5052合金的力學(xué)性能

目前世界上有三臺(tái)“觀天巨眼”，第一是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），位于我國(guó)貴州省黔南州平塘縣大窩凼；第二是美國(guó)的阿雷西博350米望遠(yuǎn)鏡，建于1992年，23年來(lái)一直穩(wěn)坐世界第一寶座，我國(guó)“天眼”的綜合性能比它約強(qiáng)10倍；第三是德國(guó)波恩的100米口徑望遠(yuǎn)鏡，我國(guó)“天眼”的靈敏度比它提高了約10倍。
我國(guó)“天眼”的球面射電板是用鋁合金板制的，德國(guó)及美國(guó)球面射電望遠(yuǎn)鏡用的什么材料筆者還沒(méi)有看到相關(guān)報(bào)道，日本國(guó)立天文臺(tái)野邊山宇宙電波所ALMA望遠(yuǎn)鏡用的是5052鋁合金板材，支架結(jié)構(gòu)件是用6061鋁合金擠壓材制造，可在－20℃～20℃的環(huán)境中長(zhǎng)期工作，建設(shè)地點(diǎn)標(biāo)高5000米，2011年9月末建成，2012年初投入運(yùn)用，共有10臺(tái)，球面直徑45米。
中國(guó)“天眼”的建設(shè)
喀斯特洼坑的尋覓
1993年國(guó)際無(wú)線電聯(lián)合大會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的10個(gè)國(guó)家的天文學(xué)家提出建設(shè)新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議。1995年底，北京天文臺(tái)聯(lián)合國(guó)內(nèi)20余所大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國(guó)推進(jìn)委員會(huì)，提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面，即“西雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。
此后，中國(guó)科學(xué)家進(jìn)一步推進(jìn)喀斯特概念，提出獨(dú)立研制一臺(tái)新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。為了給新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”找一個(gè)合適的“家”，科學(xué)家通過(guò)衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)底朝天。當(dāng)時(shí)天文臺(tái)委托兩家研究所進(jìn)行搜尋，從300個(gè)候選洼坑中遴選。最終位于黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲最高分。貴州天然喀斯特洼坑提供的條件，始終都是中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最獨(dú)到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。
歷時(shí)22年建成世界最大“天眼”
中國(guó)“天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST，F(xiàn)ive-hundred meter Aperture Spherical Radio Telescope）從1994年提出構(gòu)想到2016年9月建成歷時(shí)22年，是具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的偉大工程，世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。借助這只巨大的“天眼”，科研人員可以窺探星際之間互動(dòng)的信息、觀測(cè)暗物質(zhì)、測(cè)定黑洞質(zhì)量，甚至搜尋可能存在的星外文明。眾多獨(dú)門(mén)絕技讓其成為世界射電望遠(yuǎn)鏡中的佼佼者，這也將為世界天文學(xué)的新發(fā)現(xiàn)提供機(jī)遇。
作為國(guó)家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施，“天眼”工程由主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、按收機(jī)與終端及觀測(cè)基地等幾大部分構(gòu)成。主動(dòng)反射面由上萬(wàn)根鋼絲索和4450個(gè)反射單元組成的球冠型索膜結(jié)構(gòu)，其外形像一口諾大無(wú)比的“鍋”，接收面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)。
