Super! 神奇的超級合金

神奇的超級合金

據《航空知識》2017年第4期報道，近日，美國內華達山脈（Nevada，Sierra）航空公司的「追夢者」空天飛行器被運往位於美軍加利福尼亞州愛德華茲空軍基地的國家航空航天局（NASA）阿姆斯特朗飛行研究中心進行系統測試。內華達山脈公司是一家私人航天公司，它擁有的「追夢者」空天飛行器的機身是洛希德·馬丁公司製造的，它是給空間站運送人員與物資的，可在太空與大氣層飛行，反覆使用，通過大氣層時不會燒毀。按照計劃，「追夢者」將在2019年前投入實際使用，在2024年之前，至少有6次為國際空間站運送物質及人員，該飛行器可減輕對單一火箭型號的依賴，大大降低航天研發費用，同時，一次可為國際空間站運送5噸物資。

Rene41超級合金不怕火燒

「追夢者」空天飛行器往國際空間站送完人員與物資后返回地球前，必須以極高的速度穿越大氣層，由於與大氣摩擦，機身溫度可高達八九百攝氏度，為了防止這種熱量燒毀機身，其機身結構材料必須能承受這樣的嚴酷高溫。據稱，「追夢者」的機身框架是用Rene41超級合金製造的，框架外面還包覆以多層鉬箔，即使溫度高達982℃，Rene41合金仍能有足夠高的強度，保護「追夢者」平安地返回地球，經適當維修保養后，仍可投入營運。

Rene41超級合金的成分（質量%）為：Cr20、Mo10.5、Co12、Fe5、Ti3.3、Al1.8，還有少量的Mn、Cu、Si、S（這4種元素實際上是雜質，熔煉時宜盡量降低其含量），其餘為Ni，它的含量高達47.4%。由其成分可看出，Rene41合金實際是一種超級鎳-鉻-鉬-鈷-鐵-鋁合金。在這些元素中，除了鋁之外，其餘6個元素都是熔點高的難熔金屬。具體看來，鎳的熔點為1455℃，鉻的熔點為1930℃±10℃，鉬的熔點為2615℃，鈷的熔點為1492℃，鐵的熔點為1540℃，鈦的熔點為1667℃。鋁的熔點雖然只有660.1℃，但是它在合金中並不是以遊離狀態存在的，而是以化合物的形式存在，如Co2Al9、CrAl7、FeAl3、Al3Mo、Al3Ti等，這些化合物均具有很高的熔點，不但不會降低合金的耐熱性，而且還能提高合金的高溫力學性能，合金的抗蠕變強度也有所提高，耐疲勞性能也可以得到改善。

那麼，為什麼在Rene41合金外面還包覆以鉬箔呢？那是因為鉬有高的熔點（2615℃），不怕火燒，也不怕火燎，還有相當好的可塑性，可軋成厚度小於0.2mm的箔，在Rene41合金外麵包覆幾層鉬箔可以保護「追夢者」空天飛行器安全地穿越大氣層，順利地回到地球。

鉬是一種稀有難熔金屬，主要用作鋼的合金化元素，能與鎢、鎳、鈷、鋯、鈦、釩、錸等組成高級合金，可提高其高溫強度、耐磨性和抗蝕性。低合金鋼的鉬含量≤1%，但這方面的消費量卻占其消費總量的50%左右。不鏽鋼中加入鉬元素，可以改善其抗蝕性。在鑄鐵中加入鉬，可提高其強度與耐磨性。含18%鉬的超級合金具有熔點高、密度低和熱脹係數小等特點，用於製造航空航天器的各種高溫零部件，鉬在晶體管和整流器等電子元器件方面得到廣泛應用，含W、Mo、V、Cr、Ti的鋼適用於製造高速刀具、軍艦甲板、坦克、槍炮、火箭、衛星等機構件及零部件。

「追夢者」空天飛行器的構造與發射

「追夢者」空天飛行器的個頭小（見圖），其總長僅僅8m多一點兒，翼展7m，總質量11噸，一輛皮卡車可輕鬆地把它拖走，可是它的能耐大著呢！與37.24米的太空梭的載客量相當，可把7個人或5噸重的物資送入太空。在「追夢者」的尾部兩側是兩台火箭發動機噴口，用的是當前最為先進的固液混合火箭發動機，燃料是液態一氧化二氮與端羥基聚丁二烯（Hydroxyl Terminated Polybutadiene，HTPB）。「追夢者」尾部正中有一個大的艙門，可與標準對介面連接，用於太空中進出物資及人員。

「追夢者」空天飛行器造好了，正在接受測試，合格后將正式發射，據稱，它被安置在美國「宇宙神」V運載火箭的頂端，火箭點火將它推入高空，飛行一段距離后，它的固液混合火箭發動機開始工作，將它送入太空，「追夢者」外表上有多台姿態控制發動機，可使它始終保持著正確的方向前進，奔向遙遠的預定目標。然後「追夢者」尾部中間的對介面在太空完成與衛星、空間站等飛行器的對接，卸完物資與接送人員后，便完成任務，再次進入大氣層返回地球。按照升力體飛行原理，平安返回地面，平穩地降落在指定的機場跑道上，維修保養后，再次準備下一次飛行。

「追夢者」空天飛行器

「追夢者」的飛行成功，開啟了追逐商業航天、個人航天、全球星際探索的夢想。未來，美國私人航天運輸系統將由三大公司唱主角，它們分別是波音飛機公司的CST-100飛船，內華達山脈公司的「追夢者」，太空X（Space X）公司的「龍」飛船及「獵鷹」火箭組合。準備好吧，太空旅遊時代來了。

「追夢者」空天飛行器的成功起航，Rene41超級合金與鉬箔立了殊功。

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