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高强度不锈钢在国产大飞机中的应用和发展

编辑:杭州宏发不锈钢管制造有限公司   时间:2014/04/24   字号:
摘要:高强度不锈钢在国产大飞机中的应用和发展

    所谓大飞机,是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机,包括军用和民用大型运输机,也包括150座以上的干线客机。它是民航使用最广泛的主力机型。

    2007年3月,国家正式确立了国产大飞机项目,总投资约2000亿元。中国的大飞机很多零部件也将面向国内外招标,而作为国家战略,国产大飞机将会优先采购国产配件。这将会带动我国多个相关产业的发展,其中就包括新材料行业,不锈钢在飞机上应用相当广泛,而且有很多是异于常规不锈钢的,它必须具备高强度、耐疲劳等特殊性能。本文就高强度不锈钢在大飞机上的应用发展作一个阐述。
 
一、高强度不锈钢
    航空科技的发展一再证明飞机及航空发动机性能的改进大部分要依靠材料性能的提高来实现。尽管在飞机制造中钢的比重不断下降,但由于钢的高强度、高韧性、高耐应力腐蚀开裂以及良好的抗冲击性能,飞机的一些关键承力结构件如起落架、大梁、大应力接头、高应力紧固件等仍在继续使用高强度钢。飞机向长寿命、高可靠性方向的发展,对材料耐腐蚀性能的要求越来越高,采用高强度不锈钢制作某些重要零部件已成为主要发展趋势,这使得高强度不锈钢材料成为航空产品达到高性能、长寿命与高可靠性的重要物质与技术基础。
    通常把抗拉强度高于800MPa,屈服强度高于500MPa的不锈钢称为高强度不锈钢,把屈服强度高于1380MPa的不锈钢称为超高强度不锈钢。自1958年起,钢铁研究总院等科研院所与各特殊钢厂先后开展了沉淀硬化不锈钢的研究,上世纪60年代开始了马氏体时效不锈钢的研究,80年代又开始了铁素体时效不锈钢的研究,近几年又在超级马氏体时效不锈钢领域进行了研究,所研制的系列钢种基本满足了我国国防建设和国民经济各方面的需要。
    1、 沉淀硬化不锈钢
    1.1 半奥氏体沉淀硬化不锈钢
    这类钢的特点是可以在奥氏体状态进行切削加工、冷变形和焊接,随后通过调整处理及时效处理控制马氏体转变与析出硬化,获得不同的强韧性配合;耐腐蚀性能良好,特别是抗应力腐蚀性能优越。因此该类钢特别适用于制造不同要求的耐蚀承力结构件。在540℃,特别是480℃以下使用,热强性能良好。其主要缺点是对钢的化学成分区间要求十分严格,热处理工艺复杂,对热处理温度的控制要求十分精确(±5℃);钢的加工硬化趋向性大,进行深变形冷加工时常需进行多次中间退火。
    该类钢的典型代表是0CT17Ni7Al(17-7PH)、OCr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo)、0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。该类钢主要用于航空工业中在400℃以下工作的耐蚀承力结构件,如各种管道、管接头、弹簧、紧固件等。产品有板、管、带、丝、棒、铸件、锻件等。
    1.2 马氏体沉淀硬化不锈钢
    钢的强度是通过马氏体相变和沉淀硬化处理来实现的,优点是强度较高,同时由于低碳、高铬、高钼和/或高铜,其耐蚀性一般不会低于18Cr-8Ni奥氏体不锈钢;易切削,易焊接,焊后一般不需局部退火,热处理工艺也比较简单。缺点主要是即使在退火态其组织仍然是低碳马氏体,因此难以进行深变形冷加工。该类钢的代表钢种是0Crl7Ni4Cu4Nb(17-4PH)与0Cr13Ni8Mo2Al(PH13-8Mo),用于制造在400℃以下工作的高强耐蚀承力构件,如发动机承力件、紧固件等。后者在航空承力耐蚀中温结构件方面应用十分广泛。
    1.3 奥氏体沉淀硬化不锈钢
    该类钢实际上属于Fe-Ni基高温合金,在高强度不锈钢中具有600~700℃范围内最高的高温强度,650℃下的屈服强度与室温的相差不多;超低温韧性极好,基本没有低温脆性;沉淀强化作用显著,制作大断面部件时力学性能均匀;冷变形和耐蚀性能十分优越。缺点主要是室温及中温强度较低,可焊性差。代表钢种0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1,用于制造喷气发动机涡轮、叶片、机身、紧固件、高强弹簧等。
    2、时效不锈钢
    2.1 马氏体时效不锈钢
