中南大学在航空航天特种材料/构件制造方向获突破性进展

2019-01-07 12:10:36 作者：本网整理来源：喻海良科学网博客分享至：

有色金属材料在航天、航空、军工等国家战略领域有着不可替代的作用和地位，新世纪以来国家发展对有色金属材料的需求更为紧迫和更具前沿挑战性。中南大学有色金属优势学科群长期活跃于本学科前沿和产业发展的技术服务领域，建设了轻质高强有色金属材料与构件、有色金属复合材料与构件、有色金属高温结构材料与构件研究平台，组建基础研究-技术创新-工程化研究-产业应用各环节融合的跨行业、跨学科协同创新团队，通过承担国家重大项目，形成本领域前沿（知识、技术、工程）的创新能力，快速响应国家重大需求，解决关键难题，取得一系列重要突破。

研制成功Ø10m级重型运载火箭箭体结构件重型运载火箭是我国载人登月、深空探测等重大工程急需的关键运载工具，其关键技术攻关阶段的任务之一是要突破重型运载火箭超大型Ø10m级贮箱过渡环、椭球形箱底瓜瓣、超高强部段对接环框和薄壁高筋大型壁板件等箭体主要结构件制造技术瓶颈，为型号立项做好准备。面对国家这一重大需求，中南大学与航天一院、西南铝等单位组成联合攻关团队，突破了超大规格铸锭的高品质制备、超大型环件高性能整体成形制造、大型椭球形瓜瓣复杂曲面高精度蠕变时效成形制造、超高强部段对接环框成形制造、薄壁高筋大型壁板件快速精确成形制造等关键技术，已成功研制出国内最大的高性能Ø10m级整体贮箱过渡环、椭球形箱底瓜瓣、超高强部段对接环框和薄壁高筋大型壁板件等箭体主要结构件，形成了从材料到构件一体化制造的系列核心技术，制成的几类大型构件综合性能指标全面突破设计要求，圆满完成重型运载火箭箭体主要结构件制造的预研，为我国重型运载火箭立项提供了重要支撑。

图1 重型运载火箭箭体主要结构件

研制成功重载火箭发动机用耐高温密封件

液氧煤油发动机以液态氧和煤油为动力，比传统发动机效能提高了15~20%，而且安全环保，是我国新一代长征系列重载火箭的主力发动机。发动机涡轮端轴密封零部件，运转速度快、压力大、对材料的高温强度、耐磨性能要求非常高。中南大学克服了铜和石墨比重差异大，易偏析的难题，对工艺过程进行了全面优化，形成了高均匀混合、超高温致密化等关键技术，成功制备多批次的120吨级大推力火箭发动机用密封件，通过了现场考核。2015至2016年，粉末冶金铜/石墨密封环材料先后在新一代长征6号、长征7号和长征5号三种大推力运载火箭上成功应用，受到了航天部门的嘉奖。

为大飞机提供了机轮刹车系统制造的关键技术与产品

C919大飞机是我国增强国家核心竞争力的重大专项工程，机轮刹车系统是飞机起落安全保障的关键。针对C919大飞机机轮刹车系统“材料与结构的可靠性问题”和“材料与系统的匹配性问题”两大技术难题，中南大学突破了飞机机轮高强铝合金轮毂均质制备、长寿命高可靠性刹车材料制备、材料与系统优化集成三大技术瓶颈，为C919大型客机独家提供了机轮刹车系统系列关键技术及产品，实现了C919机轮刹车系统的国产化，为我国首架大型客机成功试飞提供重要支撑。

图2 C919大飞机机轮刹车系统

突破了船用电机转子超厚高强高导铜合金互连及异种铜合金密封连接用超声搅拌摩擦焊关键技术

船用电机超厚高强高导铜合金转子、异种铜合金构件的低电阻率、大熔深结构焊接是亟待突破的关键技术。中南大学发明了首台超厚铜合金超声搅拌摩擦焊接专用装备与工艺技术，突破了电机转子焊缝无损检测以及缺陷补焊关键技术，首次将电机转子相关构件用超声搅拌摩擦焊连接，解决了异种铜合金高温焊接导致弱化性能等技术难题，实现了船用大型电机转子、超厚铜合金的大焊深、低电阻率、高强度连接，使电机与发电机转子导条连接电阻降至常规焊1/10，大幅提升了电机性能，此转子已成功应用于船舶，中南大学已成为国内唯一为船舶产品铜合金构件提供超声搅拌摩擦焊接的技术研发基地，为我国新型船舶研制提供了性能升级的变革性技术。

图3 超声搅拌摩擦焊接新工艺与典型件

开发了重要航空航天用高性能新材料高品质大规格铸锭、高性能铝合金厚板/型材是航空航天关键承力构件制造所需的重要基础材料，大铸锭成分偏析、厚板/型材性能低一直是国产化材料制备存在的主要难题。中南大学突破了铝合金合金成分优化、微观组织调控、纤维状结晶相调控、超声外场辅助调控铸锭宏微观均匀性等关键技术，在中南大学成功制成Ø1380×3600mm2219铝合金、Ø630mm和Ø830mm系列2A14铝合金高品质铸锭，为我国重型运载火箭等特种超大型结构件批量制造提供了材料保证；中南大学与东轻公司、北京有色院、北京航材院等单位合作，突破了超强7XXX铝合金主成分优化、多级热处理等关键技术，研制成功综合性能达到服役要求的大飞机上翼壁板用超强7XXX铝合金长厚板；中南大学联合航天一院、青海国鑫铝业等公司协同攻关，突破了细晶均质低偏析铸锭制备、强塑性流变与热处理协同调控性能等关键技术，成功制备了高性能7A99铝合金型材，机械性能极限强度＞650MPa，屈服强度＞610MPa，延伸率＞13%，为Ø10m级火箭超高强部段对接环框提供了高品质基础材料。