近年来，在开发和利用太空迫切需求的驱动下，航天大国航天运载器的发射次数屡创新高，均呈现出高密度发射的特点。相应地，高频率的航天发射投入也给各国航天部门带来了巨大的经济压力。因此，如何降低单次发射成本已为国内外航天工业领域所面临的重要挑战，实现航天运载器重复使用，被认为是降低火箭运载成本的有效途径之一。与一次性运载火箭完成发射后完全废弃的方式相比，可重复使用运载火箭通过多次回收—发射，实现多次重复使用，采用费用均摊的原则，大幅降低了单次发射成本，具有极高的军事和民用价值。从技术发展规律来看，航天运输系统从一次性使用向重复使用发展，也是技术发展的必然趋势，从一定程度上改变了世界航天发展的走势。因此，发展技术性能更先进、能重复使用的航天运输系统对于满足中国未来空间开发和降低发射成本等需求具有重要的意义

　　目前，我国现役长征系列及商业航天企业的火箭型号仍为一次性运载火箭，可重复使用运载火箭在我国仍处于工程样机的研制阶段。一次性使用火箭的国内现状导致对以铝合金为主的箭体结构材料的性能要求仍然集中在单次使用条件下的抗拉强度、屈服强度、伸长率等静态指标，而对于在不同温度循环服役条件下的性能研究，尤其是对其疲劳性能的研究还比较缺乏。

　　本文选用目前我国长征系列运载火箭箭体常用的第二代[5-6]高性价比2A14铝合金为研究对象，以箭体在低温燃料加注、发射直至回收过程中的温度变化作为循环条件，对该材料在复杂温度循环环境中的力学、疲劳性能及其组织变化进行了分析与讨论，以期对该材料在可重复使用运载器上的应用提供一些基础数据支撑。

　　试验材料为国内某铝加工厂提供的19 mm厚T651态的2A14铝合金板，其化学成分如表1所示。

　　根据火箭实际飞行过程中箭体不同位置的实际温度，试验主要考察2个循环温度工况：

　　燃箱、氧箱从地面加注、升空、再到返回地面过程，全程处于极低温度条件，最高温度≤5 ℃。考虑到一般发射前4 h加注，低温工况停留时间确定为4 h；试验过程中，采用液氮模拟推进剂低温环境，温度为−196 ℃。因此，将室温—−196 ℃×4 h—室温，定为1个循环，为工况1，循环次数为1次和5次。

　　根据实际仿真结果，尾段、过渡段等发射过程经历高温的部件最高温度≤150 ℃，考虑到热处理强化型铝合金性能对于温度十分敏感，因此，本循环工况选择2个温度，在2A14铝合金的峰时效强化温度（一般为150～160 ℃[7-8]）上下各取1个温度点，分别为150 ℃和180 ℃；火箭箭体在该温度下飞行的时间一般≤10 min，为了对该条件下2A14铝合金的性能状态进行充分考核，本试验将该工况时间进行严格考核，设定为0.5 h，循环次数为5次，即，室温—设定温度（150 ℃和180 ℃）保温0.5 h—室温，为工况2。

　　采用AG-X Plus型10 kN拉伸机测试2A14铝合金在不同工况下的室温拉伸性能，得到2A14铝合金不同工况下的屈服强度、抗拉强度及伸长率，分析不同工况对2A14铝合金性能的影响。

　　采用MTS Langmark型疲劳试验机分别测试2A14铝合金试样在不同工况下的疲劳性能，并获得疲劳曲线（S-N曲线）。疲劳试验的应力比为−1，频率为25 Hz，应力幅值为130、140、150、175、200 MPa。得到2A14铝合金在不同工况下的S-N曲线铝合金疲劳性能的影响。

　　图1为2A14铝合金原始板材的OM图及SEM图。从OM图中可以看出，板材为典型纤维状再结晶组织。在组织间存在少量细小等轴再结晶组织，该组织为铝合金厚板经过大变形轧制及热处理后的典型显微组织状态。如图1（c）和图1（d）所示，该合金晶间均存在较多的未回溶相和难熔相，并且沿晶界成带状分布，其形貌差异较大，对其中比较典型的几种相进行EDS分析，结果如表1所示。

　　表2为图1（d）中典型粗大相的EDS分析结果。根据表2所示的EDS结果并结合表1中的成分组成，可以确定2A14铝合金中存在较多的Al2Cu相（θ相）及少量的富Si、Fe难熔相，粗大的Al2Cu相分布在铝基体中。

　　（1）2A14铝合金的横向和纵向性能没有显著差异，纵向的伸长率略高于横向的，不同工况下没有改变材料横向、纵向力学性能的均匀性。

　　（2）与材料的初始状态的性能相比，低温循环（工况1）对材料的室温力学性能没有影响，横向、纵向均能维持在较高的水平。

　　（3）中温循环（工况2）整体上对材料的性能影响较小，但是对于不同的循环温度表现出微小的性能差异，在180 ℃下循环5次，纵向的抗拉强度和屈服强度分别降低了8 MPa和9 MPa，伸长率基本没有发生变化，而在150 ℃下循环5次，力学性能基本不受影响。