    马氏体时效不锈钢是20世纪60年代中期发展起来的新型高强度不锈钢。该类钢既具有高强度和超高强度,又克服了马氏体沉淀硬化不锈钢低温韧性差和在350~400℃长期使用时脆化倾向大的缺点;在固溶态是超低碳马氏体组织,加工硬化指数低,易于冷加工;固溶态的焊接性能好;热处理简单,工件尺寸稳定;与其他高强度不锈钢相比,在同等强度下塑性和韧性较好;由于碳含量低,耐蚀性优于同等铬含量的马氏体沉淀硬化不锈钢。缺点主要是由于碳含量低导致耐磨性较差,需要进行表面处理以提高耐磨性和疲劳强度。马氏体时效不锈钢的研究已成为高强度不锈钢研究的重点之一。
    (1)00Crl6Ni5Al(700~1100MPa),该钢含有部分铁素体,对锻造有一定的要求;强韧配合良好,深冲及弯曲性能较好,相当于Crl8Ni8不锈钢;焊接性能好,焊前不需预热,焊后不需热处理,焊接效率在90%以上。
    (2)00Crl5Ni6Nb(1000~1200MPa),该钢具有良好的塑性、韧性和耐蚀性,深冲性能良好,切削性能优良,在软化、固溶、时效状态下都能切削,不粘刀。特别是焊接性能优良,可以用与母材成分相同的焊丝进行焊接且焊接效率较高,接头强度与母材基本一致。在航空工业可以用来代替大量使用的1Crl8Ni9不锈钢,且强度较高。
    (3)以00Crl1Nil0Mo2Al(1200~1300MPa)、00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A1(1300~1500MPa)、00Crl1Nil0Mo2Til(1600~1700MPa)为代表。这一系列钢种以Mo、A1、Ti为主要强韧化元素,这类钢在固溶态具有良好的冷加工性,可进行较为复杂的冲压加工。具有良好的耐蚀性,高的冲击韧性和断裂韧度,可用焊接不锈钢的任何一种方法进行焊接。可用于制造航空工业中的弹簧、紧固件、承力结构件等部件。
    (4)00Cr12Co12Ni4Mo4Ti(1200~1600MPa),该钢的Co、Mo复合强化使得强化作用更为明显,因为Co可以降低Mo在基体中的溶解度,还可提高钢的弹性模量。在420℃时效的耐蚀性最好;热加工性能良好,固溶态时易于冷加工;焊前不需预热,焊后如要求高的强韧性可进行固溶+时效处理。该钢强韧配合较好,抗疲劳性和弹性模量也很高,用于制造要求耐蚀承力且要求高抗弹性衰减性的部件。
    (5)00Cr12Ni8Cu2AlNb(1500~1700MPa),该钢在具有高强度的同时还具有足够的韧性,耐应力腐蚀性较好;最高使用温度450℃,瞬时使用温度800℃;特定热处理条件下疲劳性能接近于Custom455;钢的冷作硬化倾向较小,一般不需进行中间软化处理;易于焊接,工艺简单,大断面焊缝强度系数达85%以上。主要用于制造耐蚀承力部件,高性能的轴、齿轮、弹簧等。
    (6)00Crl2Ni11MolTi1.65(即Cust0m465,l300~1800MPa),该钢为Carpenter公司的专利钢种,在峰值时效(H900)状态下强度可达1820MPa,且仍有优良的缺口强度和断裂韧性。在长期热暴露情况下仍具有较高强度,耐蚀性能与AISI304钢相近。热处理引起的尺寸变化较小,可在固溶态及不同机加工状态进行冷加工。
    (7)00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl(即Custom475,l600~2100MPa),同样为Carpenter公司的专利钢种,此钢能达到最高的强度水平。峰值时效(524℃时效)强度可达2030MPa,时效前不进行应变强化,时效后即可达1960MPa,而退火屈服强度只有1000MPa左右。加工硬化速率较低,可顺利进行冷加工,切削特性与其他高镍马氏体时效钢类似。具有较好的耐大气腐蚀性。
    除上述钢种之外,还研发了一种拥有自主知识产权的成分为(13.0%~16.5%)Cr、(4.0%~7.5%)Ni、(9.5%~15.0%)Co、(5.0%~7.5%)Mo以及适量Ti的超低碳Cr-Ni-Co-Mo-Ti系高洁净度、细晶组织马氏体时效不锈钢,抗拉强度1900MPa以上,伸长率10%以上,具有较好的强韧性配合,是制造耐蚀承力件的良好材料。
    2.2 铁素体时效不锈钢
    沉淀硬化不锈钢及马氏体时效不锈钢虽然强度很高,强韧性配合良好,但由于含铬量较低,镍含量也受到限制,因而在强腐蚀介质中难以使用。为此研制了00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti铁素体时效不锈钢,其抗拉强度约1100MPa(屈服强度880MPa),由于钢中含有足够高的铬、钼、铜和镍,使该钢耐海洋气候腐蚀的能力大大提高,耐点蚀及缝隙腐蚀性能大大优于AISI316而屈服强度却为AISI3l6的2~3倍,成为在海水中最有使用前途的高强度不锈钢之一。
 
