本文首先就NIMS之前的运载火箭发动机用材料的评价及其性能评价用的试验设备，尤其是超低温疲劳试验设备进行了介绍。然后，就以下最近运载火箭发动机用材料研究的3种情况进行了简单介绍。（1）20K气体氦环境下的力学性能评价；（2）平均应力（应力比）对钛合金的高循环疲劳特性的影响；（3）718合金母材和电子束焊接（EBW）材的高循环疲劳特性。

   目前，H-2A和H-2B运载火箭是日本的旗舰运载火箭。2014年12月3日，日本采用H-2A运载火箭26号机型成功发射了隼鸟-2小行星探测器。截止到2015年3月26日，H-2A28型运载火箭已成功发射了共计27次，H-2B为4次。H-2A运载火箭的成功发射率为96.4%， H-2B运载火箭的成功发射率为100%，已达世界领先水平。

   为提高H-2A和H-2B运载火箭的可靠性，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和日本物质材料研究机构（NIMS）对液体氢燃料涡轮泵（FTP）等运载火箭用的金属材料的性能进行了评价。在1999年11月H-28型运载火箭发射失败后，日本金属材料研究所（现为NIMS）以承担对部分发射失败原因进行探究为契机，至今进行了大约15年的连续研究。当时的事故调查结果表明，采用Ti-5Al-2.5Sn ELI合金制作的FTP叶轮的一部分发生了疲劳断裂。另外，调查过程中对断口的形态进行了判断，对断裂应力进行了解析，并将解析结果与设计应力进行了比较，这些材料性能分析数据和断口照片成为了不可或缺的参考资料。但是，有关实际材料性能的数据等各种信息却还不够完全。这是因为在日本国内还无法在超低温液体温度（20K）等超极限环境下，对使用液体氢的发动机相关材料性能进行试验，还有成本的因素影响，因此，一般是根据NASA等公开发表的数据和日本国内报道的液体氦温度（4.2K）的试验数据进行设计。在这种情况下，非常有必要对实际材料的性能和各种信息进行收集，并对运载火箭相关材料的力学性能进行评价。由日本国产运载火箭研究相关机构、材料生产厂家和NIMS的有关研究人员组成的宇宙相关材料强度性能数据整理委员会对取得的数据进行详细研究后，这些数据可应用于强度剩余评价和设计。另外，部分NIMS宇宙相关材料强度数据和断口照片业已公开。

   2015年3月，日本内阁府宇宙政策委员会决定着手开发新型旗舰运载火箭，可应用于新型运载火箭发动机的材料评价也按照计划同时实施，NIMS已经开始对部分运载火箭发动机用材料性能进行评价。

   1运载火箭发动机用材料

   H-2A和H-2B运载火箭使用的燃料为液体氢（20K）和液体氧（90K）。与这些燃料直接接触的材料处于低温接触，与燃烧气体直接接触的材料部分处于高温接触。作为发动机用材料（如表1），使用的是Ni基、Fe基和Co基等各种超合金和Ti合金、Al合金、Cu合金及钢铁材料（奥氏体系不锈钢）等各种金属材料，并按照不同的部位分别使用锻造材、铸造材、板材及其焊接材。

   作为Ni基超合金的718合金在超低温至中温区域（700℃左右）具有良好的强度性能和焊接性能，因此，广泛应用于运载火箭发动机。按照不同的强度要求，将燃料氢和作为氧化剂的氧按照适当比例混合喷雾的喷射器本体和采用混合燃料和氧进行燃烧的燃烧室外筒及作为燃料分歧与合流部分的歧管等可以使用焊接结构材料。另外，LE-7A发动机的液体氧涡轮泵的叶轮、涡轮泵的涡轮盘材料可以使用718合金的锻造材，液体氧侧涡轮泵的转子可以使用铸造材。涡轮泵的涡轮转动叶片可以使用247LC合金的定向凝固材。

   由于燃烧室的燃烧气体温度会达到3000℃，因此外筒不能直接使用718合金。燃烧室内筒使用热传导性好的铜合金，利用作为燃料的液体氢可以形成冷却再生循环。而且，LE-7A发动机的液体氢涡轮泵的叶轮和转子可以使用Ti-5Al-2.5Sn ELI锻造材。

   总之，运载火箭发动机使用的材料都是按照航空航天用材料标准（AMS）制作的材料。根据这些材料使用部位的温度和负载环境的不同，要求这些材料必须取得在实际使用温度及其周围温度下的拉伸性能、断裂韧性、低循环疲劳特性（应变控制）、高循环疲劳特性（负载控制）、疲劳裂纹扩展特性和蠕变特性的数据。

   2用于材料性能评价的设备

   1983年，随着超电导利用技术的开发，在超低温用结构材料研究方面使用了能在液体氦环境下（4.2K）进行试验的设备，该设备安装在日本金属材料研究所（现在的NIMS）。该设备安装了氦再冷凝装置，可以在液体氦环境下进行长时间的连续试验。但是，由于试验设备老化加剧，因此在2002年更新为目前的设备。新引进的设备结构与原有设备基本相同。在新设备中，试样的周围用铜制容器包裹，采用安装在容器里的加热器可以容易地对其空间的温度进行调节。例如，在气体氦环境下可以达到液体氢的温度（20K），并可以进行长时间的试验。尽管温度为20K，但采用加热器还可以对温度进行调节。

   最近，NIMS为提高设备在20K下的性能评价效率，根据低温工学中的新理论，在20K气体氦环境下对设备进行了试验。尽管同为20K，但由于氦气体与液体氢的冷却能力不同，它会影响特性值，因此常常将20K气体氦环境下获得的数据与20K液体氢中获得的数据进行比较。另外，在液体氢中的试验使用了日本唯一的贵重试验机，该试验机安装在新日铁住金公司。

   在进行长时间的超低温高循环疲劳试验和疲劳裂纹扩展试验时，为使试验设备保持长时间稳定的状态，需要不断地考虑冷却系统和油压系统等相关试验设备的维护。另外，在超低温下使用位移计时，要校准试验时的温度。总之，要努力获得试验设备稳定条件下的高精度数据。

   另一方面，有的运载火箭发动机用材料要与高温直接接触。在NIMS的大力支持下，日本研究人员借助NIMS的疲劳数据表和蠕变数据表，对这些材料性能进行了评价。尤其是，最近对高压氢气环境下的材料性能进行评价的要求很高。这是因为在发动机中，有的材料要直接暴露在高温、高压的氢气环境中，因此这些与氢脆化有关的见解就变得很重要。在这种情况下，可以使用在氢气环境下能容易进行试验的设备。

   3运载火箭发动机用材料的研究

   3.1 20K气体氦环境下的力学性能评价

   如前所述，NIMS对20K气体氦环境下的力学性能进行了评价。图1示出在20K氦气体中和20K液体氢中Ti-6Al-4V ELI合金拉伸试验时的应力-应变图。在上述两种环境下使用的试样形状相同。另外，在氦气体中沿试样平行部安装了硅二级管温度计，对温度进行测定。在氦气体中，从进入塑性变形区域的周围开始产生了锯齿形波形，随着应变量的增加，负荷（应力）衰减量会增大。另外，可以确认该锯齿形波形的产生与