大连万程铝业有限公司

铝合金环件用于连接与捆绑多级火箭的燃料箱，另外也广泛用于风力发电、石油化工、矿山机械、能源电站、核电装置等。在航天领域，铝合金环件是连接重型运载火箭燃料（液氢、液氧、煤油）贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的不可或缺的关键结构件，是重型运载火箭能否成功发射，航天器能否成功升天的关键零部件，为中国航天事业的发展，为中国跻身世界航天大国作出了不可磨灭的贡献。火箭结构中，铝材用量占90%以上，还用了少量的钛合金及其他材料。  

中国火箭环件的发展  

随着中国航天事业的发展，火箭由小到大，铝合金环件也经历了由小到大的发展过程，从最初的3.5m的锻环一步一步扩大到5m级、6m级、9m级、10m级，从而登上世界最大级锻轧铝环绝顶。  

目前，中国可生产铝合金环件的企业有：中铝东北轻合金有限责任公司、中铝西南铝业（集团）有限责任公司、无锡市派克重型铸锻有限公司、中国航天科技集团公司一院211厂、南南铝加工有限公司等。  

首件4m铝合金锻环2006年9月12日在东北轻合金有限责任公司下线  

2003年以来，随着中国航天事业的飞速发展，大推力火箭和航天器所需的铝合金环件直径在不断扩大，但当时还不能生产直径≥5m的铝合金环件，而且除航天领域外，在中远程战略导弹及舰载火炮等兵器也需要大直径环件。此前，由于设备能力所限，东北轻合金有限责任公司只能生产最大直径2.9m的环件，而且生产工艺落后，投料比大，成品率较低，远远不能满足航天事业发展的需要。作为中国首个轻合金材料加工基地的东北轻合金有限责任公司审时度势，集中人力财力，决定自主研发环轧生产线。2004年该生产线建设被列为重点项目之一。2005年6月开始设备制造，2006年3月安装到位，2006年9月12日，一次热试车成功，轧制出直径4m的环件，各项性能指标全部达到或超过设计要求，难能可贵的是，所制固溶处理炉的温差≤±2℃，达到当时同类炉型先进水平。  

2006年12月30日，东北轻合金有限责任公司在其自行制造具有完全自主知识产权的环轧生产线上，生产出当时国内最大的铝合金环件，尺寸为：直径5150mm、宽340mm、厚100mm。  

中国最大的铝合金环件生产基地——中铝西南铝业（集团）有限责任公司  

中铝西南铝业（集团）有限责任公司不但是中国最大的铝合金环件生产基地，也是全世界最大者之一，它代表着中国铝合金环件的发展历程，是中国铝合金环件的领跑者。自1989年生产出直径3.5m的被誉为“亚洲第一环”后，一路走来，不断攻克难关，先后生产出5m级、6m级、9m级，直到2016年8月25日成功轧制世界之最的10m级的整体铝合金环件，把神舟十一号飞船于10月17日7时30分推向太空，使长征五号大型运载火箭于11月3日20时43分得以在文昌航天发射场点火升空。  

据国家国防科工局、国家航天局介绍，长征五号（CZ-5）运载火箭实现了中国运载火箭（液体）直径由3.35m至5m的跨越，采用直径芯级，捆绑4枚3.35m直径助推器，全长约57m，起飞质量约870t；具备近地轨道约25t、地球同步转动轨道14t级的运载能力，比现役火箭地球同步转移轨道运载能力提升了2.5倍以上。  

2014年4月23日，西南铝业（集团）有限责任公司与天津特钢精锻有限公司合作研发的首件新型运载火箭用9m级超大型铝合金整体环件成功下线，这是那时全世界最大级别的铝合金整体环件。2012年，中国航天科技集团提出急需9m级超大型铝合金整体环件需求。  

此前，超大型环件的制造工艺大都以铸造成形和焊接成形为主，然而这些工艺都无法满足承受重载、高冲击、超低温等级端工作情况所需的高性能要求，必须采用整体环件。但此前中国只环轧过5m级的，一下子跨到9m级，技术难度着实太大。为了满足国家需求，西南铝业（集团）有限责任公司于2014年组建了环件技术研发团队，在环轧5m级环件技术基础上依靠自主创新，研制出超大规格铸锭（直径1350mm）生产工具与熔炼铸造工艺，2014年3月铸造的2219合金1350mm圆锭的各项技术指标完全符合预定标准。此后六个月内，该公司先后突破锻压制坯和轧制成形关键技术，成功轧制出尺寸完全达标，精度超出预定值、表面光洁、性能超标的世界最大级火箭环件。  

