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近年來，在開發和利用太空迫切需求的驅動下，航天大國航天運載器的發射次數屢創新高，均呈現出高密度發射的特點。相應地，高頻率的航天發射投入也給各國航天部門帶來了巨大的經濟壓力。因此，如何降低單次發射成本已為國內外航天工業領域所面臨的重要挑戰，實現航天運載器重復使用，被認為是降低火箭運載成本的有效途徑之一。與一次性運載火箭完成發射后完全廢棄的方式相比，可重復使用運載火箭通過多次回收—發射，實現多次重復使用，采用費用均攤的原則，大幅降低了單次發射成本，具有極高的軍事和民用價值。從技術發展規律來看，航天運輸系統從一次性使用向重復使用發展，也是技術發展的必然趨勢，從一定程度上改變了世界航天發展的走勢。因此，發展技術性能更先進、能重復使用的航天運輸系統對于滿足中國未來空間開發和降低發射成本等需求具有重要的意義
目前，我國現役長征系列及商業航天企業的火箭型號仍為一次性運載火箭，可重復使用運載火箭在我國仍處于工程樣機的研制階段。一次性使用火箭的國內現狀導致對以鋁合金為主的箭體結構材料的性能要求仍然集中在單次使用條件下的抗拉強度、屈服強度、伸長率等靜態指標，而對于在不同溫度循環服役條件下的性能研究，尤其是對其疲勞性能的研究還比較缺乏。
本文選用目前我國長征系列運載火箭箭體常用的第二代[5-6]高性價比2A14鋁合金為研究對象，以箭體在低溫燃料加注、發射直至回收過程中的溫度變化作為循環條件，對該材料在復雜溫度循環環境中的力學、疲勞性能及其組織變化進行了分析與討論，以期對該材料在可重復使用運載器上的應用提供一些基礎數據支撐。
試驗材料為國內某鋁加工廠提供的19 mm厚T651態的2A14鋁合金板，其化學成分如表1所示。
根據火箭實際飛行過程中箭體不同位置的實際溫度，試驗主要考察2個循環溫度工況：
燃箱、氧箱從地面加注、升空、再到返回地面過程，全程處于極低溫度條件，最高溫度≤5 ℃。考慮到一般發射前4 h加注，低溫工況停留時間確定為4 h；試驗過程中，采用液氮模擬推進劑低溫環境，溫度為?196 ℃。因此，將室溫—?196 ℃×4 h—室溫，定為1個循環，為工況1，循環次數為1次和5次。
根據實際仿真結果，尾段、過渡段等發射過程經歷高溫的部件最高溫度≤150 ℃，考慮到熱處理強化型鋁合金性能對于溫度十分敏感，因此，本循環工況選擇2個溫度，在2A14鋁合金的峰時效強化溫度（一般為150～160 ℃[7-8]）上下各取1個溫度點，分別為150 ℃和180 ℃；火箭箭體在該溫度下飛行的時間一般≤10 min，為了對該條件下2A14鋁合金的性能狀態進行充分考核，本試驗將該工況時間進行嚴格考核，設定為0.5 h，循環次數為5次，即，室溫—設定溫度（150 ℃和180 ℃）保溫0.5 h—室溫，為工況2。
采用AG-X Plus型10 kN拉伸機測試2A14鋁合金在不同工況下的室溫拉伸性能，得到2A14鋁合金不同工況下的屈服強度、抗拉強度及伸長率，分析不同工況對2A14鋁合金性能的影響。
采用MTS Langmark型疲勞試驗機分別測試2A14鋁合金試樣在不同工況下的疲勞性能，并獲得疲勞曲線（S-N曲線）。疲勞試驗的應力比為?1，頻率為25 Hz，應力幅值為130、140、150、175、200 MPa。得到2A14鋁合金在不同工況下的S-N曲線鋁合金疲勞性能的影響。
圖1為2A14鋁合金原始板材的OM圖及SEM圖。從OM圖中可以看出，板材為典型纖維狀再結晶組織。在組織間存在少量細小等軸再結晶組織，該組織為鋁合金厚板經過大變形軋制及熱處理后的典型顯微組織狀態。如圖1（c）和圖1（d）所示，該合金晶間均存在較多的未回溶相和難熔相，并且沿晶界成帶狀分布，其形貌差異較大，對其中比較典型的幾種相進行EDS分析，結果如表1所示。
表2為圖1（d）中典型粗大相的EDS分析結果。根據表2所示的EDS結果并結合表1中的成分組成，可以確定2A14鋁合金中存在較多的Al2Cu相（θ相）及少量的富Si、Fe難熔相，粗大的Al2Cu相分布在鋁基體中。
（1）2A14鋁合金的橫向和縱向性能沒有顯著差異，縱向的伸長率略高于橫向的，不同工況下沒有改變材料橫向、縱向力學性能的均勻性。
（2）與材料的初始狀態的性能相比，低溫循環（工況1）對材料的室溫力學性能沒有影響，橫向、縱向均能維持在較高的水平。
（3）中溫循環（工況2）整體上對材料的性能影響較小，但是對于不同的循環溫度表現出微小的性能差異，在180 ℃下循環5次，縱向的抗拉強度和屈服強度分別降低了8 MPa和9 MPa，伸長率基本沒有發生變化，而在150 ℃下循環5次，力學性能基本不受影響。
通過疲勞試驗獲得2A14鋁合金在不同工況下，應力比為?1時的S-N曲線鋁合金在不同工況下的疲勞性能。2A14鋁合金在不同工況下的S-N曲線鋁合金的疲勞極限均介于150～175 MPa。在5種工況條件下，按照工況1循環1次、工況2 (180 ℃)循環5次、工況2 (150 ℃)循環5次、室溫、工況1循環5次的順序逐漸往右上方移動，說明在同一應力幅值下，2A14鋁合金的疲勞壽命也逐漸延長，但增加的并不明顯，說明不同工況下，2A14鋁合金的疲勞性能與室溫條件下沒有明顯區別。圖 2
