这个世界最大的瓜瓣，是“慢工出细活”的成果_风闻

文\科工力量专栏作者 高航

2018年7月初，由航天科技集团下属中国运载火箭研究院（以下简称“火箭院”）与中南大学联合研制的全世界最大的火箭燃料贮箱瓜瓣成功下线。该瓜瓣直径为10m级，力学性能比国际主流产品提高了近10%，且成型精度达到了毫米数量级。

瓜瓣是火箭燃料贮箱的关键结构件之一，目前直径10m级的燃料贮箱箱底还无法整体成形，只能以瓜瓣形式进行焊接。瓜瓣的成形精度和性能直接影响燃料贮箱结构的焊接质量和整个火箭的结构效率。此前，美国土星五号运载火箭的燃料贮箱也采用直径10m级的瓜瓣，但每一块瓜瓣都是由数块结构件拼焊而成，工艺复杂，生产周期漫长，而且成本相当高昂；但是此次火箭院和中南大学联合研制的瓜瓣则是一次成形的，是目前全世界最大的火箭燃料贮箱单体瓜瓣。而该瓜瓣之所以能够研制成功，是因为首次在火箭结构件上创新性地采用了“蠕变时效成形(Creep-age Forming)”这一先进制造技术。

所谓“蠕变(Creep)”是指固体材料在一定温度下，被远小于其屈服极限的外力长时间持续作用，产生的形变随着时间的推移逐渐增大的现象。比如生活中我们经常会发现鞋带和腰带随着时间的推移越来越松，这就是典型的蠕变现象。

一般的情况下，蠕变现象被认为是一种有害的行为，比如航空发动机的叶片如果不采取特殊措施进行处理，就会在高温情况下产生蠕变，从而造成严重的后果。铼之所以成为战略金属，就是因为它能够有效的抑制航空发动机叶片的高温蠕变。但是在某些特定场合，人们却可以利用材料的蠕变现象来对特定的结构件进行成形操作，这就是蠕变时效成形技术。

蠕变时效成形技术的工艺过程大致可分为三个阶段。

首先，在常温下将坯料通过一定的加载方式使之产生弹性变形，并固定在具有一定外形型面的模具上。加载方式一般采用冲头冲压的方式，而在航空制造领域则较多的采用真空模具，即将板材固定在一个具有凹面的模具上并保证板材和模具之间的气密性，然后将板材和模具之间的凹腔抽真空，使得板材在大气压力作用下紧贴在模具上。

然后，将坯料和模具一起送入加热炉或者热压罐内，在一定温度下加热并保温一段时间（也就是所谓的“人工时效”），在此过程中，坯料受到蠕变、应力松弛和时效机制的作用，内部组织和结构均会发生较大变化。

最后，将坯料和模具取出并卸载，此时坯料的部分形变在蠕变和应力松弛的作用下转变为永久变形，并完成时效强化，最终获得所需外形，形成成品零部件。

与传统的塑性加工技术相比，蠕变时效成形技术的优势主要在以下几个方面。

蠕变时效成形加载的应力远小于材料的屈服强度，大大减小了材料因为进入屈服状态引发失稳甚至破裂的危险，可以基本消除加工裂纹（包括材料内部的微裂纹）。

蠕变时效成形技术还可以利用材料的时效强化和应力松弛效应，在一次成形的同时进行时效强化，改善材料的微观组织，提高成品零部件的强度，缩短了加工制造的周期。

蠕变时效成形技术具有很高的成形精度、可重复性和成形效率。因为通常只需要一次热循环就可以使得零部件外形达到所需要求，并且能做到小于1mm的外形精度误差。

蠕变时效成形技术可以使得材料内部的残余应力做到近乎完全释放，尺寸稳定，不会出现其他成形和强化方式制造的零部件在放置一段时间之后由于残余应力的释放导致的外形变化等问题；对于已经经过焊接的零部件，该技术还能有效的降低焊接残余应力，增强零部件对应力腐蚀的抵抗能力，从而延长使用寿命。

蠕变时效成形技术的缺点主要有二：一是工艺参数复杂且相互耦合，不经过大量的试验根本无法摸索出其中的规律，而大量的试验必然会消耗大量的人力物力和材料；其二是专用设备尤其是专用工装比较复杂，而且需要高昂的投资，资金和技术门槛过高。

自从20世纪60年代以来，蠕变时效成形技术在美国等航空制造强国蓬勃发展，并已经成功应用于多款军用飞机和民用飞机。如美国B-1B战略轰炸机的机翼上下壁板，其材料为2419铝合金，厚度沿着翼展方向从63.5mm(2.5in)剧变到仅有2.54mm(0.1in)，为了满足其制造要求，美国Textron公司专门开发了热压罐蠕变时效成形技术，使得该零部件的外形精度达到极高水准，装配贴合度可控制在0.25mm(0.01in)之内。又如空中客车A380大型客机的机翼上壁板，其材料为7075铝合金，长度达33m，宽度达2.8m，厚度沿着翼展方向从28mm剧变到3mm，采用蠕变时效成形技术制造的成品零部件装配贴合度可控制在1mm以内。

蠕变时效成形技术的核心是专用工装的设计制造，尤其是工装型面的优化极为关键，因为不可能把所有的变形都转化为塑性变形，对于回弹量的预测和估计就变得非常重要。

长期以来，美欧在蠕变时效成形方面的核心关键技术对我国是严密封锁的，然而我国的科技工作者经过长期的努力，完全依靠自己的力量攻克并掌握了这一先进制造技术。新世纪以来，该技术已经成功的应用于我国多个型号的军用飞机，并取得了良好的效果。此次运载火箭10m直径燃料贮箱瓜瓣的成功研制，更是蠕变时效成形技术在火箭结构零部件制造方面的全球首次应用，其突破意义不言而喻。正因为有了这些源源不断的技术突破，我国迈向航天强国的步伐才显得更加铿锵有力。

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