航空航天特种有色金属

在我国载人登月工程的核心装备材料体系中，载人登月舱的主承力结构使用的铝镁钪稀土合金，是我国完全自主原创的新一代高性能航空航天有色金属材料。这款合金通过在传统铝镁合金中添加微量的钪稀土元素，实现了强度、韧性、焊接性能、耐低温性能的全方位跨越式提升，彻底解决了过去传统铝合金无法同时兼顾高强度和优异焊接性能的行业难题，为我国载人登月舱的极致轻量化设计提供了核心材料支撑。

过去国际上传统的铝镁钪合金的钪元素添加量普遍在0.2%左右，强度提升效果有限，而且大尺寸铸锭制备过程中极其容易出现成分偏析，根本无法制备出宽度超过2米的大规格高性能厚板。国内有色冶金研发团队经过多年的成分优化创新，将钪元素的添加比例精准控制在0.4%的最优区间，同时复合添加微量的锆、钛元素进行协同微合金化，在合金内部形成了大量纳米级的弥散分布的Al₃(Sc,Zr)第二相粒子。这些纳米粒子可以强烈钉扎合金的晶界和位错，不仅让合金的拉伸强度提升到了550MPa，比传统的5系铝合金高出一倍，还彻底抑制了铝合金焊接过程中的晶粒长大现象，让合金的焊接接头强度系数达到了0.9以上，几乎和母材的强度相当，这是传统高强铝合金根本无法实现的性能突破。更关键的是，这款国产铝镁钪稀土合金的密度仅为2.63g/cm³，比广泛应用的2系高强铝合金还要低3%，弹性模量提升了8%，同时在-253℃的液氢极低温环境下，合金的强度和韧性不仅不会下降，反而比室温下提升了20%，完全不会出现传统铝合金在极低温环境下的低温脆化问题，完美适配登月舱从近地轨道常温环境到月球表面极低温环境的全工况使用需求。

在大尺寸板材制备环节，研发团队突破了5米级大规格铸锭的半连续铸造+多向交叉轧制的全套工艺技术，成功制备出了宽度超过3.5米、长度超过15米的超大幅面铝镁钪合金厚板，板材的板面平整度误差小于0.5毫米/米，内部不同位置的力学性能均匀性偏差小于4%。使用这款合金制备的登月舱整体壁板结构，不需要像过去传统铝合金结构那样大量使用加强筋进行铆接补强，直接通过整体铣削加工就可以实现完整的承力结构，壁板的整体数量减少了60%，焊接工作量降低了70%，登月舱的主承力结构总重量比使用传统铝合金方案减轻了28%，直接为登月舱增加了超过150公斤的有效载荷能力，这个减重效果对于重量资源极其宝贵的载人登月航天器来说，价值不可估量。

在工程验证阶段，这款国产铝镁钪稀土合金先后完成了从材料级的1000小时空间环境辐照试验、-253℃极低温力学性能试验，到结构级的整舱振动冲击试验、整舱低温静力试验的全流程考核，所有性能表现完全满足载人登月的严苛要求。目前这款完全自主原创的特种有色金属材料，已经全面应用于我国新一代载人登月舱的所有主承力结构部位，同时衍生出的多个民用牌号，已经在国产大飞机的机身壁板、新能源汽车的一体化压铸结构、高速列车的车体结构等领域实现了大规模推广应用，推动我国稀土铝合金材料的技术水平走在了国际最前沿。