對于各類航天器常用材料,通過對材料應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行總結(jié),提出了一系列風(fēng)險控制要求,鋁及鋁合金具體如下:
(1)鋁合金的熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等熱物理參數(shù)與鋼、鈦合金及非金屬材料存在明顯差異。例如,在熱真空試驗中曾出現(xiàn)因線膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致鋁合金部件開裂的失效問題。使用異種材料與鋁合金進行裝配時,應(yīng)評估熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等性能差異的影響。
(2)在同時有H112狀態(tài)和F狀態(tài)的鋁合金材料可以選用時,應(yīng)優(yōu)先選用H112狀態(tài)的鋁合金材料。此外,應(yīng)注意大規(guī)格F狀態(tài)的鋁合金材料芯部力學(xué)性能與近表面區(qū)域的力學(xué)性能尤其是延伸率可能存在較大差異且無法被熱處理消除。必須選用大規(guī)格F狀態(tài)的鋁合金材料時,應(yīng)對上述力學(xué)性能差異進行充分驗證。
(3)與防銹鋁和純鋁相比,硬鋁、超硬鋁、鍛鋁的耐腐蝕性能相對較低,這三類鋁合金材料在使用時應(yīng)進行適當(dāng)?shù)姆栏g處理,如包鋁(常用于薄板)、陽極化處理、涂漆等
陽極化處理
(4)超硬鋁合金T6狀態(tài)的強度最高,但與T73等過時效狀態(tài)相比,其斷裂韌度較低、應(yīng)力腐蝕敏感性較高,并具有一定的缺口敏感性。使用T6狀態(tài)的超硬鋁合金應(yīng)注意在零件尺寸變化處采取圓滑過渡,以緩解應(yīng)力集中,制造和裝配中應(yīng)盡量避免或減少附加內(nèi)應(yīng)力。
(5)鋁合金的熱處理常采用硝鹽槽加熱,由于槽液中含有氯元素,可能引發(fā)或加速材料發(fā)生腐蝕及應(yīng)力腐蝕破壞,因此,后續(xù)的檢驗過程中應(yīng)注意對硝鹽痕進行檢驗并做必要的清理。
(6)可熱處理強化的鋁合金,尤其是固溶處理溫度上限與材料開始熔化的溫度接近的鋁合金,在進行固溶熱處理時容易發(fā)生過熱、過燒或產(chǎn)生粗大晶粒組織,應(yīng)在工藝實施過程中嚴格控制加熱裝置各部分的溫度。對易于發(fā)生過燒的鋁合金制品,若其厚度大于30 mm,則固溶處理應(yīng)盡量采用規(guī)定熱處理溫度的下限,對厚度小于4 mm的板材,則應(yīng)盡量采用規(guī)定加熱溫度的上限。冷卻過程應(yīng)根據(jù)合金特點嚴格控制冷卻速度,以免影響合金的耐腐蝕性能(低的淬火速度可能導(dǎo)致出現(xiàn)晶間腐蝕和降低抗應(yīng)力腐蝕性能)或產(chǎn)生不*淬火(未淬透),從而影響力學(xué)性能。淬火轉(zhuǎn)移時間一般不大于15 s。
(7)鋁合金鍛件進行固溶熱處理時,若采用較高的淬火冷卻速度,在獲得較高的機械強度的同時,也將引入更大的殘余應(yīng)力,易導(dǎo)致工件變形或在后續(xù)加工或使用過程中發(fā)生開裂。因此,在能夠保證得到預(yù)期的強度和耐腐蝕性能的前提下,應(yīng)采取盡可能慢的淬火冷卻速度。對有較高尺寸穩(wěn)定性要求的產(chǎn)品,則應(yīng)進行穩(wěn)定化處理。
(8)帶包鋁層的鋁合金板材,應(yīng)注意控制熱處理溫度和次數(shù),以免因基體鋁合金元素在包鋁層內(nèi)擴散,從而降低板材的耐腐蝕性能及力學(xué)性能。
(9)結(jié)構(gòu)用鋁合金應(yīng)具有一定的耐均勻腐蝕、點蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的能力,并應(yīng)避免因構(gòu)成電偶對而發(fā)生電偶腐蝕。可采用鍍覆、涂覆、化學(xué)轉(zhuǎn)化、粘貼保護膜、陽極化等方式加以防護。
(10)鎂(Mg)含量高于3%的鋁合金材料暴露在66 ℃以上的環(huán)境中長期使用時,晶界可析出Al3Mg2相,從而導(dǎo)致材料的晶間腐蝕敏感性增加。若受到應(yīng)力(外部載荷或殘余內(nèi)應(yīng)力)作用,則會增加發(fā)生應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險。對于發(fā)射前需要長期貯存或應(yīng)力水平相對較高的使用方式及長期載人的飛行器的結(jié)構(gòu)(例如空間站),更應(yīng)加以注意。對鎂含量高于3%的鋁合金材料(例如5000系鋁合金),應(yīng)結(jié)合擬用環(huán)境溫度和載荷水平進行晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕敏感性的評估和驗證,證明材料是否能夠滿足使用要求。