長征五號火箭是個(gè)貨真價(jià)實(shí)的大塊頭，是個(gè)名副其實(shí)的“胖五”，起飛質(zhì)量約870t，配12顆“大心臟”——發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力約10.56MN（1078t力）；低軌道（近軌道）運(yùn)載能力25t，高（地球同步轉(zhuǎn)移）軌道運(yùn)載能力14t級，越過了國際上大型運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力20t，高軌道的10t的“鴻溝”，可與美國的宇宙神五、德爾塔4、歐洲的阿里安等世界主力大型火箭比翼齊飛，完成了脫胎換骨的升級換代。

 

長征五號的“大”還體現(xiàn)在它的外觀上，它的直徑比現(xiàn)役火箭的大50%，它的芯級直徑達(dá)5m，外圍的4個(gè)助推器直徑3.35m，分別比中國現(xiàn)役火箭的大49.3%及49.0%。

 

長五火箭“身高”約57m，比20層樓還高一點(diǎn)點(diǎn)，但比長征二號下運(yùn)載火箭卻矮一些。因而長五火箭可容納多得多的推進(jìn)劑。芯級火箭推進(jìn)劑為-253℃的液氫與-183℃的液氧，助推器的推進(jìn)劑為液氧與煤油，這在中國運(yùn)載火箭發(fā)展歷程中是首次，由于液氫、液氧的溫度很低，所以有人把長五火箭又稱之為“冰箭”，有十幾萬個(gè)零部件。

 

燃料箱體鋁合金造

 

長征五號火箭的起飛質(zhì)量870t，其中液氫（-253℃）與液氧（-183℃）的質(zhì)量占90%，即這兩種燃料的質(zhì)量達(dá)783t。據(jù)報(bào)道，長征五號火箭的研制歷時(shí)10載，突破了以12項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的247項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中有多項(xiàng)是關(guān)于鋁合金材料的。在關(guān)鍵技術(shù)中，新技術(shù)比例幾乎占100%，核心技術(shù)全部擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)了長征火箭的升級換代，使中國一躍進(jìn)入航天強(qiáng)國，也為中國成為鋁加工強(qiáng)國邁出了堅(jiān)實(shí)的一大步。

 

長征五號火箭各大部件是用什么材料制造的未見媒體報(bào)道，但是可以肯定的是，在結(jié)構(gòu)材料中鋁合金肯定是主流，因?yàn)樾炯壔鸺�巨大的液氫液氧貯箱，4個(gè)助推器的液氧、煤油貯箱都應(yīng)是用鋁合金做的，只有鋁合金才能在這種極為嚴(yán)峻的條件下工作：一是它們的密度小，輕巧，為鋼密度的30%左右；低溫性能極佳，沒有低溫脆性，鋁合金的強(qiáng)度與延展性均隨著溫度的降低而同步上升，成為一類絕好的低溫結(jié)構(gòu)材料，成為很難替代的航空航天材料；可加工與可形成性能好，可焊接性能好，尤其是摩擦攪拌焊（FSW）性能，美國大型火箭低溫燃料鋁合金貯箱就是摩擦攪拌焊的。

 

2219鋁合金是絕佳的

 

低溫燃料貯箱材料

 

長征五號大型火箭的液氫（-253℃）與液氧（-183℃）貯箱是用什么鋁合金焊接的，連接固定鍛環(huán)是用什么鋁合金環(huán)鍛的，未見媒體報(bào)道，但是國外發(fā)射大型火箭用的液氫、液氧貯箱不管是美國的，還是日本與歐洲的，都是用2219型鋁合金厚板（>6mm~≤10mm）焊的，板材應(yīng)該是中國鋁業(yè)公司所屬的工廠生產(chǎn)的，它們有生產(chǎn)航空鋁材60年的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，并通過了航空航天部門的認(rèn)證。

 

看看2219型合金的真面目

 

2019合金是美國鋁業(yè)公司（Alcoa）為航空航天工業(yè)研發(fā)的一種高強(qiáng)度、高韌性的高溫耐熱合金，1954年在美國鋁業(yè)協(xié)會(huì)公司注冊，2008年中國將2219與2519合金納入國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3190，自此，2219及2519合金不但是美國合金，也是中國的標(biāo)準(zhǔn)合金，它們的標(biāo)定化學(xué)成分見表1，除含Ti、V外，還都含0.10%~0.25%Zr。

 

2219型合金屬Al-Cu-Mn系，還含有少量的Ti、V、Zr，成分相當(dāng)復(fù)雜，因而合金有良好的高低溫性能，Ti、V、Zr的加入可形成Al3Ti、Al3Zr、Al5V化合物，具有細(xì)化晶粒、提高再結(jié)晶溫度和耐熱性的作用。這類合金是20世紀(jì)50年代初期開始問世，可加工成各種各樣的半成品，用于制造在200℃~300℃與在超低溫下工作的零部件。

 

在Al-Cu-Mn系合金中，Cu與Mn是主要的合金化元素，Cu與Al形成化合物Al2Cu，是主要強(qiáng)化相，2519合金含0.05%~0.40%Mg，因其量太少，不會(huì)形成化合物，全部固溶，稍有固溶強(qiáng)化作用，Ti、Zr、V的化合物呈彌散質(zhì)點(diǎn)分布于基體中，也有一些彌散強(qiáng)化作用。

 

