高強(qiáng)度不銹鋼在國產(chǎn)大飛機(jī)中的應(yīng)用和發(fā)展
文章出處：http://liantongbz.cn/ 人氣：發(fā)表時間：2019-12-04
所謂大飛機(jī)，是指起飛總重量超過100噸的運輸類飛機(jī)，包括軍用和民用大型運輸機(jī)，也包括150座以上的干線客機(jī)。它是民航使用最廣泛的主力機(jī)型。
2007年3月，國家正式確立了國產(chǎn)大飛機(jī)項目，總投資約2000億元。中國的大飛機(jī)很多零部件也將面向國內(nèi)外招標(biāo)，而作為國家戰(zhàn)略，國產(chǎn)大飛機(jī)將會優(yōu)先采購國產(chǎn)配件。這將會帶動我國多個相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中就包括新材料行業(yè)，不銹鋼在飛機(jī)上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而且有很多是異于常規(guī)不銹鋼的，它必須具備高強(qiáng)度、耐疲勞等特殊性能。本文就高強(qiáng)度不銹鋼在大飛機(jī)上的應(yīng)用發(fā)展作一個闡述。
一、高強(qiáng)度不銹鋼
航空科技的發(fā)展一再證明飛機(jī)及航空發(fā)動機(jī)性能的改進(jìn)大部分要依靠材料性能的提高來實現(xiàn)。盡管在飛機(jī)制造中鋼的比重不斷下降，但由于鋼的高強(qiáng)度、高韌性、高耐應(yīng)力腐蝕開裂以及良好的抗沖擊性能，飛機(jī)的一些關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件如起落架、大梁、大應(yīng)力接頭、高應(yīng)力緊固件等仍在繼續(xù)使用高強(qiáng)度鋼。飛機(jī)向長壽命、高可靠性方向的發(fā)展，對材料耐腐蝕性能的要求越來越高，采用高強(qiáng)度不銹鋼制作某些重要零部件已成為主要發(fā)展趨勢，這使得高強(qiáng)度不銹鋼材料成為航空產(chǎn)品達(dá)到高性能、長壽命與高可靠性的重要物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。
通常把抗拉強(qiáng)度高于800MPa，屈服強(qiáng)度高于500MPa的不銹鋼稱為高強(qiáng)度不銹鋼，把屈服強(qiáng)度高于1380MPa的不銹鋼稱為超高強(qiáng)度不銹鋼。自1958年起，鋼鐵研究總院等科研院所與各特殊鋼廠先后開展了沉淀硬化不銹鋼的研究，上世紀(jì)60年代開始了馬氏體時效不銹鋼的研究，80年代又開始了鐵素體時效不銹鋼的研究，近幾年又在超級馬氏體時效不銹鋼領(lǐng)域進(jìn)行了研究，所研制的系列鋼種基本滿足了我國國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)各方面的需要。
1、 沉淀硬化不銹鋼
1.1 半奧氏體沉淀硬化不銹鋼
這類鋼的特點是可以在奧氏體狀態(tài)進(jìn)行切削加工、冷變形和焊接，隨后通過調(diào)整處理及時效處理控制馬氏體轉(zhuǎn)變與析出硬化，獲得不同的強(qiáng)韌性配合；耐腐蝕性能良好，特別是抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)越。因此該類鋼特別適用于制造不同要求的耐蝕承力結(jié)構(gòu)件。在540℃，特別是480℃以下使用，熱強(qiáng)性能良好。其主要缺點是對鋼的化學(xué)成分區(qū)間要求十分嚴(yán)格，熱處理工藝復(fù)雜，對熱處理溫度的控制要求十分精確（±5℃）；鋼的加工硬化趨向性大，進(jìn)行深變形冷加工時常需進(jìn)行多次中間退火。
該類鋼的典型代表是0CT17Ni7Al（17-7PH）、OCr15Ni7Mo2Al（PH15-7Mo）、0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。該類鋼主要用于航空工業(yè)中在400℃以下工作的耐蝕承力結(jié)構(gòu)件，如各種管道、管接頭、彈簧、緊固件等。產(chǎn)品有板、管、帶、絲、棒、鑄件、鍛件等。
1.2 馬氏體沉淀硬化不銹鋼
