月球表面著陸,然后返回地球,它由飛船船體和“土星-V”大型火箭組成,飛船質(zhì)量50t,火箭質(zhì)量2900t。飛船含容積7.65m3的指揮艙、機械艙和登月艙。飛船和火箭結(jié)構(gòu)共用了68t加工鈦材。飛船的全部托架、夾具和緊固件都是鈦質(zhì)的。指揮艙、機械艙和登月艙共用了1190kg鈦材。
    發(fā)射牽引系統(tǒng)的塔結(jié)構(gòu)是用鈦合金制造的,指揮艙和機械艙的液氫容器和導管、登月艙的低溫容器都是用Ti-6Al-4V合金制備的。而登月艙下降部分的容器需要有更大的塑性,因而用Ti-5Al-2.5Sn合金制造。“阿波羅”飛船共有40多個壓力容器,其中約有85%是用鈦合金制的,以Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金制造四氧化二氮、氦、氮和燃料容器。由于Ti-5Al-2.5Sn合金在-252.7℃具有高的韌性,所以液氫和超臨界氦容器是用此合金制的。
    航天飛機是溝通地面和空間站之間的交通工具,所以又稱空間渡船,要求能多次使用,最好能達100次或更多些,它在進入大氣層時,其機身和機翼上半面溫度可達180℃~815℃,因此,某些部位的構(gòu)件需用耐熱的鈦合金制造,例如上機身骨架用Ti/B-Al復合材料,尾翼、機翼粱和肋等都是用鈦合金制備的,油壓配管為Ti-3Al-2.5V合金無縫管,同時使系統(tǒng)的質(zhì)量減輕了40%以上,為了降低對疲勞斷裂的敏感性和提高系統(tǒng)的服務期限,各種管件的成形和裝配都是自動化的。

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