Mn是保證合金耐熱性的主要元素，Ti、Zr、V也有一定的作用。Mn在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)小，能降低Cu在Al中的擴(kuò)散，不但使α（Al）固溶體的分解傾向減少，而且還降低了Al2Cu在高溫下的聚集傾向。Mn的含量不宜>0.4%，否則可形成T相（Al12CuMn2），對合金耐熱性不利。加入少量Mn，一方面因形成Al6Mn對合金耐熱性有利，另一方面可降低焊縫形成裂紋傾向。

 

Mg降低2219、2319、2419合金的可焊性，其含量應(yīng)不大于0.02%，但2519合金卻含有0.05%~0.40%Mg，是為了提高其室溫強(qiáng)度，有利于改善它在150℃~250℃的耐熱性能。

 

雜質(zhì)Zn加快Cu在鋁中的擴(kuò)散，對合金的性能不利。Fe會(huì)與銅形成三元化合物Al7Cu2Fe，降低α（Al）中的銅含量，使合金的強(qiáng)度下降，應(yīng)嚴(yán)加控制。Si降低合金的高溫（300℃）持久強(qiáng)度，屬有害雜質(zhì)。

 

熱處理特性

 

2219型合金的顯著特點(diǎn)是：高的熱強(qiáng)性，優(yōu)秀的低溫性能，可在-270℃~300℃長期使用，使用溫度跨度之大，居鋁合金之冠；擠壓材料沒有擠壓效應(yīng)。這類合金幾乎沒有自然時(shí)效效果，卻有顯著的人工時(shí)效能力。在人工時(shí)效狀態(tài)T6，既有高的強(qiáng)度，又有優(yōu)秀的耐熱性與可焊性。

 

此類合金的固溶處理溫度520℃~535℃，人工時(shí)效規(guī)范160℃~170℃/（10~16）h。在固溶處理時(shí)，在合金中進(jìn)行兩個(gè)相反的過程：一是α（Al）+Al2Cu二元共晶及三元共晶α（Al）+Al2Cu+T（Al12CuMn2）固溶于α（Al）中，二是從α（Al）中析出含Mn相T（Al12CuMn2），呈點(diǎn)狀彌散地分布于α（Al）基地中。淬火后獲得的α（Al）是過飽和的，在人工時(shí)效時(shí)析出Al2Cu和T相，使合金強(qiáng)化。

 

在高溫下，不但T相本身的顯微硬度比Al2Cu的高，而且在高溫長期負(fù)荷下其軟化的百分?jǐn)?shù)也比Al2Cu的少，T相還能顯著提高合金的高溫持久硬度。T相在高溫下比Al2Cu穩(wěn)定得多，不易聚集。

 

良好的低溫性能

 

在鋁合金中，2219型合金的低溫性能久負(fù)盛譽(yù)，液氫、液氧貯箱非它莫屬。2219-T62合金25℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度Rm=400N/mm2，而-195℃時(shí)的為505N/mm2，提高了26.25%，25℃時(shí)的伸長率A=12%，-195℃時(shí)的卻上升到16%，提高了33.33%，隨著溫度的降低，強(qiáng)度與溫度同步升高，非常難能可貴，見表2。

 

2219合金的典型性能

 

2219合金薄板（厚度≤6mm）上都包覆了一層薄薄的7072合金（Cu0.10，Mn0.10，（Si+Fe）0.70，Zn0.80~1.3，Mg0.10，其他雜質(zhì)每個(gè)0.05、總計(jì)0.15，其余為Al），以提高其抗腐蝕性能。

 

典型用途：洲際火箭與航天器火箭的焊接氧化劑箱與燃料箱，超聲速飛機(jī)骨架與結(jié)構(gòu)件。應(yīng)用溫度-270℃~300℃。斷裂韌性高，T8材料有限高的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力。各種狀態(tài)材料的典型拉伸性能見表3。

 

循環(huán)次數(shù)5×108的R.R.摩爾試驗(yàn)的疲勞強(qiáng)度103N/mm2。物理性能：20℃時(shí)密度2840kg/m3，液相線溫度643℃，低熔點(diǎn)共晶體開始熔化溫度543℃，線膨脹系數(shù)：-50℃~20℃時(shí)20.8μm/（m·k），20℃~100℃時(shí)22.5μm/（m·k），20℃~200℃時(shí)23.4μm/（m·k），20℃~300℃時(shí)24.4μm/（m·k）；體脹系數(shù)6.5×10-5m3/（m3·k）；20℃時(shí)比熱容864J/（kg·k）；熱導(dǎo)率：O狀態(tài)材料的170w/（m·k），T31及T37狀態(tài)的116w/（m·k），T62、T81、T87狀態(tài)的130w/（m·k）。

 

電導(dǎo)率：20℃時(shí)的等體積電率，O狀態(tài)的44%IACS，T31、T37、T351狀態(tài)的28%IACS，T62、T81、T87、T851狀態(tài)的30%IACS。電阻率：20℃時(shí)，O狀態(tài)的39nΩ·m，T31、T37、T351狀態(tài)的62nΩ·m，T62、T81、T87、T851狀態(tài)的57nΩ·m。各種材料的電阻溫度系數(shù)20℃時(shí)均為0.1nΩ·m/k。在25℃時(shí)的含53gNaCl及3gH2O2水溶液中對0.1N甘汞電極的電位：T31、T37、T351狀態(tài)材料的-0.64V、T62、T81、T87、T851狀態(tài)的-80V。