“箭”指深空的关键一“环”

10月31日，在震彻大地的轰鸣中，长征五号B运载火箭托举中国空间站梦天实验舱一飞冲天。中国人期盼千年的“天宫”梦想，近在眼前。

10月31日，长征五号B运载火箭

成功发射梦天实验舱。

运载火箭是人类探索太空的关键运载工具。送火箭上天，必须携带充足的推进剂，存储推进剂的贮箱是运载火箭中质量占比最大的部位。作为“沉重”贮箱的关键承力构件，贮箱过渡环的高性能研制，被视作火箭研发必须突破的一大瓶颈。

应用于长征五号B火箭的高性能直径5米级铝合金整体贮箱过渡环，其工艺研发与制造的背后，离不开钟掘院士领衔的中南大学轻合金研究院科研团队与相关单位数年来的联合攻关。而当中国将目光投向深空、盯准重型运载火箭研发时，团队更是一鼓作气，与航天一院、西南铝、中环海陆等合作单位成功制备出世界上最大直径10米级整体过渡环。这一关键技术的突破，意味着在奔向深空的“长征”中，中国再次稳稳向前迈进一步。

钟掘院士领衔的中南大学轻合金研究院

科研团队

攻坚“卡脖子”，

啃下原材料制备技术“硬骨头”

早在2010年前后，国家就已经开始酝酿重型运载火箭的论证与研制，长征九号运载火箭方案逐渐浮出水面。

将托起我国载人登月、载人登火、深空探测和发射大型航天器等诸多航天任务的长征九号，预计箭体直径达到10米级，起飞质量超过3000吨，近地轨道的运载能力高达140吨，性能直接对标“人类最强火箭”——上世纪将阿波罗号送上月球的美国土星5号运载火箭。

2014年，钟掘院士团队接到长征九号10米级贮箱整体过渡环研制任务。过渡环是火箭贮箱复杂受力的关键结构，也是变形协调的核心部件。此前，大型过渡环通常采用分段拼焊工艺制造，但焊接结构往往需要加厚，质量更重，可靠性也会降低。而整体环件，能够大量减少零件与焊缝数量，也能够尽量避免焊接弱化性能造成的隐患。不过，直径10米级超大过渡环整体制造尚无先例，成形制造面临巨大挑战。

实现“从无到有”，首先要解决的是原材料问题。大型环件整体成形需要超大规格铸锭。但铸锭体积越大，越易产生内外成分不均、气渣含量高、铸造开裂等问题。

直径10米环锻造用的铝合金铸锭重达10吨，当时我国尚未制备出如此超大规格的铝合金铸锭。迈不过的槛在哪儿呢？通过对大尺寸铸锭进行反复研析，科研团队首先探明了引起铸锭开裂、偏析严重、组织不均匀的主要原因，在此基础上创新优化设计了2219 铝合金成分，提出了从成分配比、熔化、搅拌、除渣、精炼等各环节协同调控的技术路线，发明了超纯细晶均质大铸锭超声波辅助制造技术。

通过上百次的实验室研究与20吨铝合金半连续铸造工程化试验，团队攻克了熔体净化、成分均匀化、高品质超大铝合金铸锭制备的技术难题，并于2015年7月首次制备出世界最大直径1.38米的高均质铝合金铸锭。该铸锭实现了晶粒等轴细化，气体含量极低，粗大结晶相分数减少50%以上，成分均匀性提高20%以上，达到世界先进水平。

直径1380mm高品质超大铝合金铸锭

工艺“组合拳”，

让国之重器“身轻体健”

有了高品质的铸锭后，将铸锭制作成环又是一场硬仗。这涉及锻造开坯、轧制、热处理、冷变形等复杂工艺流程。任何环节的一点小失误，都会导致环件研制目标无法实现。

超大环件的结构尺度大、壁薄、刚性弱、对缺陷敏感等特点突出，传统热加工方法试制非常容易出现锻件内部组织极不均匀、环轧件各向性能差异大等突出问题。要想使其达到高性能指标，必须在制造方法上作出革新。为了制备高性能、高品质、近“0”缺陷的复杂结构整体环件，钟掘院士率领科研团队不断突破新原理、新技术、新工艺。

为了寻找最佳方案，科研人员不断往返于实验室与企业之间，完成了两百多件模拟件的工艺试验、上千件试样的组织性能分析、十多件环件的工业化试制，按照“制造一件、检测一件、优化一件”的策略，试制了10余件超大环件，攻克了一系列技术难题。

为了获得均匀、无损伤缺陷的优质环坯，科研团队发明了基于强化原子扩散的高温大流变与高温固溶协同的均质锻造技术，攻克了残余结晶相富集导致的变形损伤、局部性能偏低难题。

面对大型环件轧制过程变形温升和轧制失稳的难题，团队研发出了轧制界面均匀润滑与温度精准控制的新工艺，确保了轧制更加稳定，制备的环件尺寸精度更高。研究过程中，科研人员还注意到，环件中粗大纤维晶粒组织与带状粗大结晶相是影响环件性能的关键因素。在此基础上，团队发明了中温环轧-高温固溶-冷变形时效协同高性能环件制造技术，制备出组织更细小均匀、综合力学性能更优的环件。环件强度较传统工艺提高15%，延伸率提高100%。

科研团队通过逐一突破各工艺环节技术瓶颈与全流程调控，最终实现了大型铝合金环件的形性协同制造。2017年5月，在钟掘院士团队与中国运载火箭技术研究院、西南铝、中环海陆等单位通力合作下，直径10米级世界最大的铝合金整体环件研制成功，力学性能超过了美国宇航标准，为我国“长征九号”超大结构件制造能力论证提供了重要支撑。这一成果入选了2020年度“中国高等学校十大科技进展”。

直径10米级世界最大高性能2219铝合金

整体环件

科研团队将这一系列工艺“组合拳”总结形成了大型铝合金环筒件全流程形性协同制造新工艺体系和规范，并将成果推广应用于航天、军工各类型号用环筒件形性协同制造，大幅提升了我国环筒件制造技术水平。

目前，相关成果已应用在现役的长征五号B、长征五号遥四运载火箭发射，长征九号、新一代载人登月运载火箭贮箱过渡环以及长征七号、八号系列多种型号环件的研制与生产。

往期精彩回顾

来源 | 新闻中心

图片 | 新华社 机电工程学院

作者 | 唐潇珺

编辑 | 熊方杰

审核 | 唐潇珺 韩艳

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