在9m级环件基础上，西南铝业（集团）有限责任公司环件团队乘胜追击，迎难而上，于2016年8月25日轧制成功重型运载火箭10m级环件，再次刷新世界整体铝合金环件世界纪录，使中国成为全球铝合金环件生产泰斗。相对于9m级铝合金整体环件，10m级的承受的载荷更重、冲击力更高、温度更低，因此轧制难度更为严峻。  

西南铝业（集团）有限责任公司为确保10m级环件的顺利轧制，组建了集多种技术、生产、维护人员于一体的研发团队，经过一年多的日日夜夜奋战，攻克了轧制成型等多项核心技术，终于顺利地轧得直径10m的超大规格铝合金整体环件，经航天部门的严格验收，各项性能指标与尺寸完全符合设计要求。  

派克重型铸锻有限公司的2219合金环件  

江苏无锡市派克重型铸锻有限公司于2014年12月成功轧制出8m级2219合金环件，其尺寸为外径8.7m，内径8.32m，高0.35m。该公司成立于2006年，目前已成为国内锻件的着名品牌，通过了ISO9001：2008质量管理体系、国家压力管道质量认证，取得了DNV、IR、CCS、ABS等9家船级社认证。  

火箭铝合金环件直径型谱  

中国自西南铝业（集团）有限公司1989年生产出首件3.5m直径的火箭铝合金环件至2016年轧制成功世界最大的10m级环件，先后经历27年，其间生产的型号有4m的、5m级的、8.7m的、9m级的、10m级的，共计6种，平均54个月上一次新台阶。  

此外，南南铝加工有限公司“超大规格铝合金锻坯开发”项目于2015年8月初通过广西壮族自治区工信委的鉴定验收。此锻坯是用直径1320mm的铸锭坯料锻造的，用于生产直径≥8500mm的整体环件。  

火箭铝合金整体环件生产工艺  

火箭铝合金整体环件是用2219合金环轧的，其生产工艺流程为：铸造大直径圆锭→锯切→均匀化处理→车皮→加热→锻压坯料→环轧→固溶处理→消除内应力→时效。  

环件铝合金2219  

火箭铝合金环件用于连接运载火箭燃料贮箱的筒段、前后底与火箭间段之间的关键结构件，承受着重载荷、高冲击、超低温。燃料为液氢（-253℃）与液氧（-153℃），它们的贮箱都是用铝合金2219合金焊接的，所以，连接环件与绑捆件都宜用2219合金环轧。  

2219合金的化学成分（质量%）：Si0.20，Fe0.30，Cu5.8~6.8，Mn0.20~0.40，Mg0.02，Zn0.10，V0.05~0.15，Ti0.02~0.10，Zr0.10~0.25，其他杂质每个0.05、总计0.15，其余为Al。该合金的典型抗拉性能见表1，弹性模量73.8GN/m2，抗压弹性模量75.2GN/m2，泊松比μ=0.33。轧制环件的保证力学性能见表2。  

2219合金有很好的低温及高温力学性能（表3），无低温脆性，强度与塑性均随着温度的下降而同步上升，例如-196℃的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、伸长率A分别比25℃时的大25.8%、22.5%、33%。在循环次数5×108周时的疲劳强度为103N/mm2，合金有相当强的抗蠕变特性。  

2219合金的物理性能：20℃时密度2840kg/m3；液相线温度643℃，低熔点共晶的开始熔化温度543℃，平均线胀系数如下μm/（m·k）：  

-50℃~20℃20.8  

20℃~100℃22.5  

20℃~200℃23.4  

20℃~300℃24.4  

合金的体胀系数6.5×10-6m3/（m3·k）；20℃的比热容864J/（kg·K）；O状态材料的热导率170W/（m·k），T31及T37状态的116W/（m·k），T62、T81、T87状态的130W/（m·k）；20℃的电积电导率：O状态的44%IACS，T31、T37、T351状态的28%IACS，T62、T81、T87、T85状态的30%IACS。  

2219合金的退火温度413℃，固溶处理温度535℃，人工时效温度165℃~180℃，保温18h~36h。