利用天然的喀斯特洼坑作為臺(tái)址，洼坑內(nèi)鋪以數(shù)千塊單元組成的冠狀主動(dòng)反射面，采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)接收機(jī)高精度定位，這是中國(guó)“天眼”的三大自主創(chuàng)新。從2016年9月25日起，“天眼”方圓5千米已成為“靜默區(qū)”。這個(gè)龐然大物開(kāi)始睜開(kāi)“慧眼”，專注地捕捉來(lái)自宇宙深處的信號(hào)。“天眼”工程除了宏偉、狀觀外，最震撼人心的是精準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)3年的測(cè)試，基墩具有極高的穩(wěn)定性，誤差不超過(guò)1毫米。“天眼”能夠接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，觀測(cè)范圍可達(dá)宇宙邊緣。
不過(guò)，在此需指出的是，F(xiàn)AST的地球“最大天眼”稱號(hào)可能只能保持七八年就得讓位給南非的陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）。SKA目前正在南非臺(tái)地高原地區(qū)和西澳大利亞州默奇森郡沙漠區(qū)進(jìn)行建設(shè)，其接收面積達(dá)1平方千米，建成后將是世界上最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，也是國(guó)際天文界建造的有史以來(lái)最大的科學(xué)工程。SKA由多國(guó)參與修建，在目前SKA公開(kāi)發(fā)布的11個(gè)工程中，中國(guó)參與了其中6個(gè)研發(fā)工作。
2020年1月11日被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式開(kāi)放運(yùn)行。作為天下最大最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，“天眼’工程圓滿收官，意味著中國(guó)大科技基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步完善，人類探索未知宇宙有了更加深邃視角。“天眼”的成功，體現(xiàn)了中國(guó)智慧、中國(guó)技術(shù)、中國(guó)力量、更彰顯中國(guó)擔(dān)當(dāng)。“天眼”的背后，是中國(guó)人民在長(zhǎng)期奮斗中培育、繼承、發(fā)展起來(lái)的偉大創(chuàng)造精神、偉大夢(mèng)想精神、偉大團(tuán)結(jié)精神。正是這樣的民族精神成就了“天眼”。
中國(guó)“天眼”造價(jià)12億元，經(jīng)過(guò)三年零三個(gè)多月的調(diào)試，于2020年1月11日正式運(yùn)行。調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)了102顆脈沖星，超過(guò)同期歐美多個(gè)脈沖星搜索團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。
為了配合“中國(guó)天眼”的建設(shè)，其所在地區(qū)約7000名居民搬遷到約10千米外的另一座小城市，以確保望遠(yuǎn)境的性能與平靜運(yùn)行。
日本野邊山用5052及6061鋁合金打造口徑45米望遠(yuǎn)鏡
日本國(guó)立天文臺(tái)野邊山宇宙電波觀測(cè)所共有10臺(tái)球面望遠(yuǎn)鏡（天線），直徑45米、高50米，1971年建成。球面望遠(yuǎn)鏡位于50米高的架上，球面是用5052鋁合金板材加工的，支架用6061鋁合金擠壓型材打造，用電火花工藝加工。
加工天線表面極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠浔砻嬖焦鉂嵅拍芙邮盏皆蕉痰碾姴ǎ虼吮仨氂糜幸欢◤?qiáng)度性能的、韌性高的鋁合金加工，其表面粗糙度應(yīng)≤25納米，同時(shí)在－20℃～＋20℃的環(huán)境中仍保持著這個(gè)精度。直徑12米的球面天線是用205塊1米×1米的鋁板鋪設(shè)的，原材料厚度30毫米，以納米為單位進(jìn)行史無(wú)前例的一層一層地切削加工，每一塊都有極其精準(zhǔn)的拋物面，為了組成大的拋物面，用了37種不同形狀的鋁板坯料。
