TC4鈦合金在美國阿波羅飛船中的應(yīng)用

鈦材在航天器上大量應(yīng)用始于美國。1972年，美國開始研制“水星號”宇宙飛船，1981年首次升空，將人送入太空。飛船質(zhì)量2t，呈鐘形，分為3部分：基礎(chǔ)部、密封艙（壓力艙）、頂部。壓力艙體積1.4m3，主要結(jié)構(gòu)都是用鈦合金制造的，約占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的80%，重達(dá)168kg，鈦材用量約240kg（采購質(zhì)量）。密封艙可乘坐宇航員，其內(nèi)蒙皮是用厚0.25mm的純鈦薄板焊的，加固用的肋為Ti-5Al-2.5Sn鈦合金擠壓材，它有中等的力學(xué)強(qiáng)度，而一部分骨架環(huán)是用Ti-6Al-4V合金制造的，內(nèi)蒙皮板焊于其上。Ti-6Al-4V是一個用得多的鈦合金之一，是一個綜合性很好的合金，不但有高的力學(xué)性能，而且可在480℃長期使用，耐熱性高，可焊性良好，焊縫有極好的氣密性，對調(diào)節(jié)艙內(nèi)壓力極為有利。這種飛船是用阿特拉斯火箭發(fā)射的，火箭的不少結(jié)構(gòu)件，如加強(qiáng)環(huán)、連接環(huán)等是用鈦合金制備的。Ti-5Al-2.5Sn合金的成分（質(zhì)量%）：Al4.5-5.75，Sn2.0-3.0，F(xiàn)e0.50，C0.08，N0.05，H0.020，O（氧）0.20。

1984年，美國“雙子星座”飛船升空，這是“水星號”飛船的改進(jìn)型，也是鐘形，但鈦合金的用量及品種更多了，共用了7種，鈦結(jié)構(gòu)件凈質(zhì)量約570kg，占結(jié)構(gòu)凈質(zhì)量的84%。該飛船的內(nèi)壁為雙層，用0.25mm厚的工業(yè)純鈦板焊成。用Ti-6Al-4V鈦合金的球形壓力容器如下圖所示，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)900MPa；起落架結(jié)構(gòu)件受力大，是用高強(qiáng)度Ti-7AI-4Mo鈦合金鍛造的，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1100MPa或更大一些。

飛船重返大氣層時必須減慢速度，這個任務(wù)由4個裝有固體燃料的圓形火箭完成，每個火箭有2個Ti-6Al-4V焊接的鈦合金半圓球件，材料厚1.0mm，偏差嚴(yán)格為+0.17mm，-0.01mm。乘員室的氧氣瓶為Ti-6Al-4V或Ti-13V-11Cr-3Al鈦合金制的。氧氣瓶容積2.5L，壓力2059MPa，質(zhì)量160kg。

圖1   Ti-6Al-4V合金的球形壓力容器

“阿波羅”宇宙飛船。此船類似于2020年中國航天局發(fā)射的探月工程嫦娥五號。但嫦娥五號未載人，而“阿波羅”則將人送上了月球，在月球表面著陸，然后返回地球，它由飛船船體和“土星-V”大型火箭組成，飛船質(zhì)量50t，火箭質(zhì)量2900t。飛船含容積7.65m3的指揮艙、機(jī)械艙和登月艙。飛船和火箭結(jié)構(gòu)共用了68t加工鈦材。飛船的全部托架、夾具和緊固件都是鈦質(zhì)的。指揮艙、機(jī)械艙和登月艙共用了1190kg鈦材。

發(fā)射牽引系統(tǒng)的塔結(jié)構(gòu)是用鈦合金制造的，指揮艙和機(jī)械艙的液氫容器和導(dǎo)管、登月艙的低溫容器都是用Ti-6Al-4V合金制備的。而登月艙下降部分的容器需要有更大的塑性，因而用Ti-5Al-2.5Sn合金制造。“阿波羅”飛船共有40多個壓力容器，其中約有85%是用鈦合金制的，以Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金制造四氧化二氮、氦、氮和燃料容器。由于Ti-5Al-2.5Sn合金在-252.7℃具有高的韌性，所以液氫和超臨界氦容器是用此合金制的。

航天飛機(jī)是溝通地面和空間站之間的交通工具，所以又稱空間渡船，要求能多次使用，最好能達(dá)100次或更多些，它在進(jìn)入大氣層時，其機(jī)身和機(jī)翼上半面溫度可達(dá)180℃-815℃，因此，某些部位的構(gòu)件需用耐熱的鈦合金制造，例如，上機(jī)身骨架用Ti/B-Al復(fù)合材料，尾翼、機(jī)翼粱和肋等都是用鈦合金制備的，油壓配管為Ti-3Al-2.5V合金無縫管，同時使系統(tǒng)的質(zhì)量減輕了40%以上，為了降低對疲勞斷裂的敏感性和提高系統(tǒng)的服務(wù)期限，各種管件的成形和裝配都是自動化的。

“阿波羅”飛船鈦合金壓力容器用的材料、尺寸及最大工作壓力見下表。