這個世界最大的瓜瓣，是“慢工出細活”的成果_風聞

文\科工力量專欄作者 高航

2018年7月初，由航天科技集團下屬中國運載火箭研究院（以下簡稱“火箭院”）與中南大學聯合研製的全世界最大的火箭燃料貯箱瓜瓣成功下線。該瓜瓣直徑為10m級，力學性能比國際主流產品提高了近10%，且成型精度達到了毫米數量級。

瓜瓣是火箭燃料貯箱的關鍵結構件之一，目前直徑10m級的燃料貯箱箱底還無法整體成形，只能以瓜瓣形式進行焊接。瓜瓣的成形精度和性能直接影響燃料貯箱結構的焊接質量和整個火箭的結構效率。此前，美國土星五號運載火箭的燃料貯箱也採用直徑10m級的瓜瓣，但每一塊瓜瓣都是由數塊結構件拼焊而成，工藝複雜，生產週期漫長，而且成本相當高昂；但是此次火箭院和中南大學聯合研製的瓜瓣則是一次成形的，是目前全世界最大的火箭燃料貯箱單體瓜瓣。而該瓜瓣之所以能夠研製成功，是因為首次在火箭結構件上創新性地採用了“蠕變時效成形(Creep-age Forming)”這一先進製造技術。

所謂“蠕變(Creep)”是指固體材料在一定温度下，被遠小於其屈服極限的外力長時間持續作用，產生的形變隨着時間的推移逐漸增大的現象。比如生活中我們經常會發現鞋帶和腰帶隨着時間的推移越來越松，這就是典型的蠕變現象。

一般的情況下，蠕變現象被認為是一種有害的行為，比如航空發動機的葉片如果不採取特殊措施進行處理，就會在高温情況下產生蠕變，從而造成嚴重的後果。錸之所以成為戰略金屬，就是因為它能夠有效的抑制航空發動機葉片的高温蠕變。但是在某些特定場合，人們卻可以利用材料的蠕變現象來對特定的結構件進行成形操作，這就是蠕變時效成形技術。

蠕變時效成形技術的工藝過程大致可分為三個階段。

首先，在常温下將坯料通過一定的加載方式使之產生彈性變形，並固定在具有一定外形型面的模具上。加載方式一般採用衝頭衝壓的方式，而在航空製造領域則較多的採用真空模具，即將板材固定在一個具有凹面的模具上並保證板材和模具之間的氣密性，然後將板材和模具之間的凹腔抽真空，使得板材在大氣壓力作用下緊貼在模具上。

然後，將坯料和模具一起送入加熱爐或者熱壓罐內，在一定温度下加熱並保温一段時間（也就是所謂的“人工時效”），在此過程中，坯料受到蠕變、應力鬆弛和時效機制的作用，內部組織和結構均會發生較大變化。

最後，將坯料和模具取出並卸載，此時坯料的部分形變在蠕變和應力鬆弛的作用下轉變為永久變形，並完成時效強化，最終獲得所需外形，形成成品零部件。

與傳統的塑性加工技術相比，蠕變時效成形技術的優勢主要在以下幾個方面。

蠕變時效成形加載的應力遠小於材料的屈服強度，大大減小了材料因為進入屈服狀態引發失穩甚至破裂的危險，可以基本消除加工裂紋（包括材料內部的微裂紋）。

蠕變時效成形技術還可以利用材料的時效強化和應力鬆弛效應，在一次成形的同時進行時效強化，改善材料的微觀組織，提高成品零部件的強度，縮短了加工製造的週期。

蠕變時效成形技術具有很高的成形精度、可重複性和成形效率。因為通常只需要一次熱循環就可以使得零部件外形達到所需要求，並且能做到小於1mm的外形精度誤差。

蠕變時效成形技術可以使得材料內部的殘餘應力做到近乎完全釋放，尺寸穩定，不會出現其他成形和強化方式製造的零部件在放置一段時間之後由於殘餘應力的釋放導致的外形變化等問題；對於已經經過焊接的零部件，該技術還能有效的降低焊接殘餘應力，增強零部件對應力腐蝕的抵抗能力，從而延長使用壽命。

蠕變時效成形技術的缺點主要有二：一是工藝參數複雜且相互耦合，不經過大量的試驗根本無法摸索出其中的規律，而大量的試驗必然會消耗大量的人力物力和材料；其二是專用設備尤其是專用工裝比較複雜，而且需要高昂的投資，資金和技術門檻過高。

自從20世紀60年代以來，蠕變時效成形技術在美國等航空製造強國蓬勃發展，並已經成功應用於多款軍用飛機和民用飛機。如美國B-1B戰略轟炸機的機翼上下壁板，其材料為2419鋁合金，厚度沿着翼展方向從63.5mm(2.5in)劇變到僅有2.54mm(0.1in)，為了滿足其製造要求，美國Textron公司專門開發了熱壓罐蠕變時效成形技術，使得該零部件的外形精度達到極高水準，裝配貼合度可控制在0.25mm(0.01in)之內。又如空中客車A380大型客機的機翼上壁板，其材料為7075鋁合金，長度達33m，寬度達2.8m，厚度沿着翼展方向從28mm劇變到3mm，採用蠕變時效成形技術製造的成品零部件裝配貼合度可控制在1mm以內。

蠕變時效成形技術的核心是專用工裝的設計製造，尤其是工裝型面的優化極為關鍵，因為不可能把所有的變形都轉化為塑性變形，對於回彈量的預測和估計就變得非常重要。

長期以來，美歐在蠕變時效成形方面的核心關鍵技術對我國是嚴密封鎖的，然而我國的科技工作者經過長期的努力，完全依靠自己的力量攻克並掌握了這一先進製造技術。新世紀以來，該技術已經成功的應用於我國多個型號的軍用飛機，並取得了良好的效果。此次運載火箭10m直徑燃料貯箱瓜瓣的成功研製，更是蠕變時效成形技術在火箭結構零部件製造方面的全球首次應用，其突破意義不言而喻。正因為有了這些源源不斷的技術突破，我國邁向航天強國的步伐才顯得更加鏗鏘有力。

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