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2017 年度国家技术发明奖推荐项目

一、项目名称 高效吸能合金及其在航天器着陆缓冲机构中的应用

二、推荐单位意见 本项目成果是我单位为探月工程二期嫦娥三号探测器 着陆机构研究完成的一项新材料、新工艺及新技术成果.

该 材料产品已在嫦娥三号着陆缓冲机构中获得应用,为其成功 实现月面软着陆、圆满完成探月工程二期 落 的战略目标 做出了重要贡献. 自2007 年以来,我单位承担了六项有关探测器着陆缓 冲材料及产品的研究与生产研制任务.经过六年的攻关研 究,形成了从材料设计、制备、调控、热加工,到产品设计、 工艺、过程管理与质量保障的全过程基础理论和工艺体系, 突破了若干关键技术瓶颈,获得了多项具有自主知识产权的 技术成果,整体技术达到国际领先水平,为我国首个月面探 测器着陆机构设计、减重、优化与定型提供了关键的材料技 术支撑. 作为 嫦娥三号 这一战略性、标志性重大科技成果的 关键组成部分,本成果还将为我国未来载人航天及深空探测 等重大航天科技计划做出新的贡献,对我国空间环境及其它 极端服役条件下新材料的探索与发展,对未来航天器结构与 功能性优化,对中国科学院合肥物质科学研究院面向极端环 境特殊材料学科的发展及队伍建设,对安徽省整体科技创新

2 水平的提升也将产生积极的影响,具有突出的科学价值、经 济效益和社会意义. 经研究,推荐该项目为国家技术发明奖 二 等奖.

三、项目简介 本项目属于材料科学、冶金工程与航天器设计领域. 我国第一个月球探测器―嫦娥三号设计了以缓冲拉杆 为吸能部件之一的腿式着陆机构,利用拉杆塑性变形吸收着 陆时的冲击能.由于受空间和质量的严格约束,拉杆须在有 限尺寸、重量和变形条件下吸收足够多的能量,以确保着陆 器及其携带的仪器安全着陆.为此,要求拉杆材料必须具备 极高的塑性(断后伸长率>

70%)和吸能性(>

30J/g) ,这是 一对极具挑战性的技术指标,此前尚无先例. 软着陆是嫦娥三号从地球飞行

38 万公里后 落 在月球 上的最后一步,也是最关键的步骤之一.拉杆服役行为优劣 将直接决定嫦娥三号软着陆的成败,对探月工程二期科学目 标的实现具有举足轻重的影响.因此,拉杆被确定为嫦娥三 号着陆系统的 关键重要件 ,对其稳定性、一致性和可靠性 达到了最高的要求. 根据嫦娥三号对高效吸能合金的迫切需求, 我们自

2006 年起开始对相关材料进行理论探索和实验研究,首次设计、 制备出嫦娥三号着陆机构方案研究所需的材料,为其设计与 定型奠定了关键材料基础.

2007 年起正式承担嫦娥三号着陆 缓冲材料及拉杆产品的攻关研究,至2012 年5月,完成了

3 包括材料设计、工艺优化及产品加工在内的全部研制工作, 交付产品近

4000 件,为嫦娥三号圆满登月做出了重要贡献. 本项目从合金层错能设计着手,通过对孪晶、晶界和位 错等晶体缺陷交互作用、演化规律及其能量损耗机理的研 究,创造性地提出了高效吸能合金设计与组织调控方法;

通 过对制备原理及工艺规律的探索,突破了制约产品可靠性与 稳定性的全过程核心技术;

通过对过程和质量的科学管理, 实现了产品零缺陷、零故障,为 嫦娥三号 月面安全软着陆 提供了坚实的保障. 主要发明点如下: (1)依据层错能理论和调控方法,发明了力学性能及 空间环境适应性全面优于嫦娥三号技术要求的高效吸能合 金,使拉杆尺寸由?12* 300mm 减至?3* 300mm,减重约

