鋁合金環(huán)件是干什么的
    鋁合金環(huán)件用于連接與捆綁多級(jí)火箭的燃料箱，另外也廣泛用于風(fēng)力發(fā)電、石油化工、礦山機(jī)械、能源電站、核電裝置等。在航天領(lǐng)域，鋁合金環(huán)件是連接重型運(yùn)載火箭燃料（液氫、液氧、煤油）貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，是重型運(yùn)載火箭能否成功發(fā)射，航天器能否成功升天的關(guān)鍵零部件，為中國航天事業(yè)的發(fā)展，為中國躋身世界航天大國作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)?；鸺Y(jié)構(gòu)中，鋁材用量占90%以上，還用了少量的鈦合金及其他材料。
    中國火箭環(huán)件的發(fā)展
    隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，火箭由小到大，鋁合金環(huán)件也經(jīng)歷了由小到大的發(fā)展過程，從最初的3.5m的鍛環(huán)一步一步擴(kuò)大到5m級(jí)、6m級(jí)、9m級(jí)、10m級(jí)，從而登上世界最大級(jí)鍛軋鋁環(huán)絕頂。
    目前，中國可生產(chǎn)鋁合金環(huán)件的企業(yè)有：中鋁東北輕合金有限責(zé)任公司、中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、無錫市派克重型鑄鍛有限公司、中國航天科技集團(tuán)公司一院211廠、南南鋁加工有限公司等。
    首件4m鋁合金鍛環(huán)2006年9月12日在東北輕合金有限責(zé)任公司下線
    2003年以來，隨著中國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，大推力火箭和航天器所需的鋁合金環(huán)件直徑在不斷擴(kuò)大，但當(dāng)時(shí)還不能生產(chǎn)直徑≥5m的鋁合金環(huán)件，而且除航天領(lǐng)域外，在中遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈及艦載火炮等兵器也需要大直徑環(huán)件。此前，由于設(shè)備能力所限，東北輕合金有限責(zé)任公司只能生產(chǎn)最大直徑2.9m的環(huán)件，而且生產(chǎn)工藝落后，投料比大，成品率較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航天事業(yè)發(fā)展的需要。作為中國首個(gè)輕合金材料加工基地的東北輕合金有限責(zé)任公司審時(shí)度勢，集中人力財(cái)力，決定自主研發(fā)環(huán)軋生產(chǎn)線。2004年該生產(chǎn)線建設(shè)被列為重點(diǎn)項(xiàng)目之一。2005年6月開始設(shè)備制造，2006年3月安裝到位，2006年9月12日，一次熱試車成功，軋制出直徑4m的環(huán)件，各項(xiàng)性能指標(biāo)全部達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求，難能可貴的是，所制固溶處理爐的溫差≤±2℃，達(dá)到當(dāng)時(shí)同類爐型先進(jìn)水平。
    2006年12月30日，東北輕合金有限責(zé)任公司在其自行制造具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的環(huán)軋生產(chǎn)線上，生產(chǎn)出當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的鋁合金環(huán)件，尺寸為：直徑5150mm、寬340mm、厚100mm。
    中國最大的鋁合金環(huán)件生產(chǎn)基地——中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司
    中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司不但是中國最大的鋁合金環(huán)件生產(chǎn)基地，也是全世界最大者之一，它代表著中國鋁合金環(huán)件的發(fā)展歷程，是中國鋁合金環(huán)件的領(lǐng)跑者。自1989年生產(chǎn)出直徑3.5m的被譽(yù)為“亞洲第一環(huán)”后，一路走來，不斷攻克難關(guān)，先后生產(chǎn)出5m級(jí)、6m級(jí)、9m級(jí)，直到2016年8月25日成功軋制世界之最的10m級(jí)的整體鋁合金環(huán)件，把神舟十一號(hào)飛船于10月17日7時(shí)30分推向太空，使長征五號(hào)大型運(yùn)載火箭于11月3日20時(shí)43分得以在文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火升空。
    據(jù)國家國防科工局、國家航天局介紹，長征五號(hào)（CZ-5）運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了中國運(yùn)載火箭（液體）直徑由3.35m至5m的跨越，采用直徑芯級(jí)，捆綁4枚3.35m直徑助推器，全長約57m，起飛質(zhì)量約870t；具備近地軌道約25t、地球同步轉(zhuǎn)動(dòng)軌道14t級(jí)的運(yùn)載能力，比現(xiàn)役火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提升了2.5倍以上。
    2014年4月23日，西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司與天津特鋼精鍛有限公司合作研發(fā)的首件新型運(yùn)載火箭用9m級(jí)超大型鋁合金整體環(huán)件成功下線，這是那時(shí)全世界最大級(jí)別的鋁合金整體環(huán)件。2012年，中國航天科技集團(tuán)提出急需9m級(jí)超大型鋁合金整體環(huán)件需求。
