近年來，在開發(fā)和利用太空迫切需求的驅(qū)動(dòng)下，航天大國航天運(yùn)載器的發(fā)射次數(shù)屢創(chuàng)新高，均呈現(xiàn)出高密度發(fā)射的特點(diǎn)。相應(yīng)地，高頻率的航天發(fā)射投入也給各國航天部門帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。因此，如何降低單次發(fā)射成本已為國內(nèi)外航天工業(yè)領(lǐng)域所面臨的重要挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)載器重復(fù)使用，被認(rèn)為是降低火箭運(yùn)載成本的有效途徑之一。與一次性運(yùn)載火箭完成發(fā)射后完全廢棄的方式相比，可重復(fù)使用運(yùn)載火箭通過多次回收—發(fā)射，實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用，采用費(fèi)用均攤的原則，大幅降低了單次發(fā)射成本，具有極高的軍事和民用價(jià)值。從技術(shù)發(fā)展規(guī)律來看，航天運(yùn)輸系統(tǒng)從一次性使用向重復(fù)使用發(fā)展，也是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，從一定程度上改變了世界航天發(fā)展的走勢。因此，發(fā)展技術(shù)性能更先進(jìn)、能重復(fù)使用的航天運(yùn)輸系統(tǒng)對于滿足中國未來空間開發(fā)和降低發(fā)射成本等需求具有重要的意義

　　目前，我國現(xiàn)役長征系列及商業(yè)航天企業(yè)的火箭型號(hào)仍為一次性運(yùn)載火箭，可重復(fù)使用運(yùn)載火箭在我國仍處于工程樣機(jī)的研制階段。一次性使用火箭的國內(nèi)現(xiàn)狀導(dǎo)致對以鋁合金為主的箭體結(jié)構(gòu)材料的性能要求仍然集中在單次使用條件下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率等靜態(tài)指標(biāo)，而對于在不同溫度循環(huán)服役條件下的性能研究，尤其是對其疲勞性能的研究還比較缺乏。

　　本文選用目前我國長征系列運(yùn)載火箭箭體常用的第二代[5-6]高性價(jià)比2A14鋁合金為研究對象，以箭體在低溫燃料加注、發(fā)射直至回收過程中的溫度變化作為循環(huán)條件，對該材料在復(fù)雜溫度循環(huán)環(huán)境中的力學(xué)、疲勞性能及其組織變化進(jìn)行了分析與討論，以期對該材料在可重復(fù)使用運(yùn)載器上的應(yīng)用提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

　　試驗(yàn)材料為國內(nèi)某鋁加工廠提供的19 mm厚T651態(tài)的2A14鋁合金板，其化學(xué)成分如表1所示。

　　根據(jù)火箭實(shí)際飛行過程中箭體不同位置的實(shí)際溫度，試驗(yàn)主要考察2個(gè)循環(huán)溫度工況：

　　燃箱、氧箱從地面加注、升空、再到返回地面過程，全程處于極低溫度條件，最高溫度≤5 ℃。考慮到一般發(fā)射前4 h加注，低溫工況停留時(shí)間確定為4 h；試驗(yàn)過程中，采用液氮模擬推進(jìn)劑低溫環(huán)境，溫度為?196 ℃。因此，將室溫—?196 ℃×4 h—室溫，定為1個(gè)循環(huán)，為工況1，循環(huán)次數(shù)為1次和5次。

　　根據(jù)實(shí)際仿真結(jié)果，尾段、過渡段等發(fā)射過程經(jīng)歷高溫的部件最高溫度≤150 ℃，考慮到熱處理強(qiáng)化型鋁合金性能對于溫度十分敏感，因此，本循環(huán)工況選擇2個(gè)溫度，在2A14鋁合金的峰時(shí)效強(qiáng)化溫度（一般為150～160 ℃[7-8]）上下各取1個(gè)溫度點(diǎn)，分別為150 ℃和180 ℃；火箭箭體在該溫度下飛行的時(shí)間一般≤10 min，為了對該條件下2A14鋁合金的性能狀態(tài)進(jìn)行充分考核，本試驗(yàn)將該工況時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格考核，設(shè)定為0.5 h，循環(huán)次數(shù)為5次，即，室溫—設(shè)定溫度（150 ℃和180 ℃）保溫0.5 h—室溫，為工況2。

　　采用AG-X Plus型10 kN拉伸機(jī)測試2A14鋁合金在不同工況下的室溫拉伸性能，得到2A14鋁合金不同工況下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及伸長率，分析不同工況對2A14鋁合金性能的影響。