15 倍,为着陆机构优化、减重和定型创造了重要条件. (2)通过晶粒尺寸、形貌和取向的可控制备,获得了 柱状晶及柱状晶-等轴晶复合组织的高效吸能合金, 使之最重 要的性能之一断后伸长率高达 107%以上,单位质量吸能达

45 J/g 以上,显著高于已报道的结果. (3)针对 Mn 挥发、Al 偏析及夹杂物过多等突出的缺 陷问题,发明了高效吸能合金真空感应炉熔炼技术,突破了 准确控制合金成分及冶金质量的技术瓶颈. (4)针对合金变形抗力大、过热过烧倾向强等特点, 发明了控制变形组织及内外质量的热塑性加工技术,克服了

4 变形过程中易脆、易断等制约性难题. (5)针对拉杆几何形状及服役特点,发明了组合式结 构及组装方法,材料利用率提高

9 倍、加工效率提高

2 倍以 上,为进一步提高产品质量、增加服役可靠性奠定了重要基 础. 上述成果获授权发明专利

6 项,在审发明专利

1 项,发 表论文

8 篇,被列为

2013 年中科院重大科技进展之一,并 被新华社、中央电视台等多家主流媒体专题报道,项目负责 人还被国家六部委授予 探月工程嫦娥三号任务突出贡献者 称号并受到了习近平等党和国家领导人的会见.

四、客观评价 (1)与国内外相关技术的比较 i)本项目研究实际上从

2006 年即已开始,2007 年起承 担第一项航天研制任务,国内外相关研究大部分在

2010 年 以后才见报道.本项目起步较早. ii)国内外其它研究主要集中在材料组织、缺陷和力学 行为等基础科学问题上,仍处于小型实验室研究阶段,未见 工艺研究和实际应用的报道.本项目涉及材料设计、组织调 控、工艺原理和技术以及重大航天工程应用等方面,研究更 系统、更全面,意义更突出. iii)国内外其它研究对相关材料组织与性能的调控是通 过化学成分和晶粒尺寸变化来实现的,这两种方法最明显的 不足是,在材料强度提高的同时,材料塑性显著下降.本项

5 目采用的控制晶体形貌及调整不同形貌晶体组成的方法,可 使材料强度及塑性同时提高,从而更有利于提高其吸能本 领,增强服役的可靠性. iv)由本推荐书第三部分表

2 可以看出,本项目材料主 要力学性能指标明显优于国内外其它研究.例如,本项目材 料断后伸长率最高可达 107%,其它研究报道最高为 80%;

本项目材料强塑积最大值为 57000MPa?%,其它研究最大值 为53109MPa?%. v)嫦娥三号是我国第一个在地外天体软着陆的探测器, 嫦娥三号着陆器是世界上第一个基于高效吸能合金的航天 器着陆器.因此,本成果在航天领域的应用没有先例. (2)检测报告 本项目研制的等轴晶和柱状晶高效吸能合金平均抗拉 强度分别为 602.3MPa 和537.0 MPa,断后伸长率分别为 80.5%和107.2%. (3)鉴定意见

2016 年4月24 日,安徽省科技厅组织专家在合肥召开 了 高效吸能合金及其在航天器着陆缓冲机构中的应用 成果 鉴定会.鉴定专家一致认为: i)本成果在材料设计与组织控制方面具有创新性. ii)本成果为工程型号提供了高性能、高可靠产品,是 嫦娥三号任务的主要创新之一. iii)本成果为我国嫦娥三号着陆机构的设计和实现提供

6 了关键材料支持,填补了我国地外天体探测器着陆缓冲拉杆 材料的空白,为嫦娥三号在月面成功软着陆做出了重要贡 献. iv)拉杆用高效吸能合金材料综合力学性能高于已报道 的结果,达到国际领先水平,在我国火星探测器等后续型号 中具有重要的应用价值. (4)查新结论(摘要) 国内外有研究机构研发出孪生诱发塑性钢.总体上看, 这些研究报道大多集中在........