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中南大學在航空航天特種材料/構件制造方向獲突破性進展

2019-01-07 12:10:36 作者：本網整理來源：喻海良科學網博客分享至：

有色金屬材料在航天、航空、軍工等國家戰略領域有著不可替代的作用和地位，新世紀以來國家發展對有色金屬材料的需求更為緊迫和更具前沿挑戰性。中南大學有色金屬優勢學科群長期活躍于本學科前沿和產業發展的技術服務領域，建設了輕質高強有色金屬材料與構件、有色金屬復合材料與構件、有色金屬高溫結構材料與構件研究平臺，組建基礎研究-技術創新-工程化研究-產業應用各環節融合的跨行業、跨學科協同創新團隊，通過承擔國家重大項目，形成本領域前沿（知識、技術、工程）的創新能力，快速響應國家重大需求，解決關鍵難題，取得一系列重要突破。

研制成功Ø10m級重型運載火箭箭體結構件重型運載火箭是我國載人登月、深空探測等重大工程急需的關鍵運載工具，其關鍵技術攻關階段的任務之一是要突破重型運載火箭超大型Ø10m級貯箱過渡環、橢球形箱底瓜瓣、超高強部段對接環框和薄壁高筋大型壁板件等箭體主要結構件制造技術瓶頸，為型號立項做好準備。面對國家這一重大需求，中南大學與航天一院、西南鋁等單位組成聯合攻關團隊，突破了超大規格鑄錠的高品質制備、超大型環件高性能整體成形制造、大型橢球形瓜瓣復雜曲面高精度蠕變時效成形制造、超高強部段對接環框成形制造、薄壁高筋大型壁板件快速精確成形制造等關鍵技術，已成功研制出國內最大的高性能Ø10m級整體貯箱過渡環、橢球形箱底瓜瓣、超高強部段對接環框和薄壁高筋大型壁板件等箭體主要結構件，形成了從材料到構件一體化制造的系列核心技術，制成的幾類大型構件綜合性能指標全面突破設計要求，圓滿完成重型運載火箭箭體主要結構件制造的預研，為我國重型運載火箭立項提供了重要支撐。

圖1 重型運載火箭箭體主要結構件

研制成功重載火箭發動機用耐高溫密封件

液氧煤油發動機以液態氧和煤油為動力，比傳統發動機效能提高了15~20%，而且安全環保，是我國新一代長征系列重載火箭的主力發動機。發動機渦輪端軸密封零部件，運轉速度快、壓力大、對材料的高溫強度、耐磨性能要求非常高。中南大學克服了銅和石墨比重差異大，易偏析的難題，對工藝過程進行了全面優化，形成了高均勻混合、超高溫致密化等關鍵技術，成功制備多批次的120噸級大推力火箭發動機用密封件，通過了現場考核。2015至2016年，粉末冶金銅/石墨密封環材料先后在新一代長征6號、長征7號和長征5號三種大推力運載火箭上成功應用，受到了航天部門的嘉獎。

為大飛機提供了機輪剎車系統制造的關鍵技術與產品

C919大飛機是我國增強國家核心競爭力的重大專項工程，機輪剎車系統是飛機起落安全保障的關鍵。針對C919大飛機機輪剎車系統“材料與結構的可靠性問題”和“材料與系統的匹配性問題”兩大技術難題，中南大學突破了飛機機輪高強鋁合金輪轂均質制備、長壽命高可靠性剎車材料制備、材料與系統優化集成三大技術瓶頸，為C919大型客機獨家提供了機輪剎車系統系列關鍵技術及產品，實現了C919機輪剎車系統的國產化，為我國首架大型客機成功試飛提供重要支撐。

圖2 C919大飛機機輪剎車系統

突破了船用電機轉子超厚高強高導銅合金互連及異種銅合金密封連接用超聲攪拌摩擦焊關鍵技術

船用電機超厚高強高導銅合金轉子、異種銅合金構件的低電阻率、大熔深結構焊接是亟待突破的關鍵技術。中南大學發明了首臺超厚銅合金超聲攪拌摩擦焊接專用裝備與工藝技術，突破了電機轉子焊縫無損檢測以及缺陷補焊關鍵技術，首次將電機轉子相關構件用超聲攪拌摩擦焊連接，解決了異種銅合金高溫焊接導致弱化性能等技術難題，實現了船用大型電機轉子、超厚銅合金的大焊深、低電阻率、高強度連接，使電機與發電機轉子導條連接電阻降至常規焊1/10，大幅提升了電機性能，此轉子已成功應用于船舶，中南大學已成為國內唯一為船舶產品銅合金構件提供超聲攪拌摩擦焊接的技術研發基地，為我國新型船舶研制提供了性能升級的變革性技術。

圖3 超聲攪拌摩擦焊接新工藝與典型件

開發了重要航空航天用高性能新材料高品質大規格鑄錠、高性能鋁合金厚板/型材是航空航天關鍵承力構件制造所需的重要基礎材料，大鑄錠成分偏析、厚板/型材性能低一直是國產化材料制備存在的主要難題。中南大學突破了鋁合金合金成分優化、微觀組織調控、纖維狀結晶相調控、超聲外場輔助調控鑄錠宏微觀均勻性等關鍵技術，在中南大學成功制成Ø1380×3600mm2219鋁合金、Ø630mm和Ø830mm系列2A14鋁合金高品質鑄錠，為我國重型運載火箭等特種超大型結構件批量制造提供了材料保證；中南大學與東輕公司、北京有色院、北京航材院等單位合作，突破了超強7XXX鋁合金主成分優化、多級熱處理等關鍵技術，研制成功綜合性能達到服役要求的大飛機上翼壁板用超強7XXX鋁合金長厚板；中南大學聯合航天一院、青海國鑫鋁業等公司協同攻關，突破了細晶均質低偏析鑄錠制備、強塑性流變與熱處理協同調控性能等關鍵技術，成功制備了高性能7A99鋁合金型材，機械性能極限強度＞650MPa，屈服強度＞610MPa，延伸率＞13%，為Ø10m級火箭超高強部段對接環框提供了高品質基礎材料。