鋼的強(qiáng)度是通過馬氏體相變和沉淀硬化處理來實現(xiàn)的，優(yōu)點是強(qiáng)度較高，同時由于低碳、高鉻、高鉬和／或高銅，其耐蝕性一般不會低于18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼；易切削，易焊接，焊后一般不需局部退火，熱處理工藝也比較簡單。缺點主要是即使在退火態(tài)其組織仍然是低碳馬氏體，因此難以進(jìn)行深變形冷加工。該類鋼的代表鋼種是0Crl7Ni4Cu4Nb（17-4PH）與0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），用于制造在400℃以下工作的高強(qiáng)耐蝕承力構(gòu)件，如發(fā)動機(jī)承力件、緊固件等。后者在航空承力耐蝕中溫結(jié)構(gòu)件方面應(yīng)用十分廣泛。
1.3 奧氏體沉淀硬化不銹鋼
該類鋼實際上屬于Fe-Ni基高溫合金，在高強(qiáng)度不銹鋼中具有600～700℃范圍內(nèi)最高的高溫強(qiáng)度，650℃下的屈服強(qiáng)度與室溫的相差不多；超低溫韌性極好，基本沒有低溫脆性；沉淀強(qiáng)化作用顯著，制作大斷面部件時力學(xué)性能均勻；冷變形和耐蝕性能十分優(yōu)越。缺點主要是室溫及中溫強(qiáng)度較低，可焊性差。代表鋼種0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1，用于制造噴氣發(fā)動機(jī)渦輪、葉片、機(jī)身、緊固件、高強(qiáng)彈簧等。
2、時效不銹鋼
2.1 馬氏體時效不銹鋼
馬氏體時效不銹鋼是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的新型高強(qiáng)度不銹鋼。該類鋼既具有高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度，又克服了馬氏體沉淀硬化不銹鋼低溫韌性差和在350～400℃長期使用時脆化傾向大的缺點；在固溶態(tài)是超低碳馬氏體組織，加工硬化指數(shù)低，易于冷加工；固溶態(tài)的焊接性能好；熱處理簡單，工件尺寸穩(wěn)定；與其他高強(qiáng)度不銹鋼相比，在同等強(qiáng)度下塑性和韌性較好；由于碳含量低，耐蝕性優(yōu)于同等鉻含量的馬氏體沉淀硬化不銹鋼。缺點主要是由于碳含量低導(dǎo)致耐磨性較差，需要進(jìn)行表面處理以提高耐磨性和疲勞強(qiáng)度。馬氏體時效不銹鋼的研究已成為高強(qiáng)度不銹鋼研究的重點之一。
（1）00Crl6Ni5Al（700～1100MPa），該鋼含有部分鐵素體，對鍛造有一定的要求；強(qiáng)韌配合良好，深沖及彎曲性能較好，相當(dāng)于Crl8Ni8不銹鋼；焊接性能好，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理，焊接效率在90%以上。
（2）00Crl5Ni6Nb（1000～1200MPa），該鋼具有良好的塑性、韌性和耐蝕性，深沖性能良好，切
削性能優(yōu)良，在軟化、固溶、時效狀態(tài)下都能切削，不粘刀。特別是焊接性能優(yōu)良，可以用與母材成分相同的焊絲進(jìn)行焊接且焊接效率較高，接頭強(qiáng)度與母材基本一致。在航空工業(yè)可以用來代替大量使用的1Crl8Ni9不銹鋼，且強(qiáng)度較高。
（3）以00Crl1Nil0Mo2Al（1200～1300MPa）、00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A1（1300～1500MPa）、00Crl1Nil0Mo2Til（1600～1700MPa）為代表。這一系列鋼種以Mo、A1、Ti為主要強(qiáng)韌化元素，這類鋼在固溶態(tài)具有良好的冷加工性，可進(jìn)行較為復(fù)雜的沖壓加工。具有良好的耐蝕性，高的沖擊韌性和斷裂韌度，可用焊接不銹鋼的任何一種方法進(jìn)行焊接?？捎糜谥圃旌娇展I(yè)中的彈簧、緊固件、承力結(jié)構(gòu)件等部件。
（4）00Cr12Co12Ni4Mo4Ti（1200～1600MPa），該鋼的Co、Mo復(fù)合強(qiáng)化使得強(qiáng)化作用更為明顯，因為Co可以降低Mo在基體中的溶解度，還可提高鋼的彈性模量。在420℃時效的耐蝕性最好；熱加工性能良好，固溶態(tài)時易于冷加工；焊前不需預(yù)熱，焊后如要求高的強(qiáng)韌性可進(jìn)行固溶+時效處理。該鋼強(qiáng)韌配合較好，抗疲勞性和彈性模量也很高，用于制造要求耐蝕承力且要求高抗彈性衰減性的部件。
（5）00Cr12Ni8Cu2AlNb（1500～1700MPa），該鋼在具有高強(qiáng)度的同時還具有足夠的韌性，耐應(yīng)力腐蝕性較好；最高使用溫度450℃，瞬時使用溫度800℃；特定熱處理條件下疲勞性能接近于Custom455；鋼的冷作硬化傾向較小，一般不需進(jìn)行中間軟化處理；易于焊接，工藝簡單，大斷面焊縫強(qiáng)度系數(shù)達(dá)85%以上。主要用于制造耐蝕承力部件，高性能的軸、齒輪、彈簧等。