圖1d）及尺寸幾乎沒有差異，這是因為鋁合金中的粗大第二相及難熔相的形貌主要受固溶溫度的影響，而本試驗中采用的溫度均遠低于2A14鋁合金的固溶溫度[7-9]，很難對分布于晶粒間的未熔相產生影響。圖 3
[10-11]，該θ相分布較為均勻，尺寸主要集中在20～50 nm。工況1及工況2（150 ℃）下的θ相尺寸與原始板材（見圖4a）的更為接近，幾乎沒有變化。這主要是因為2A14鋁合金的峰時效溫度一般約為160 ℃，工況1和工況2（150 ℃）的溫度對析出相影響較小。而對于在工況2（180 ℃），由于溫度較高，導致析出相有略微增加的趨勢。對于可熱處理強化鋁合金，對性能影響最大的是時效工藝，因為材料的力學性能取決于時效過程中析出相的尺寸和彌散度[12-13]，這與表3中的常溫力學性能吻合的較好。這也說明火箭箭體結構在重復利用過程中，箭體結構的絕熱處理尤為重要，尤其是在回收階段，此階段貯箱內的低溫推進劑即將消耗殆盡，受飛行環境影響其溫度會明顯升高，從而對材料的析出相的尺寸、彌散度等產生影響，進而導致材料的性能惡化。圖 4
TEM images of the original 2A14 aluminum alloy sheet and it under different working conditions for 5 cycles
為了分析不同工況對2A14鋁合金疲勞性能的影響及損傷機制，對不同工況下2A14鋁合金在175 MPa、200 MPa應力幅值下的斷口形貌進行觀察。
中可以看出，在兩種循環應力作用下，不同工況條件下疲勞斷口的疲勞源、疲勞裂紋擴展區、瞬斷區界限很清晰。不同的循環工況下，疲勞試樣斷口均在試樣的表面出現一個疲勞源，表面產生微裂紋不斷擴展，最終導致試樣發生疲勞斷裂。疲勞裂紋擴展區和瞬斷區斷口較為平整，從疲勞宏觀斷口可以看出，疲勞裂紋擴展區所占面積最大，并且175 MPa應力幅值的疲勞裂紋擴展區在斷口所占面積大于200 MPa應力幅值的疲勞裂紋擴展區在斷口所占面積，175 MPa應力幅值的瞬斷區在斷口所占面積小于于200 MPa應力幅值的瞬斷區在斷口所占面積，這說明應力幅值越大，循環次數越少，材料的疲勞壽命越短。
Fracture SEM images of the original 2A14 aluminum alloy sheet and it under different working conditions for 5 cycles
為應力幅值為175 MPa下2A14鋁合金原始板材及不同工況下循環5次的斷口裂紋源的SEM圖。從
中可以看出，不同溫度循環對疲勞斷口中裂紋源的形貌沒有明顯的影響，與室溫條件下沒有明顯區別，疲勞裂紋在2A14鋁合金試樣的表面或近表面處萌生，裂紋在初期擴展過程中呈放射狀，出現放射臺階，這是由于裂紋在擴展的過程中沿不同晶面擴展導致的。在疲勞源附近，有大量的第二相粒子富集，在循環應力的作用下第二相粒子容易發生脫落或斷裂，導致微裂紋在此處萌生
-15]，因此，為提高鋁合金的疲勞壽命應該盡量減小粗大難熔相的尺寸。從圖3中也可以看出，各種循環工況條件下分布于材料晶間大量第二相粒子尺寸、形貌及分布沒有顯著差異，這也就導致在進行疲勞性能測試過程中，萌生疲勞源是一致的，沒有明顯的改變，這也是最終不同溫度循環下，材料的疲勞性能差異不顯著的根本原因。圖 6
Fracture crack source SEM images of the original 2A14 aluminum alloy sheet and it under different working conditions for 5 cycles
根據以上分析可知，上述工況多次循環均不會使2A14鋁合金的組織、性能產生惡化，這為火箭箭體結構材料的可重復使用提供了重要數據支撐。
本文研究了工況1（?196 ℃）、工況2（150 ℃）、工況2（180 ℃）等循環條件對2A14鋁合金在常溫下的力學、疲勞性能的影響。得到的主要結論如下：
（1）?196 ℃和150 ℃循環使用環境對2A14鋁合金在常溫下的力學性能和疲勞性能與原始材料的相比沒有顯著的影響，在循環5次后，2A14鋁合金的性能沒有顯著降低，這是因為該循環工況對材料的晶粒尺寸，粗大第二相、難熔相尺寸及分布、析出相結構、彌散度等產生較大的影響。
（2）工況2中180 ℃循環使用環境導致2A14鋁合金的力學性能與原始狀態的相比，抗拉強度和屈服強度分別降低8 MPa和9 MPa，損失相較于150 ℃循環使用環境的略大，這主要歸因于180 ℃高于2A14鋁合金的峰時效溫度，導致析出相略微長大。
（3）?196、150、180 ℃不同溫度循環使用環境下，2A14鋁合金的疲勞性能與原始狀態的相比，沒有顯著降低，并且隨著應力幅值的降低，2A14鋁合金的疲勞壽命逐漸延長。應力比為?1時，2A14鋁合金的疲勞極限均介于150～175 MPa。
