TC4钛合金在美国阿波罗飞船中的应用

钛材在航天器上大量应用始于美国。1972年，美国开始研制“水星号”宇宙飞船，1981年首次升空，将人送入太空。飞船质量2t，呈钟形，分为3部分：基础部、密封舱（压力舱）、顶部。压力舱体积1.4m3，主要结构都是用钛合金制造的，约占结构总质量的80%，重达168kg，钛材用量约240kg（采购质量）。密封舱可乘坐宇航员，其内蒙皮是用厚0.25mm的纯钛薄板焊的，加固用的肋为Ti-5Al-2.5Sn钛合金挤压材，它有中等的力学强度，而一部分骨架环是用Ti-6Al-4V合金制造的，内蒙皮板焊于其上。Ti-6Al-4V是一个用得多的钛合金之一，是一个综合性很好的合金，不但有高的力学性能，而且可在480℃长期使用，耐热性高，可焊性良好，焊缝有极好的气密性，对调节舱内压力极为有利。这种飞船是用阿特拉斯火箭发射的，火箭的不少结构件，如加强环、连接环等是用钛合金制备的。Ti-5Al-2.5Sn合金的成分（质量%）：Al4.5-5.75，Sn2.0-3.0，Fe0.50，C0.08，N0.05，H0.020，O（氧）0.20。

1984年，美国“双子星座”飞船升空，这是“水星号”飞船的改进型，也是钟形，但钛合金的用量及品种更多了，共用了7种，钛结构件净质量约570kg，占结构净质量的84%。该飞船的内壁为双层，用0.25mm厚的工业纯钛板焊成。用Ti-6Al-4V钛合金的球形压力容器如下图所示，其抗拉强度可达900MPa；起落架结构件受力大，是用高强度Ti-7AI-4Mo钛合金锻造的，其抗拉强度可达1100MPa或更大一些。

飞船重返大气层时必须减慢速度，这个任务由4个装有固体燃料的圆形火箭完成，每个火箭有2个Ti-6Al-4V焊接的钛合金半圆球件，材料厚1.0mm，偏差严格为+0.17mm，-0.01mm。乘员室的氧气瓶为Ti-6Al-4V或Ti-13V-11Cr-3Al钛合金制的。氧气瓶容积2.5L，压力2059MPa，质量160kg。

图1   Ti-6Al-4V合金的球形压力容器

“阿波罗”宇宙飞船。此船类似于2020年中国航天局发射的探月工程嫦娥五号。但嫦娥五号未载人，而“阿波罗”则将人送上了月球，在月球表面着陆，然后返回地球，它由飞船船体和“土星-V”大型火箭组成，飞船质量50t，火箭质量2900t。飞船含容积7.65m3的指挥舱、机械舱和登月舱。飞船和火箭结构共用了68t加工钛材。飞船的全部托架、夹具和紧固件都是钛质的。指挥舱、机械舱和登月舱共用了1190kg钛材。

发射牵引系统的塔结构是用钛合金制造的，指挥舱和机械舱的液氢容器和导管、登月舱的低温容器都是用Ti-6Al-4V合金制备的。而登月舱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。“阿波罗”飞船共有40多个压力容器，其中约有85%是用钛合金制的，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℃具有高的韧性，所以液氢和超临界氦容器是用此合金制的。

航天飞机是沟通地面和空间站之间的交通工具，所以又称空间渡船，要求能多次使用，最好能达100次或更多些，它在进入大气层时，其机身和机翼上半面温度可达180℃-815℃，因此，某些部位的构件需用耐热的钛合金制造，例如，上机身骨架用Ti/B-Al复合材料，尾翼、机翼粱和肋等都是用钛合金制备的，油压配管为Ti-3Al-2.5V合金无缝管，同时使系统的质量减轻了40%以上，为了降低对疲劳断裂的敏感性和提高系统的服务期限，各种管件的成形和装配都是自动化的。

“阿波罗”飞船钛合金压力容器用的材料、尺寸及最大工作压力见下表。