Aluminiumlegierung für Raketentreibstofftank
Strukturmaterialien stehen in engem Zusammenhang mit einer Reihe von Themen wie dem Design der Raketenkörperstruktur, der Herstellungs- und Verarbeitungstechnologie, der Materialaufbereitungstechnologie und der Wirtschaftlichkeit und sind der Schlüssel zur Bestimmung der Startqualität und Nutzlastkapazität der Rakete. Entsprechend dem Entwicklungsprozess des Materialsystems kann der Entwicklungsprozess von Materialien für Raketentreibstofftanks in vier Generationen unterteilt werden. Bei der ersten Generation handelt es sich um Aluminiumlegierungen der 5er-Serie, also Al-Mg-Legierungen. Die repräsentativen Legierungen sind 5A06- und 5A03-Legierungen. Sie wurden Ende der 1950er Jahre zur Herstellung von Treibstofftankstrukturen für P-2-Raketen verwendet und werden auch heute noch verwendet. 5A06-Legierungen mit 5,8 % Mg bis 6,8 % Mg, 5A03 ist eine Al-Mg-Mn-Si-Legierung. Die zweite Generation besteht aus 2er-Legierungen auf Al-Cu-Basis. Die Lagertanks der chinesischen Trägerraketenserie „Langer Marsch“ bestehen aus 2A14-Legierungen, bei denen es sich um eine Al-Cu-Mg-Mn-Si-Legierung handelt. Von den 1970er Jahren bis heute begann China mit der Herstellung von Lagertanks aus der Legierung 2219, einer Al-Cu-Mn-V-Zr-Ti-Legierung, die häufig bei der Herstellung verschiedener Lagertanks für Trägerraketen verwendet wird. Gleichzeitig wird es auch häufig in der Struktur von Niedertemperatur-Kraftstofftanks für Waffenabschüsse verwendet, bei denen es sich um eine Legierung mit hervorragender Leistung bei niedrigen Temperaturen und umfassender Leistung handelt.
Aluminiumlegierung für Kabinenstruktur
Seit der Entwicklung von Trägerraketen in China in den 1960er Jahren bis heute werden die Aluminiumlegierungen für die Kabinenstruktur von Trägerraketen von den Legierungen 2A12 und 7A09 der ersten und zweiten Generation dominiert, während das Ausland mit der vierten Generation begonnen hat Aluminiumlegierungen für die Kabinenstruktur (7055-Legierung und 7085-Legierung) werden aufgrund ihrer hohen Festigkeitseigenschaften, geringen Abschreckempfindlichkeit und Kerbempfindlichkeit häufig verwendet. 7055 ist eine Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Legierung und 7085 ist ebenfalls eine Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Legierung, aber der Gehalt an Verunreinigungen Fe und Si ist sehr niedrig und der Zn-Gehalt ist mit 7,0 % hoch. ~8,0 %. Die Al-Li-Legierungen der dritten Generation, dargestellt durch 2A97, 1460 usw., werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, ihres hohen Moduls und ihrer hohen Dehnung in ausländischen Luft- und Raumfahrtindustrien eingesetzt.
Partikelverstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe bieten die Vorteile eines hohen Moduls und einer hohen Festigkeit und können als Ersatz für 7A09-Legierungen zur Herstellung von Halbmonocoque-Kabinenstringern verwendet werden. Das Institut für Metallforschung, die Chinesische Akademie der Wissenschaften, das Harbin Institute of Technology, die Shanghai Jiaotong University usw. haben viel Arbeit in die Forschung und Herstellung von partikelverstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen geleistet und dabei bemerkenswerte Erfolge erzielt.