（6）00Crl2Ni11MolTi1.65（即Cust0m465，l300～1800MPa），該鋼為Carpenter公司的專利鋼種，在峰值時效（H900）狀態(tài)下強(qiáng)度可達(dá)1820MPa，且仍有優(yōu)良的缺口強(qiáng)度和斷裂韌性。在長期熱暴露情況下仍具有較高強(qiáng)度，耐蝕性能與AISI304鋼相近。熱處理引起的尺寸變化較小,可在固溶態(tài)及不同機(jī)加工狀態(tài)進(jìn)行冷加工。
（7）00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl（即Custom475，l600～2100MPa），同樣為Carpenter公司的專利鋼種，此鋼能達(dá)到最高的強(qiáng)度水平。峰值時效（524℃時效）強(qiáng)度可達(dá)2030MPa，時效前不進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化，時效后即可達(dá)1960MPa，而退火屈服強(qiáng)度只有1000MPa左右。加工硬化速率較低，可順利進(jìn)行冷加工，切削特性與其他高鎳馬氏體時效鋼類似。具有較好的耐大氣腐蝕性。
除上述鋼種之外，還研發(fā)了一種擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的成分為（13.0%～16.5%）Cr、（4.0%～7.5%）Ni、（9.5%～15.0%）Co、（5.0%～7.5%）Mo以及適量Ti的超低碳Cr-Ni-Co-Mo-Ti系高潔凈度、細(xì)晶組織馬氏體時效不銹鋼，抗拉強(qiáng)度1900MPa以上，伸長率10%以上，具有較好的強(qiáng)韌性配合，是制造耐蝕承力件的良好材料。
2.2 鐵素體時效不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼及馬氏體時效不銹鋼雖然強(qiáng)度很高，強(qiáng)韌性配合良好，但由于含鉻量較低，鎳含量也受到限制，因而在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中難以使用。為此研制了00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti鐵素體時效不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度約1100MPa（屈服強(qiáng)度880MPa），由于鋼中含有足夠高的鉻、鉬、銅和鎳，使該鋼耐海洋氣候腐蝕的能力大大提高，耐點蝕及縫隙腐蝕性能大大優(yōu)于AISI316而屈服強(qiáng)度卻為AISI3l6的2～3倍，成為在海水中最有使用前途的高強(qiáng)度不銹鋼之一。
二、高強(qiáng)度不銹鋼在飛機(jī)上的應(yīng)用
以上提到的各類不銹鋼有些已經(jīng)在飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，有些不銹鋼的應(yīng)用正在逐漸擴(kuò)大。下面作簡要介紹。
1、在飛機(jī)起降裝置上的應(yīng)用
用于制造飛機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)材料為30CrMnSiNi2A、4340、300M、Aermet100等。對于在海洋性氣候下使用的飛機(jī)的起落架、緊固件等則多使用沉淀硬化不銹鋼制造，如17-4PH用于F-15飛機(jī)的起落架，其改進(jìn)型15-5PH用于B-767飛機(jī)的起落架，PH13-8Mo鋼由于抗應(yīng)力腐蝕性能比同級別沉淀硬化不銹鋼好而有望代替17-4PH、15-5PH以及17-7PH、PH15-7Mo等鋼種。
美國自上世紀(jì)8O年代起對馬氏體時效與沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)韌化做了進(jìn)一步的深入研究，如HSL180和Custom465鋼等。它們的強(qiáng)度都超過1600MPa，其中HSL180是在淬火、低溫處理后，利用回火處理的二次硬化得到了與15-5PH相近的耐腐蝕性和1800MPa以上的強(qiáng)度；美國Carpenter公司開發(fā)的Custom465（00Crl2Nil1MolTi0.6）在H1000過時效狀態(tài)可以提供比其他高強(qiáng)度不銹鋼（如NCustom455或PHI3-8Mo）更高的強(qiáng)度、韌性和抗應(yīng)力腐蝕性的組合，但尚未見到大尺寸截面鋼材的力學(xué)性能報道。目前正在研究具有接近2000MPa的高強(qiáng)度特性的不銹鋼。