為了制造直徑45米最大高度50米的天線，遇到的最大問(wèn)題是如何減輕其自身質(zhì)量，因?yàn)樗膾佄锩娣e1590平方米，質(zhì)量700噸。為了輕量化，天線表層（鏡面體）采用夾層的碳纖維增強(qiáng)塑料蜂窩鋁板。為了避免骨架因太陽(yáng)光直射而變形，在天線背面裝有隔熱鋁板。經(jīng)過(guò)這種精心設(shè)計(jì)，使這種毫米波望遠(yuǎn)鏡在世界該類裝備中如鶴立雞群，居世界頂尖水平，鏡面精度保持在170微米左右，鋁合金在這些超級(jí)天線中發(fā)揮了無(wú)可替代的作用。
5052鋁合金是制造球面射電望遠(yuǎn)鏡最佳材料
口徑小于3米的球面射電望遠(yuǎn)鏡的拋物面可用整塊的鋁合金沖制，因?yàn)楫?dāng)今世界上輥面寬度最大的冷軋機(jī)為4350毫米，口徑再大的球面射電望遠(yuǎn)鏡就得用一塊塊拋物面鋁合金板拼接，日本國(guó)立天文臺(tái)野邊山宇宙所45米口徑的望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)波多黎各天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡、德國(guó)波恩天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡、巴西天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的拋物面都是用形狀特異的5052鋁合金板拼成，因?yàn)槔滠?052鋁合金板是制造這種拋物面板的最佳材料。
為什么拋物面都用5052鋁合金打造？因?yàn)樗哂幸幌盗袃?yōu)秀性能。它是美國(guó)鋁業(yè)公司（Alcoa）于上世紀(jì)20年代后期推向市場(chǎng)的，其標(biāo)定成分（質(zhì)量%）：Si0.25，F(xiàn)e0.40，Cu0.10，Mn0.10，Mg2.2～2.8，Cr0.15～0.35，Zn 0.10，其它雜質(zhì)單個(gè)0.05、合計(jì)0.15，其余為鋁。由Al-Mg系相圖可知，Mg在鋁中的溶解度僅次于Zn，居第二位，在450℃的極限溶解度為17.4%，室溫時(shí)只有1%，在理論上Al-Mg合金應(yīng)該有相當(dāng)大的時(shí)效硬化效應(yīng)，但因受β相（Mg2Al3）的沿晶沉淀傾向和彌散度的限制，一般沒(méi)有價(jià)值和必要利用這種效應(yīng)，全可以在退火和冷作硬化狀態(tài)使用。
AI﹣Mg合金過(guò)飽和固溶體α′的沉淀過(guò)程：
α′→GP區(qū)→β′→β（Mg2Al3）
Mg原子直徑（0.320納米）遠(yuǎn)比Al（0.286納米）的大，淬火后GP區(qū)雖在幾秒內(nèi)就能形成，但尺寸?。?.0納米～1.5納米），周圍有密集的空位云，與母相間幾乎不發(fā)生共格應(yīng)變，故Mg含量≤7%的沒(méi)有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。
5052合金是一種中等偏低強(qiáng)度合金。AI-Mg合金加Mn或Cr主要為了改善抗蝕性和可焊性，但固溶部分還有一定的強(qiáng)化作用，Cu、Zn、Fe、Si是雜質(zhì)，應(yīng)嚴(yán)加控制。特點(diǎn)是：密度2.68g/cm3，比純鋁1050的2.705g/cm3稍低一些；有優(yōu)秀的抗腐蝕性，在海洋氣氛與海水中有高的抗蝕性，表面可長(zhǎng)期保持高的表面光潔度，幾乎“終身”不需要維護(hù)；可焊性良好，焊縫的力學(xué)性能幾乎與基體材料的相等；特別好的可拋光性能，表面處理后亮晶晶的；塑性與成形性能優(yōu)秀，可加工成各種各樣的零部件，它的抗拉強(qiáng)度雖不高，但還是比1050工業(yè)純鋁的高不少，比3003合金的高一些，還有高的疲勞強(qiáng)度，不管是在實(shí)驗(yàn)室還是在實(shí)際使用中，都未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象。
由于5052合金具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)界一致認(rèn)同的制造射電望遠(yuǎn)鏡球面拋物面板塊的不可多得的好材料。所以國(guó)外射電望遠(yuǎn)鏡的“大鍋”都是用一塊塊5052合金拋物線板塊拼成的。
5052合金板的力學(xué)性能見(jiàn)表，它的物理性能如下：密度2.68g/cm3，熔化607℃～649℃，20℃時(shí)的電導(dǎo)率35%IACS，25℃時(shí)的熱導(dǎo)率138W/（m·℃），20℃時(shí)的比熱900J/（kg· ℃），（20℃～100℃）的線脹系數(shù)23.8×10-6/℃。在2.67%AlCl3溶液中對(duì)干汞電極（SCE）的自然電位為－936.2mV，孔食電位為－722.7mV，抗蝕性及抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能均被評(píng)為A級(jí)。