　　采用MTS Langmark型疲勞試驗(yàn)機(jī)分別測試2A14鋁合金試樣在不同工況下的疲勞性能，并獲得疲勞曲線（S-N曲線）。疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力比為?1，頻率為25 Hz，應(yīng)力幅值為130、140、150、175、200 MPa。得到2A14鋁合金在不同工況下的S-N曲線鋁合金疲勞性能的影響。

　　圖1為2A14鋁合金原始板材的OM圖及SEM圖。從OM圖中可以看出，板材為典型纖維狀再結(jié)晶組織。在組織間存在少量細(xì)小等軸再結(jié)晶組織，該組織為鋁合金厚板經(jīng)過大變形軋制及熱處理后的典型顯微組織狀態(tài)。如圖1（c）和圖1（d）所示，該合金晶間均存在較多的未回溶相和難熔相，并且沿晶界成帶狀分布，其形貌差異較大，對其中比較典型的幾種相進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表1所示。

　　表2為圖1（d）中典型粗大相的EDS分析結(jié)果。根據(jù)表2所示的EDS結(jié)果并結(jié)合表1中的成分組成，可以確定2A14鋁合金中存在較多的Al2Cu相（θ相）及少量的富Si、Fe難熔相，粗大的Al2Cu相分布在鋁基體中。

　　（1）2A14鋁合金的橫向和縱向性能沒有顯著差異，縱向的伸長率略高于橫向的，不同工況下沒有改變材料橫向、縱向力學(xué)性能的均勻性。

　　（2）與材料的初始狀態(tài)的性能相比，低溫循環(huán)（工況1）對材料的室溫力學(xué)性能沒有影響，橫向、縱向均能維持在較高的水平。

　　（3）中溫循環(huán)（工況2）整體上對材料的性能影響較小，但是對于不同的循環(huán)溫度表現(xiàn)出微小的性能差異，在180 ℃下循環(huán)5次，縱向的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低了8 MPa和9 MPa，伸長率基本沒有發(fā)生變化，而在150 ℃下循環(huán)5次，力學(xué)性能基本不受影響。

　　通過疲勞試驗(yàn)獲得2A14鋁合金在不同工況下，應(yīng)力比為?1時(shí)的S-N曲線鋁合金在不同工況下的疲勞性能。2A14鋁合金在不同工況下的S-N曲線鋁合金的疲勞極限均介于150～175 MPa。在5種工況條件下，按照工況1循環(huán)1次、工況2 (180 ℃)循環(huán)5次、工況2 (150 ℃)循環(huán)5次、室溫、工況1循環(huán)5次的順序逐漸往右上方移動(dòng)，說明在同一應(yīng)力幅值下，2A14鋁合金的疲勞壽命也逐漸延長，但增加的并不明顯，說明不同工況下，2A14鋁合金的疲勞性能與室溫條件下沒有明顯區(qū)別。圖 2

　　圖1d）及尺寸幾乎沒有差異，這是因?yàn)殇X合金中的粗大第二相及難熔相的形貌主要受固溶溫度的影響，而本試驗(yàn)中采用的溫度均遠(yuǎn)低于2A14鋁合金的固溶溫度[7-9]，很難對分布于晶粒間的未熔相產(chǎn)生影響。圖 3

　　[10-11]，該θ相分布較為均勻，尺寸主要集中在20～50 nm。工況1及工況2（150 ℃）下的θ相尺寸與原始板材（見圖4a）的更為接近，幾乎沒有變化。這主要是因?yàn)?A14鋁合金的峰時(shí)效溫度一般約為160 ℃，工況1和工況2（150 ℃）的溫度對析出相影響較小。而對于在工況2（180 ℃），由于溫度較高，導(dǎo)致析出相有略微增加的趨勢。對于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，對性能影響最大的是時(shí)效工藝，因?yàn)椴牧系牧W(xué)性能取決于時(shí)效過程中析出相的尺寸和彌散度[12-13]，這與表3中的常溫力學(xué)性能吻合的較好。這也說明火箭箭體結(jié)構(gòu)在重復(fù)利用過程中，箭體結(jié)構(gòu)的絕熱處理尤為重要，尤其是在回收階段，此階段貯箱內(nèi)的低溫推進(jìn)劑即將消耗殆盡，受飛行環(huán)境影響其溫度會(huì)明顯升高，從而對材料的析出相的尺寸、彌散度等產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致材料的性能惡化。圖 4

　　TEM images of the original 2A14 aluminum alloy sheet and it under different working conditions for 5 cycles