2、在飛機(jī)軸承上的應(yīng)用
德國的FAG公司開發(fā)了添加氮的馬氏體不銹鋼Cronidur30（0.31%C-0.38%N-15%Cr-l%Mo）。它作為比SUS440更耐腐蝕的材料，是通過高壓氮氣氣氛下進(jìn)行電渣重熔的PESR工藝生產(chǎn)的高氮完全硬化型高溫不銹鋼。但因其是完全硬化型的，不適于高DN值（D：軸承內(nèi)徑／mm，N：軸轉(zhuǎn)數(shù)／arin），然而用同樣的Cronidur30通過高頻淬火，就可以DN400萬的值同時滿足殘余壓縮應(yīng)力以及斷裂韌性值。但是回火溫度低于15O℃，就不能承受引擎關(guān)閉后熱沖擊造成的軸承溫度上升。
3、在飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用
飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件中的高強(qiáng)不銹鋼主要有15-5PH，17-4PH，PH13-8Mo等，并在軍用飛機(jī)上應(yīng)用以替代傳統(tǒng)的30CrMnSiA等高強(qiáng)度合金鋼。其零件形式有艙蓋鎖閂、高強(qiáng)度螺栓、彈簧等各類零配件。民用飛機(jī)將此類高強(qiáng)度不銹鋼用于機(jī)翼梁上，如波音737-600型機(jī)翼梁用15-5PH鋼；A340-300型機(jī)翼梁用PH13-8Mo鋼。
在要求高強(qiáng)度和高韌性，特別對橫向性能有特殊要求的部位，如機(jī)身框架，使用了PH13-8Mo。最近由于要求提高韌性和耐應(yīng)力腐蝕性，試用了Custom465等。Custom465是carpenter公司在Custom450和Custom455的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于制造飛機(jī)的襟翼導(dǎo)軌、縫翼導(dǎo)軌、傳動裝置、引擎支架等。該鋼目前已納入MMPDS-02，AMS5936和ASTMA564技術(shù)規(guī)范中。使用HSL180高強(qiáng)度不銹鋼（0.21C-12.5Cr-1.0Ni-15.5Co-2.0Mo）制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)體，該鋼兼有與4340等低合金鋼相當(dāng)?shù)?800MPa的強(qiáng)度，與SUS630等沉淀硬化不銹鋼同等的耐腐蝕性和韌性。
4、在飛機(jī)零件上的應(yīng)用
對于一些加工變形量大的零件，如飛機(jī)襟翼整流包皮，傳統(tǒng)上一般采用1Crl8Ni9Ti不銹鋼，但該合金強(qiáng)度太低，在使用中，鉚釘孔處經(jīng)常發(fā)生拉壞現(xiàn)象。鑒于上述情況，在新型號的設(shè)計中，對座艙鎖鉤、齒墊、發(fā)動機(jī)吊桿螺栓、液壓系統(tǒng)導(dǎo)管彎管接頭（鍛件）、無擴(kuò)口管接頭、襟翼整流包皮等部位的零件采用了我國自行研制的半奧氏體沉淀硬化型不銹鋼替代傳統(tǒng)不銹鋼材料。另外，對于一些高強(qiáng)度螺栓，一般都是高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼加工而成，表面鍍鉻進(jìn)行防護(hù)。但在新型號設(shè)計中，這類零件均已采用0Crl2Mn5Ni4Mo3A1不銹鋼進(jìn)行制造。
三、大型飛機(jī)用高強(qiáng)度不銹鋼展望
我國高強(qiáng)度不銹鋼在鋼種類型、強(qiáng)度級別、生產(chǎn)工藝、品種規(guī)格等方面都已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊；但若將我國已有的系列高強(qiáng)度不銹鋼在大飛機(jī)上進(jìn)行良好地應(yīng)用，還需要解決幾方面的問題。
1、我國高強(qiáng)度不銹鋼發(fā)展中存在的問題
1.1 不銹鋼的基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)工藝研究