　　通过疲劳试验获得2A14铝合金在不同工况下，应力比为−1时的S-N曲线铝合金在不同工况下的疲劳性能。2A14铝合金在不同工况下的S-N曲线铝合金的疲劳极限均介于150～175 MPa。在5种工况条件下，按照工况1循环1次、工况2 (180 ℃)循环5次、工况2 (150 ℃)循环5次、室温、工况1循环5次的顺序逐渐往右上方移动，说明在同一应力幅值下，2A14铝合金的疲劳寿命也逐渐延长，但增加的并不明显，说明不同工况下，2A14铝合金的疲劳性能与室温条件下没有明显区别。图 2

　　图1d）及尺寸几乎没有差异，这是因为铝合金中的粗大第二相及难熔相的形貌主要受固溶温度的影响，而本试验中采用的温度均远低于2A14铝合金的固溶温度[7-9]，很难对分布于晶粒间的未熔相产生影响。图 3

　　[10-11]，该θ相分布较为均匀，尺寸主要集中在20～50 nm。工况1及工况2（150 ℃）下的θ相尺寸与原始板材（见图4a）的更为接近，几乎没有变化。这主要是因为2A14铝合金的峰时效温度一般约为160 ℃，工况1和工况2（150 ℃）的温度对析出相影响较小。而对于在工况2（180 ℃），由于温度较高，导致析出相有略微增加的趋势。对于可热处理强化铝合金，对性能影响最大的是时效工艺，因为材料的力学性能取决于时效过程中析出相的尺寸和弥散度[12-13]，这与表3中的常温力学性能吻合的较好。这也说明火箭箭体结构在重复利用过程中，箭体结构的绝热处理尤为重要，尤其是在回收阶段，此阶段贮箱内的低温推进剂即将消耗殆尽，受飞行环境影响其温度会明显升高，从而对材料的析出相的尺寸、弥散度等产生影响，进而导致材料的性能恶化。图 4

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

　　为了分析不同工况对2A14铝合金疲劳性能的影响及损伤机制，对不同工况下2A14铝合金在175 MPa、200 MPa应力幅值下的断口形貌进行观察。

　　中可以看出，在两种循环应力作用下，不同工况条件下疲劳断口的疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区界限很清晰。不同的循环工况下，疲劳试样断口均在试样的表面出现一个疲劳源，表面产生微裂纹不断扩展，最终导致试样发生疲劳断裂。疲劳裂纹扩展区和瞬断区断口较为平整，从疲劳宏观断口可以看出，疲劳裂纹扩展区所占面积最大，并且175 MPa应力幅值的疲劳裂纹扩展区在断口所占面积大于200 MPa应力幅值的疲劳裂纹扩展区在断口所占面积，175 MPa应力幅值的瞬断区在断口所占面积小于于200 MPa应力幅值的瞬断区在断口所占面积，这说明应力幅值越大，循环次数越少，材料的疲劳寿命越短。

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

　　为应力幅值为175 MPa下2A14铝合金原始板材及不同工况下循环5次的断口裂纹源的SEM图。从

　　中可以看出，不同温度循环对疲劳断口中裂纹源的形貌没有明显的影响，与室温条件下没有明显区别，疲劳裂纹在2A14铝合金试样的表面或近表面处萌生，裂纹在初期扩展过程中呈放射状，出现放射台阶，这是由于裂纹在扩展的过程中沿不同晶面扩展导致的。在疲劳源附近，有大量的第二相粒子富集，在循环应力的作用下第二相粒子容易发生脱落或断裂，导致微裂纹在此处萌生

　　-15]，因此，为提高铝合金的疲劳寿命应该尽量减小粗大难熔相的尺寸。从图3中也可以看出，各种循环工况条件下分布于材料晶间大量第二相粒子尺寸、形貌及分布没有显著差异，这也就导致在进行疲劳性能测试过程中，萌生疲劳源是一致的，没有明显的改变，这也是最终不同温度循环下，材料的疲劳性能差异不显著的根本原因。图 6

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

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　　根据以上分析可知，上述工况多次循环均不会使2A14铝合金的组织、性能产生恶化，这为火箭箭体结构材料的可重复使用提供了重要数据支撑。

　　本文研究了工况1（−196 ℃）、工况2（150 ℃）、工况2（180 ℃）等循环条件对2A14铝合金在常温下的力学、疲劳性能的影响。得到的主要结论如下：

　　（1）−196 ℃和150 ℃循环使用环境对2A14铝合金在常温下的力学性能和疲劳性能与原始材料的相比没有显著的影响，在循环5次后，2A14铝合金的性能没有显著降低，这是因为该循环工况对材料的晶粒尺寸，粗大第二相、难熔相尺寸及分布、析出相结构、弥散度等产生较大的影响。

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　　（2）工况2中180 ℃循环使用环境导致2A14铝合金的力学性能与原始状态的相比，抗拉强度和屈服强度分别降低8 MPa和9 MPa，损失相较于150 ℃循环使用环境的略大，这主要归因于180 ℃高于2A14铝合金的峰时效温度，导致析出相略微长大。

　　（3）−196、150、180 ℃不同温度循环使用环境下，2A14铝合金的疲劳性能与原始状态的相比，没有显著降低，并且随着应力幅值的降低，2A14铝合金的疲劳寿命逐渐延长。应力比为−1时，2A14铝合金的疲劳极限均介于150～175 MPa。