航天大型2219铝合金环件形性精准协同制造的科学基础

Large aluminum alloy ring is crucial component in the tank of launch vehicle, which was used in transitional zone between the dome and tube of the tank. Nowadays, the large ring who's material is 2219 aluminum alloy has low and distributed properties for both base mental and welding joint. This shortage severely restricted the light-precise design and high reliable manufacturing of the 5m diameter tank in CZ-5 launch vehicle, which was used in liquid oxygen or liquid hydrogen temperature. Therefore, the investigation will be carried out from the original section for the large ring, the basic scientific problems will be researched on the manufactring of high-quality ingot, and the manufactring of high-quality ring, and the welding of the joint with high strength and toughness, develop the new theories, new technologies, and new processes in the manufacturing of large aluminum alloy ring, achieve the shape and properties cooradinate results for the ring, and solve the bottleneck problem for the 5m diameter tank.

大型铝合金环件是运载火箭贮箱结构中的重要部件，用于贮箱过渡环关键区域。当前工程应用的2219铝合金大型环件存在基体性能和焊接接头性能偏低且不稳定的问题，严重制约了我国长征五号运载火箭5m直径低温贮箱的轻质精细设计和高可靠制造。对此，从铝合金环件的制造源头出发，通过研究高品质铸锭制造、高均质锻环成形、高性能接头焊接等工艺过程中的基础科学问题，发展形/性协同制造的新原理、新技术和新工艺，实现大型2219铝合金环件复杂成形和高性能成性的全流程精准协同制造，将大型铝合金环件的性能、稳定性等多项指标提升至新水平，切实解决实际工程中的瓶颈问题。

面向长征五号火箭φ5m低温贮箱过渡环关键结构性能低下的实际工程问题，本项目以航天大型2219铝合金环件形/性精准协同制造科学基础为研究主线，在大型高纯、均质、细晶铸锭制造，大规格高性能环件锻、轧、热处理复合制造，熔焊接头强韧化组织与性能调控等方面开展基础研究与技术创新。项目发明了超纯细晶均质大铸锭多场铸造技术，通过“超纯、降Cu”合金成分设计和超声附加多能场耦合调控，首次制备出当前世界最大的直径达1380mm、质量达17吨的高品质2219铝合金铸锭，铸锭粗大结晶相分数减少50%以上，成分均匀性提高20%以上；发明了超大铝合金锻件高温多向锻造开坯和大型环件多级多相形/性协同环轧新技术，通过高温大流变-高温固溶协同环坯制造和中温环轧-高温固溶-冷变形时效协同环件制造，制备出强度较传统工艺提高15%、延伸率提高100%的高性能2219铝合金φ5m整体环件；发明了大型2219环件高性能复合焊新技术，通过“直流氦弧熔透+变极性氩弧摆动盖面”焊接方法，实现φ5m低温贮箱焊接接头抗拉强度提升18%，延伸率升33%以上。项目发表论文64篇，授权专利7项，获得软件著作权2项，获得中国机械工业科技进步一等奖和上银优秀机械博士论文金奖等科技奖励。研究成果直接在长征五号火箭φ5m低温贮箱过渡环关键结构的制造中得到工程应用，实现贮箱承载剩余强度系数由1.02提升至1.39，有效提高了火箭贮箱结构的可靠性，支撑长征五号火箭发射嫦娥五号月球探测器和长征五号乙火箭首飞等任务取得圆满成功，为我国空间站建设和深空探测等重大工程实施奠定基础。项目研究成果还被推广应用于重型运载火箭用9.5m直径2219铝合金环件研制和新一代中型运载火箭用3.35m直径2219铝合金环件性能提升，支撑了我国航天装备能力提升和跨代发展。