对于各类航天器常用材料,通过对材料应用过程中发现的问题进行总结,提出了一系列风险控制要求,铝及铝合金具体如下:
(1)铝合金的热导率、线膨胀系数等热物理参数与钢、钛合金及非金属材料存在明显差异。例如,在热真空试验中曾出现因线膨胀系数不匹配导致铝合金部件开裂的失效问题。使用异种材料与铝合金进行装配时,应评估热导率、线膨胀系数等性能差异的影响。
(2)在同时有H112状态和F状态的铝合金材料可以选用时,应优先选用H112状态的铝合金材料。此外,应注意大规格F状态的铝合金材料芯部力学性能与近表面区域的力学性能尤其是延伸率可能存在较大差异且无法被热处理消除。必须选用大规格F状态的铝合金材料时,应对上述力学性能差异进行充分验证。
(3)与防锈铝和纯铝相比,硬铝、超硬铝、锻铝的耐腐蚀性能相对较低,这三类铝合金材料在使用时应进行适当的防腐蚀处理,如包铝(常用于薄板)、阳极化处理、涂漆等
阳极化处理
(4)超硬铝合金T6状态的强度最高,但与T73等过时效状态相比,其断裂韧度较低、应力腐蚀敏感性较高,并具有一定的缺口敏感性。使用T6状态的超硬铝合金应注意在零件尺寸变化处采取圆滑过渡,以缓解应力集中,制造和装配中应尽量避免或减少附加内应力。
(5)铝合金的热处理常采用硝盐槽加热,由于槽液中含有氯元素,可能引发或加速材料发生腐蚀及应力腐蚀破坏,因此,后续的检验过程中应注意对硝盐痕进行检验并做必要的清理。
(6)可热处理强化的铝合金,尤其是固溶处理温度上限与材料开始熔化的温度接近的铝合金,在进行固溶热处理时容易发生过热、过烧或产生粗大晶粒组织,应在工艺实施过程中严格控制加热装置各部分的温度。对易于发生过烧的铝合金制品,若其厚度大于30 mm,则固溶处理应尽量采用规定热处理温度的下限,对厚度小于4 mm的板材,则应尽量采用规定加热温度的上限。冷却过程应根据合金特点严格控制冷却速度,以免影响合金的耐腐蚀性能(低的淬火速度可能导致出现晶间腐蚀和降低抗应力腐蚀性能)或产生不*淬火(未淬透),从而影响力学性能。淬火转移时间一般不大于15 s。
(7)铝合金锻件进行固溶热处理时,若采用较高的淬火冷却速度,在获得较高的机械强度的同时,也将引入更大的残余应力,易导致工件变形或在后续加工或使用过程中发生开裂。因此,在能够保证得到预期的强度和耐腐蚀性能的前提下,应采取尽可能慢的淬火冷却速度。对有较高尺寸稳定性要求的产品,则应进行稳定化处理。
(8)带包铝层的铝合金板材,应注意控制热处理温度和次数,以免因基体铝合金元素在包铝层内扩散,从而降低板材的耐腐蚀性能及力学性能。
(9)结构用铝合金应具有一定的耐均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂的能力,并应避免因构成电偶对而发生电偶腐蚀。可采用镀覆、涂覆、化学转化、粘贴保护膜、阳极化等方式加以防护。
(10)镁(Mg)含量高于3%的铝合金材料暴露在66 ℃以上的环境中长期使用时,晶界可析出Al3Mg2相,从而导致材料的晶间腐蚀敏感性增加。若受到应力(外部载荷或残余内应力)作用,则会增加发生应力腐蚀的风险。对于发射前需要长期贮存或应力水平相对较高的使用方式及长期载人的飞行器的结构(例如空间站),更应加以注意。对镁含量高于3%的铝合金材料(例如5000系铝合金),应结合拟用环境温度和载荷水平进行晶间腐蚀和应力腐蚀敏感性的评估和验证,证明材料是否能够满足使用要求。