　　為了分析不同工況對2A14鋁合金疲勞性能的影響及損傷機(jī)制，對不同工況下2A14鋁合金在175 MPa、200 MPa應(yīng)力幅值下的斷口形貌進(jìn)行觀察。

　　中可以看出，在兩種循環(huán)應(yīng)力作用下，不同工況條件下疲勞斷口的疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)界限很清晰。不同的循環(huán)工況下，疲勞試樣斷口均在試樣的表面出現(xiàn)一個(gè)疲勞源，表面產(chǎn)生微裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生疲勞斷裂。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)斷口較為平整，從疲勞宏觀斷口可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)所占面積最大，并且175 MPa應(yīng)力幅值的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在斷口所占面積大于200 MPa應(yīng)力幅值的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)在斷口所占面積，175 MPa應(yīng)力幅值的瞬斷區(qū)在斷口所占面積小于于200 MPa應(yīng)力幅值的瞬斷區(qū)在斷口所占面積，這說明應(yīng)力幅值越大，循環(huán)次數(shù)越少，材料的疲勞壽命越短。

　　Fracture SEM images of the original 2A14 aluminum alloy sheet and it under different working conditions for 5 cycles

　　為應(yīng)力幅值為175 MPa下2A14鋁合金原始板材及不同工況下循環(huán)5次的斷口裂紋源的SEM圖。從

　　中可以看出，不同溫度循環(huán)對疲勞斷口中裂紋源的形貌沒有明顯的影響，與室溫條件下沒有明顯區(qū)別，疲勞裂紋在2A14鋁合金試樣的表面或近表面處萌生，裂紋在初期擴(kuò)展過程中呈放射狀，出現(xiàn)放射臺(tái)階，這是由于裂紋在擴(kuò)展的過程中沿不同晶面擴(kuò)展導(dǎo)致的。在疲勞源附近，有大量的第二相粒子富集，在循環(huán)應(yīng)力的作用下第二相粒子容易發(fā)生脫落或斷裂，導(dǎo)致微裂紋在此處萌生

　　-15]，因此，為提高鋁合金的疲勞壽命應(yīng)該盡量減小粗大難熔相的尺寸。從圖3中也可以看出，各種循環(huán)工況條件下分布于材料晶間大量第二相粒子尺寸、形貌及分布沒有顯著差異，這也就導(dǎo)致在進(jìn)行疲勞性能測試過程中，萌生疲勞源是一致的，沒有明顯的改變，這也是最終不同溫度循環(huán)下，材料的疲勞性能差異不顯著的根本原因。圖 6

　　Fracture crack source SEM images of the original 2A14 aluminum alloy sheet and it under different working conditions for 5 cycles

　　九游體育

　　根據(jù)以上分析可知，上述工況多次循環(huán)均不會(huì)使2A14鋁合金的組織、性能產(chǎn)生惡化，這為火箭箭體結(jié)構(gòu)材料的可重復(fù)使用提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

　　本文研究了工況1（?196 ℃）、工況2（150 ℃）、工況2（180 ℃）等循環(huán)條件對2A14鋁合金在常溫下的力學(xué)、疲勞性能的影響。得到的主要結(jié)論如下：

　　（1）?196 ℃和150 ℃循環(huán)使用環(huán)境對2A14鋁合金在常溫下的力學(xué)性能和疲勞性能與原始材料的相比沒有顯著的影響，在循環(huán)5次后，2A14鋁合金的性能沒有顯著降低，這是因?yàn)樵撗h(huán)工況對材料的晶粒尺寸，粗大第二相、難熔相尺寸及分布、析出相結(jié)構(gòu)、彌散度等產(chǎn)生較大的影響。

　　九游體育

　　（2）工況2中180 ℃循環(huán)使用環(huán)境導(dǎo)致2A14鋁合金的力學(xué)性能與原始狀態(tài)的相比，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別降低8 MPa和9 MPa，損失相較于150 ℃循環(huán)使用環(huán)境的略大，這主要?dú)w因于180 ℃高于2A14鋁合金的峰時(shí)效溫度，導(dǎo)致析出相略微長大。

　　（3）?196、150、180 ℃不同溫度循環(huán)使用環(huán)境下，2A14鋁合金的疲勞性能與原始狀態(tài)的相比，沒有顯著降低，并且隨著應(yīng)力幅值的降低，2A14鋁合金的疲勞壽命逐漸延長。應(yīng)力比為?1時(shí)，2A14鋁合金的疲勞極限均介于150～175 MPa。