    此前，超大型環(huán)件的制造工藝大都以鑄造成形和焊接成形為主，然而這些工藝都無法滿足承受重載、高沖擊、超低溫等級(jí)端工作情況所需的高性能要求，必須采用整體環(huán)件。但此前中國只環(huán)軋過5m級(jí)的，一下子跨到9m級(jí)，技術(shù)難度著實(shí)太大。為了滿足國家需求，西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司于2014年組建了環(huán)件技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在環(huán)軋5m級(jí)環(huán)件技術(shù)基礎(chǔ)上依靠自主創(chuàng)新，研制出超大規(guī)格鑄錠（直徑1350mm）生產(chǎn)工具與熔煉鑄造工藝，2014年3月鑄造的2219合金1350mm圓錠的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)。此后六個(gè)月內(nèi)，該公司先后突破鍛壓制坯和軋制成形關(guān)鍵技術(shù)，成功軋制出尺寸完全達(dá)標(biāo)，精度超出預(yù)定值、表面光潔、性能超標(biāo)的世界最大級(jí)火箭環(huán)件。
    在9m級(jí)環(huán)件基礎(chǔ)上，西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司環(huán)件團(tuán)隊(duì)乘勝追擊，迎難而上，于2016年8月25日軋制成功重型運(yùn)載火箭10m級(jí)環(huán)件，再次刷新世界整體鋁合金環(huán)件世界紀(jì)錄，使中國成為全球鋁合金環(huán)件生產(chǎn)泰斗。相對(duì)于9m級(jí)鋁合金整體環(huán)件，10m級(jí)的承受的載荷更重、沖擊力更高、溫度更低，因此軋制難度更為嚴(yán)峻。
    西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司為確保10m級(jí)環(huán)件的順利軋制，組建了集多種技術(shù)、生產(chǎn)、維護(hù)人員于一體的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過一年多的日日夜夜奮戰(zhàn)，攻克了軋制成型等多項(xiàng)核心技術(shù)，終于順利地軋得直徑10m的超大規(guī)格鋁合金整體環(huán)件，經(jīng)航天部門的嚴(yán)格驗(yàn)收，各項(xiàng)性能指標(biāo)與尺寸完全符合設(shè)計(jì)要求。
    派克重型鑄鍛有限公司的2219合金環(huán)件
    江蘇無錫市派克重型鑄鍛有限公司于2014年12月成功軋制出8m級(jí)2219合金環(huán)件，其尺寸為外徑8.7m，內(nèi)徑8.32m，高0.35m。該公司成立于2006年，目前已成為國內(nèi)鍛件的著名品牌，通過了ISO9001：2008質(zhì)量管理體系、國家壓力管道質(zhì)量認(rèn)證，取得了DNV、IR、CCS、ABS等9家船級(jí)社認(rèn)證。
    火箭鋁合金環(huán)件直徑型譜
    中國自西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限公司1989年生產(chǎn)出首件3.5m直徑的火箭鋁合金環(huán)件至2016年軋制成功世界最大的10m級(jí)環(huán)件，先后經(jīng)歷27年，其間生產(chǎn)的型號(hào)有4m的、5m級(jí)的、8.7m的、9m級(jí)的、10m級(jí)的，共計(jì)6種，平均54個(gè)月上一次新臺(tái)階。
    此外，南南鋁加工有限公司“超大規(guī)格鋁合金鍛坯開發(fā)”項(xiàng)目于2015年8月初通過廣西壯族自治區(qū)工信委的鑒定驗(yàn)收。此鍛坯是用直徑1320mm的鑄錠坯料鍛造的，用于生產(chǎn)直徑≥8500mm的整體環(huán)件。
    火箭鋁合金整體環(huán)件生產(chǎn)工藝
    火箭鋁合金整體環(huán)件是用2219合金環(huán)軋的，其生產(chǎn)工藝流程為：鑄造大直徑圓錠→鋸切→均勻化處理→車皮→加熱→鍛壓坯料→環(huán)軋→固溶處理→消除內(nèi)應(yīng)力→時(shí)效。
    環(huán)件鋁合金2219
    火箭鋁合金環(huán)件用于連接運(yùn)載火箭燃料貯箱的筒段、前后底與火箭間段之間的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，承受著重載荷、高沖擊、超低溫。燃料為液氫（-253℃）與液氧（-153℃），它們的貯箱都是用鋁合金2219合金焊接的，所以，連接環(huán)件與綁捆件都宜用2219合金環(huán)軋。
    2219合金的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：Si0.20，F(xiàn)e0.30，Cu5.8~6.8，Mn0.20~0.40，Mg0.02，Zn0.10，V0.05~0.15，Ti0.02~0.10，Zr0.10~0.25，其他雜質(zhì)每個(gè)0.05、總計(jì)0.15，其余為Al。該合金的典型抗拉性能見表1，彈性模量73.8GN/m2，抗壓彈性模量75.2GN/m2，泊松比μ=0.33。軋制環(huán)件的保證力學(xué)性能見表2。
    2219合金有很好的低溫及高溫力學(xué)性能（表3），無低溫脆性，強(qiáng)度與塑性均隨著溫度的下降而同步上升，例如-196℃的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2、伸長率A分別比25℃時(shí)的大25.8%、22.5%、33%。在循環(huán)次數(shù)5×108周時(shí)的疲勞強(qiáng)度為103N/mm2，合金有相當(dāng)強(qiáng)的抗蠕變特性。
    2219合金的物理性能：20℃時(shí)密度2840kg/m3；液相線溫度643℃，低熔點(diǎn)共晶的開始熔化溫度543℃，平均線脹系數(shù)如下μm/（m·k）：
    -50℃~20℃  20.8
    20℃~100℃  22.5
    20℃~200℃  23.4
    20℃~300℃  24.4
    合金的體脹系數(shù)6.5×10-6m3/（m3·k）；20℃的比熱容864J/（kg·K）；O狀態(tài)材料的熱導(dǎo)率170W/（m·k），T31及T37狀態(tài)的116W/（m·k），T62、T81、T87狀態(tài)的130W/（m·k）；20℃的電積電導(dǎo)率：O狀態(tài)的44%IACS，T31、T37、T351狀態(tài)的28%IACS，T62、T81、T87、T85狀態(tài)的30%IACS。
    2219合金的退火溫度413℃，固溶處理溫度535℃，人工時(shí)效溫度165℃~180℃，保溫18h~36h。