二、高强度不锈钢在飞机上的应用
    以上提到的各类不锈钢有些已经在飞机上得到广泛应用,有些不锈钢的应用正在逐渐扩大。下面作简要介绍。
    1、在飞机起降装置上的应用
    用于制造飞机起落架的结构材料为30CrMnSiNi2A、4340、300M、Aermet100等。对于在海洋性气候下使用的飞机的起落架、紧固件等则多使用沉淀硬化不锈钢制造,如17-4PH用于F-15飞机的起落架,其改进型15-5PH用于B-767飞机的起落架,PH13-8Mo钢由于抗应力腐蚀性能比同级别沉淀硬化不锈钢好而有望代替17-4PH、15-5PH以及17-7PH、PH15-7Mo等钢种。
    美国自上世纪8O年代起对马氏体时效与沉淀硬化不锈钢的强韧化做了进一步的深入研究,如HSL180和Custom465钢等。它们的强度都超过1600MPa,其中HSL180是在淬火、低温处理后,利用回火处理的二次硬化得到了与15-5PH相近的耐腐蚀性和1800MPa以上的强度;美国Carpenter公司开发的Custom465(00Crl2Nil1MolTi0.6)在H1000过时效状态可以提供比其他高强度不锈钢(如NCustom455或PHI3-8Mo)更高的强度、韧性和抗应力腐蚀性的组合,但尚未见到大尺寸截面钢材的力学性能报道。目前正在研究具有接近2000MPa的高强度特性的不锈钢。
    2、在飞机轴承上的应用
    德国的FAG公司开发了添加氮的马氏体不锈钢Cronidur30(0.31%C-0.38%N-15%Cr-l%Mo)。它作为比SUS440更耐腐蚀的材料,是通过高压氮气气氛下进行电渣重熔的PESR工艺生产的高氮完全硬化型高温不锈钢。但因其是完全硬化型的,不适于高DN值(D:轴承内径/mm,N:轴转数/arin),然而用同样的Cronidur30通过高频淬火,就可以DN400万的值同时满足残余压缩应力以及断裂韧性值。但是回火温度低于15O℃,就不能承受引擎关闭后热冲击造成的轴承温度上升。
     3、在飞机承力结构件上的应用
     飞机承力结构件中的高强不锈钢主要有15-5PH,17-4PH,PH13-8Mo等,并在军用飞机上应用以替代传统的30CrMnSiA等高强度合金钢。其零件形式有舱盖锁闩、高强度螺栓、弹簧等各类零配件。民用飞机将此类高强度不锈钢用于机翼梁上,如波音737-600型机翼梁用15-5PH钢;A340-300型机翼梁用PH13-8Mo钢。
     在要求高强度和高韧性,特别对横向性能有特殊要求的部位,如机身框架,使用了PH13-8Mo。最近由于要求提高韧性和耐应力腐蚀性,试用了Custom465等。Custom465是carpenter公司在Custom450和Custom455的基础上发展起来的,用于制造飞机的襟翼导轨、缝翼导轨、传动装置、引擎支架等。该钢目前已纳入MMPDS-02,AMS5936和ASTMA564技术规范中。使用HSL180高强度不锈钢(0.21C-12.5Cr-1.0Ni-15.5Co-2.0Mo)制造飞机结构体,该钢兼有与4340等低合金钢相当的1800MPa的强度,与SUS630等沉淀硬化不锈钢同等的耐腐蚀性和韧性。
     4、在飞机零件上的应用
     对于一些加工变形量大的零件,如飞机襟翼整流包皮,传统上一般采用1Crl8Ni9Ti不锈钢,但该合金强度太低,在使用中,铆钉孔处经常发生拉坏现象。鉴于上述情况,在新型号的设计中,对座舱锁钩、齿垫、发动机吊杆螺栓、液压系统导管弯管接头(锻件)、无扩口管接头、襟翼整流包皮等部位的零件采用了我国自行研制的半奥氏体沉淀硬化型不锈钢替代传统不锈钢材料。另外,对于一些高强度螺栓,一般都是高强度结构钢加工而成,表面镀铬进行防护。但在新型号设计中,这类零件均已采用0Crl2Mn5Ni4Mo3A1不锈钢进行制造。
 