Al-Li-Legierungen, die in der ausländischen Luft- und Raumfahrt verwendet werden
Die erfolgreichste Anwendung bei ausländischen Luft- und Raumfahrtfahrzeugen ist die von Constellium und dem Quebec RDC entwickelte Weldalite Al-Li-Legierung, einschließlich der Legierungen 2195, 2196, 2098, 2198 und 2050. 2195-Legierung: Al-4,0Cu-1,0Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, die erste Al-Li-Legierung, die erfolgreich für die Herstellung von Niedertemperatur-Treibstoffspeichertanks für Raketenstarts kommerzialisiert wurde. 2196-Legierung: Al-2,8Cu-1,6Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, niedrige Dichte, hohe Festigkeit, hohe Bruchzähigkeit, ursprünglich für Hubble-Solarpanel-Rahmenprofile entwickelt, wird heute hauptsächlich zum Extrudieren von Flugzeugprofilen verwendet. 2098-Legierung: Al-3,5 Cu-1,1Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, ursprünglich für die Herstellung des HSCT-Rumpfes entwickelt. Aufgrund ihrer hohen Ermüdungsfestigkeit wird sie jetzt im Rumpf des F16-Jagdflugzeugs und im Starttreibstofftank des Raumfahrzeugs Falcon verwendet . 2198-Legierung: Al-3,2Cu-0,9Li-0,4Mg-0,4Ag-0,1Zr, wird zum Walzen von Blechen für Verkehrsflugzeuge verwendet. 2050-Legierung: Al-3,5Cu-1,0Li-0,4Mg-0,4Ag-0,4Mn-0,1Zr, wird zur Herstellung dicker Platten als Ersatz für dicke Platten aus der Legierung 7050-T7451 für die Herstellung von Verkehrsflugzeugstrukturen oder Raketenstartkomponenten verwendet. Im Vergleich zur 2195-Legierung ist der Cu+Mn-Gehalt der 2050-Legierung relativ niedrig, um die Abschreckempfindlichkeit zu verringern und die hohen mechanischen Eigenschaften der dicken Platte aufrechtzuerhalten, die spezifische Festigkeit ist 4 % höher, der spezifische Modul ist 9 % höher, und die Bruchzähigkeit wird durch hohe Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit und hohe Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit sowie hohe Temperaturstabilität erhöht.
Chinas Forschung zu Schmiederingen für Raketenstrukturen
Chinas Produktionsbasis für Trägerraketen befindet sich in der Tianjin Economic and Technological Development Zone. Es besteht aus einem Bereich für Raketenforschung und -produktion, einem Industriebereich für Luft- und Raumfahrttechnik und einem Bereich für Hilfsunterstützung. Es integriert die Produktion von Raketenteilen, die Komponentenmontage und die Endmontageprüfung.
Der Raketentreibstoff-Lagertank wird durch die Verbindung von Zylindern mit einer Länge von 2 m bis 5 m gebildet. Die Lagertanks bestehen aus einer Aluminiumlegierung und müssen daher mit Schmiederingen aus Aluminiumlegierung verbunden und verstärkt werden. Darüber hinaus müssen Verbindungsschmiederinge, Übergangsringe, Übergangsrahmen und andere Teile von Raumfahrzeugen wie Trägerraketen und Raumstationen ebenfalls verwendet werden, sodass Schmiederinge eine sehr kritische Art von Verbindungs- und Strukturteilen sind. Southwest Aluminium (Group) Co., Ltd., Northeast Light Alloy Co., Ltd. und Northwest Aluminium Co., Ltd. haben viel Arbeit in der Forschung und Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von Schmiederingen geleistet.
Im Jahr 2007 überwand Southwest Aluminium technische Schwierigkeiten wie Großguss, Schmieden des Knüppels, Ringwalzen und Kaltverformung und entwickelte einen Schmiedering aus Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 5 m. Die ursprüngliche Kernschmiedetechnologie füllte die inländische Lücke und wurde erfolgreich auf Long March-5B angewendet. Im Jahr 2015 entwickelte Southwest Aluminium den ersten supergroßen Gesamtschmiedering aus Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 9 m und stellte damit einen Weltrekord auf. Im Jahr 2016 eroberte Southwest Aluminium erfolgreich eine Reihe wichtiger Kerntechnologien wie Rollformen und Wärmebehandlung und entwickelte einen supergroßen Schmiedering aus Aluminiumlegierung mit einem Durchmesser von 10 m, der einen neuen Weltrekord aufstellte und ein wichtiges technisches Schlüsselproblem löste für die Entwicklung von Chinas schwerer Trägerrakete.
Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminium
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 01.12.2023
