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钛材在美国航天器上的应用

浏览数量:11     作者:本站编辑     发布时间: 2021-05-26      来源:本站

钛材在航天器上大量应用始于美国,1972年开始研制“水星号”宇宙飞船,1981年首次升空,将人送入太空。飞船质量2t,呈钟形,分为3部分:基础部、密封舱(压力舱)、顶部。压力舱体积1.4m3,主要结构都是用钛合金制造的,约占结构总质量的80%,重达168kg,钛材用量约240kg(采购质量)。密封舱可乘座宇航员,其内蒙皮是用厚0.25mm的纯钛薄板焊的,加固用的为Ti-5Al-2.5Sn钛合金挤压材,它有中等的力学强度,而一部分骨架环是用Ti﹣6Al-4V合金制造的,内蒙皮板焊于其上。Ti-6Al-4V是一个用得多的钛合金之一,是一个综合性很好的合金,不但有高的力学性能,而且可在480℃长期使用,耐热性高、可焊性良好、焊缝有极好的气密性,对调节舱内压力极为有利。这种飞船是用阿特拉斯火箭发射的,火箭的不少结构件,如加强环、连接环等是用钛合金制备的。Ti-5Al-2.5Sn合金的成分(质量%):Al4.5~5.75,Sn2.0~3.0,Fe0.50,C0.08,N0.05,H0.020,O0.20。


1984年“双子星座”飞船升空,是“水星号”飞船的改进型,也是钟形,但钛合金的用量及品种更多了,共用了7种,钛结构件净质量约570kg,占结构净质量的84%。该飞船的内壁为双层,用0.25mm厚的工业纯钛板焊成。用Ti-6Al-4V钛合金的球形压力容器,其抗拉强度可达900MPa;起落架结构件受力大,是用高强度Ti-7AI-4Mo钛合金锻造的,其抗拉强度可达1100MPa或更大一些。


飞船重返大气层时必须减慢速度,这个任务由4个装有固体燃料的圆形火箭完成,每个火箭有2个Ti-6Al-4V焊接的钛合金半圆球件,材料厚1.0mm,偏差严格为+0.17mm,-0.01mm。乘员室的氧气瓶为Ti-6Al-4V或Ti-13V-11Cr-3Al钛合金制的。氧气瓶容积2.5L,压力2059MPa,质量160kg。


“阿波罗”宇宙飞船。此船类似于2020年中国航天局发射的探月工程嫦娥五号。但嫦娥五号未载人,而“阿波罗”则将人送上了月球,在月球表面着陆,然后返回地球,它由飞船船体和“土星-V”大型火箭组成,飞船质量50t,火箭质量2900t。飞船含容积7.65m3的指挥舱、机械舱和登月舱。飞船和火箭结构共用了68t加工钛材。飞船的全部托架、夹具和紧固件都是钛质的。指挥舱、机械舱和登月舱共用了1190kg钛材。


发射牵引系统的塔结构是用钛合金制造的,指挥舱和机械舱的液氢容器和导管、登月舱的低温容器都是用Ti-6Al-4V合金制备的。而登月舱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。“阿波罗”飞船共有40多个压力容器,其中约有85%是用钛合金制的,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℃具有高的韧性,所以液氢和超临界氦容器是用此合金制的。


航天飞机是沟通地面和空间站之间的交通工具,所以又称空间渡船,要求能多次使用,最好能达100次或更多些,它在进入大气层时,其机身和机翼上半面温度可达180℃~815℃,因此,某些部位的构件需用耐热的钛合金制造,例如上机身骨架用Ti/B-Al复合材料,尾翼、机翼粱和肋等都是用钛合金制备的,油压配管为Ti-3Al-2.5V合金无缝管,同时使系统的质量减轻了40%以上,为了降低对疲劳断裂的敏感性和提高系统的服务期限,各种管件的成形和装配都是自动化的。


“阿波罗”飞船钛合金压力容器用的材料、尺寸及最大工作压力见下表。

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铭森金属位于“中国钛谷”宝鸡市。主要业务以钛及钛合金材料的深加工生产为主;可根据客户的要求提供特殊要求和规格的钛加工产品,同时对外承接加工各种钛配件及精加工业务。

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