5052合金只在退火（300℃～360℃）或冷加工硬化狀態(tài)下使用，它的優(yōu)秀抗蝕性只在β相沿晶內(nèi)和晶界均勻分布的情況下，才能顯示出來(lái)，同時(shí)有極高的穩(wěn)定性，無(wú)論是退火或冷加工狀態(tài)，在室溫或低溫或敏化處理溫度（67℃～177℃）長(zhǎng)時(shí)間加熱，均不形成沿晶β相網(wǎng)膜，對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）和剝落腐蝕（EFC）也不敏感。但Mg含量＞3.5%的合金則不是這樣。
“天眼”中的鋁材
中國(guó)“天眼”所用的鋁合金板材與擠壓鋁材都是中鋁西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“西南鋁”）提供的，它的4450塊反射面單元是用西南鋁的板材加工的。除了第一“天眼”正式啟用外，中國(guó)還有內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟正鑲白旗草原深處的專門(mén)“看”太陽(yáng)的“草原天眼”，占地10平方千米，排列著100面白色的拋物面天線陣列，這就是被譽(yù)為“草原天眼”的明安圖射電頻譜日像儀群，英文縮寫(xiě)名為MUSER。MUSER項(xiàng)目2008年開(kāi)工建設(shè)，2013年開(kāi)始進(jìn)行一系列太陽(yáng)射電觀測(cè)，還將投資1.3億元，進(jìn)行二期建設(shè)，占地215畝，預(yù)計(jì)2023年建成，2025年投入使用。
2015年1月西南鋁就組建起以“銷售十技術(shù)”“技術(shù)＋銷售”的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，前瞻性地做好FAST市場(chǎng)開(kāi)發(fā)，及時(shí)加強(qiáng)與射電望遠(yuǎn)鏡面設(shè)計(jì)方——中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所的溝通協(xié)調(diào)，第一時(shí)間了解與掌握了工程建設(shè)對(duì)鋁材的需求情況。7月初，西南鋁與FAST反射面板生產(chǎn)廠正式簽訂了800噸反射面板和鋁板結(jié)構(gòu)件的全部訂單。為盡快生產(chǎn)出這批需要經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化著色處理的、對(duì)尺寸偏差、表面質(zhì)量、沖孔性能等有特別要求的板材，西南鋁充分整合內(nèi)部資源，發(fā)揮技術(shù)設(shè)備及人才優(yōu)勢(shì)，克服工期緊、任務(wù)重等諸多困難，全面做好毛料組織、質(zhì)量控制、進(jìn)度跟綜各項(xiàng)工作，確保了產(chǎn)品質(zhì)量與工期，在探索宇宙文明的“鋁途”中，西南鋁邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。從2015年7月初簽訂合同到8月底交付最后一批帶卷，僅用了短短一個(gè)多月時(shí)間。
FAST工程是中國(guó)近期九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，能參與這項(xiàng)國(guó)家重大工程建設(shè)，對(duì)中鋁與西南鋁來(lái)說(shuō)，其意義不僅僅是對(duì)材料品質(zhì)的高度認(rèn)可和效益體現(xiàn)，更大的是中鋁公司履行國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程材料保障和西南鋁“國(guó)家利益高于一切”核心價(jià)值的綜合體現(xiàn)，彰顯的是企業(yè)社會(huì)責(zé)任。
這臺(tái)全球第一“天眼"的反射面面積相當(dāng)于近30個(gè)足球場(chǎng)面積，由4450塊反射面單元拼成，制造企業(yè)在收到西南鋁發(fā)來(lái)的鋁合金帶卷后，將其裁切成坯料，然后進(jìn)行機(jī)械加工，加工成所需的形狀與尺寸，從2015年8月2日安裝第一塊反射面開(kāi)始到2016年7月3日安裝完成，共用了11個(gè)月時(shí)間。
中國(guó)歷時(shí)5年建成了FAST，取代了美國(guó)有50年歷史的阿雷西博電離層天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡，成為全球最大的“天眼”，2016年落成時(shí)，來(lái)自世界各地的數(shù)百位科學(xué)家出席了啟動(dòng)儀式。