三、大型飞机用高强度不锈钢展望
     我国高强度不锈钢在钢种类型、强度级别、生产工艺、品种规格等方面都已经有了长足的进步,发展应用前景广阔;但若将我国已有的系列高强度不锈钢在大飞机上进行良好地应用,还需要解决几方面的问题。
    1、我国高强度不锈钢发展中存在的问题
    1.1 不锈钢的基础理论和生产工艺研究
    钢的强度性能有其自身的客观强度极限,不可能得到无限提高。例如,钢的耐延迟破坏性以强度1500MPa为界限,如超过这一值,性能就会恶化,究其原因是钢中夹杂物和晶界缺陷引起的。因此,把合金化,特别是微合金化和高纯度、高均匀性精炼、铸造技术、超细组织控制技术和高精度轧制技术等结合起来,发展良好强韧性、耐蚀性和工艺性结合的新材料是高强度不锈钢今后发展的主要方向。耐苛刻介质腐蚀高强度不锈钢,高韧性超高强度不锈钢,高耐磨性和高耐疲劳性马氏体时效不锈钢,超低温、无磁超高强度不锈钢,铁素体时效不锈钢等新材料是今后研究开发的重点。通过对强韧化机理、耐腐蚀机理及耐磨损机理的研究,必将为新材料的研发奠定坚实的理论基础。
    1.2 不锈钢的生产技术研发和组织管理
     虽然我国是一个钢铁生产大国,也是不锈钢生产大国,但受生产技术和质量管理水平等因素的限制,我国高级特殊钢产量特别是质量尚不能完全满足国内市场的需要;作为特殊钢种的高强度不锈钢,性能还不稳定,品种规格尚不能完全满足国家经济和国防建设的需求;具有发展前途的钢种亟待开发,能够生产具有广阔应用前景的超级不锈钢的厂家不多;已生产的高强度不锈钢实物质量与国外发达国家进口产品的实物质量相比还有很大的差距。
    2、促进我国高强度不锈钢发展的措施
    2.1 加强产学研结合,提高高强度不锈钢产品的实物质量
     国外不锈钢产品与国内相应产品比较,不仅在内在洁净度、组织均匀性和性能稳定性等方面较为优良,甚至在平整度、光洁度等外形和外观质量上也有一定的优势。这反映出国产高强度不锈钢产品在精料,冶炼,冷、热加工及热处理等方面均有待提高。这就需要结合产学研三方面的力量,大力协同,精益求精,将我国高强度不锈钢的整体生产制造工艺技术进行全面的改善和提高,尽快使国产不锈钢产品的实物质量达到发达国家先进水平。
    2.2 加快品种工程化和标准化
     钢的标准化能促进钢材质量稳定化,供货批量化,丰富的钢材标准使得在设计使用时有更多的选择余地。我国自上世纪50年代以来,仿制和自行研制的不锈钢钢种约100多个,其中部分已纳人标准,包括18个高强度不锈钢钢种。但仍有大量未纳标的钢种在局部使用,同样有些标准中的钢种生产量也很少。这就需要在品种引进和标准化方面进行大量的工作。
    2.3 进行高强度不锈钢的可靠性研究
     与其他方面的应用不同,大型飞机所使用的钢铁材料不仅要求具有一定的强度、韧性配合和耐蚀性,而且需要对材料使用的安全可靠性进行深入研究,以确保飞行安全,降低维修成本等。
     在这方面,欧美国家对相关的飞机用钢铁材料进行了大量的炉、批次性能试验和统计,在此基础上制订了材料适航标准;对机上关键部位用料(主要是特钢和铝合金)除了检验常规性能外,补充做了大量的疲劳试验和S-N曲线,为材料和整机技术鉴定创造了条件。在这方面我国需要长期、大量、细致的数据积累,才能为大型飞机的选材提供切实可用的数据基础。

 

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