鋼的強(qiáng)度性能有其自身的客觀強(qiáng)度極限，不可能得到無限提高。例如，鋼的耐延遲破壞性以強(qiáng)度1500MPa為界限，如超過這一值，性能就會惡化，究其原因是鋼中夾雜物和晶界缺陷引起的。因此，把合金化，特別是微合金化和高純度、高均勻性精煉、鑄造技術(shù)、超細(xì)組織控制技術(shù)和高精度軋制技術(shù)等結(jié)合起來，發(fā)展良好強(qiáng)韌性、耐蝕性和工藝性結(jié)合的新材料是高強(qiáng)度不銹鋼今后發(fā)展的主要方向。耐苛刻介質(zhì)腐蝕高強(qiáng)度不銹鋼，高韌性超高強(qiáng)度不銹鋼，高耐磨性和高耐疲勞性馬氏體時效不銹鋼，超低溫、無磁超高強(qiáng)度不銹鋼，鐵素體時效不銹鋼等新材料是今后研究開發(fā)的重點。通過對強(qiáng)韌化機(jī)理、耐腐蝕機(jī)理及耐磨損機(jī)理的研究，必將為新材料的研發(fā)奠定堅實的理論基礎(chǔ)。
1.2 不銹鋼的生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和組織管理
雖然我國是一個鋼鐵生產(chǎn)大國，也是不銹鋼生產(chǎn)大國，但受生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量管理水平等因素的限制，我國高級特殊鋼產(chǎn)量特別是質(zhì)量尚不能完全滿足國內(nèi)市場的需要；作為特殊鋼種的高強(qiáng)度不銹鋼，性能還不穩(wěn)定，品種規(guī)格尚不能完全滿足國家經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的需求；具有發(fā)展前途的鋼種亟待開發(fā)，能夠生產(chǎn)具有廣闊應(yīng)用前景的超級不銹鋼的廠家不多；已生產(chǎn)的高強(qiáng)度不銹鋼實物質(zhì)量與國外發(fā)達(dá)國家進(jìn)口產(chǎn)品的實物質(zhì)量相比還有很大的差距。
2、促進(jìn)我國高強(qiáng)度不銹鋼發(fā)展的措施
2.1 加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，提高高強(qiáng)度不銹鋼產(chǎn)品的實物質(zhì)量
國外不銹鋼產(chǎn)品與國內(nèi)相應(yīng)產(chǎn)品比較，不僅在內(nèi)在潔凈度、組織均勻性和性能穩(wěn)定性等方面較為優(yōu)良，甚至在平整度、光潔度等外形和外觀質(zhì)量上也有一定的優(yōu)勢。這反映出國產(chǎn)高強(qiáng)度不銹鋼產(chǎn)品在精料，冶煉，冷、熱加工及熱處理等方面均有待提高。這就需要結(jié)合產(chǎn)學(xué)研三方面的力量，大力協(xié)同，精益求精，將我國高強(qiáng)度不銹鋼的整體生產(chǎn)制造工藝技術(shù)進(jìn)行全面的改善和提高，盡快使國產(chǎn)不銹鋼產(chǎn)品的實物質(zhì)量達(dá)到發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平。
2.2 加快品種工程化和標(biāo)準(zhǔn)化
鋼的標(biāo)準(zhǔn)化能促進(jìn)鋼材質(zhì)量穩(wěn)定化，供貨批量化，豐富的鋼材標(biāo)準(zhǔn)使得在設(shè)計使用時有更多的選擇余地。我國自上世紀(jì)50年代以來，仿制和自行研制的不銹鋼鋼種約100多個，其中部分已納人標(biāo)準(zhǔn)，包括18個高強(qiáng)度不銹鋼鋼種。但仍有大量未納標(biāo)的鋼種在局部使用，同樣有些標(biāo)準(zhǔn)中的鋼種生產(chǎn)量也很少。這就需要在品種引進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化方面進(jìn)行大量的工作。
2.3 進(jìn)行高強(qiáng)度不銹鋼的可靠性研究
與其他方面的應(yīng)用不同，大型飛機(jī)所使用的鋼鐵材料不僅要求具有一定的強(qiáng)度、韌性配合和耐蝕性，而且需要對材料使用的安全可靠性進(jìn)行深入研究，以確保飛行安全，降低維修成本等。
在這方面，歐美國家對相關(guān)的飛機(jī)用鋼鐵材料進(jìn)行了大量的爐、批次性能試驗和統(tǒng)計，在此基礎(chǔ)上制訂了材料適航標(biāo)準(zhǔn)；對機(jī)上關(guān)鍵部位用料（主要是特鋼和鋁合金）除了檢驗常規(guī)性能外，補(bǔ)充做了大量的疲勞試驗和S-N曲線，為材料和整機(jī)技術(shù)鑒定創(chuàng)造了條件。在這方面我國需要長期、大量、細(xì)致的數(shù)據(jù)積累，才能為大型飛機(jī)的選材提供切實可用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
此文關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度,不銹鋼,在,國產(chǎn),大,飛機(jī),中的,應(yīng)用,和,
