航空航天用超高強度鋼

1、'.航空航天用超高強度鋼室溫條件下抗拉強度大于 1400 MPa 、屈服強度大于 1200 MPa 的鋼被稱為超高強度鋼，通常還要求具有良好的塑韌性、優(yōu)異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能。超高強度鋼是應(yīng)用范圍很廣的一類重要鋼種，大量應(yīng)用于火箭發(fā)動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域，而且其使用范圍正在不斷地擴大到建筑、機械制造、車輛和其它軍用及民用裝備上。超高強度鋼發(fā)展至今，合金化研究已達(dá)到很高水平，挖掘現(xiàn)有鋼種的潛力，充分發(fā)揮合金元素的作用，減少有害元素的含量，提高斷裂韌性，已成為冶金科技工作者追求的目標(biāo)。近十年來圍繞現(xiàn)有鋼種挖潛，在超純、超細(xì)化、高均質(zhì)、低偏析進(jìn)行

2、技術(shù)創(chuàng)新，突破四大關(guān)鍵技術(shù)： 1 、超純鐵工業(yè)化大生產(chǎn)冶金技術(shù)。 2 、VIM+VAR 低偏析、高均質(zhì)化的熔煉技術(shù)。 3 、鋼錠均質(zhì)化技術(shù)、大鍛比鍛造技術(shù)。 4 、超細(xì)化控制鍛造技術(shù)和熱處理控制技術(shù)。這是超高強度鋼研發(fā)和產(chǎn)品工業(yè)化的基礎(chǔ)。超高強度合金鋼按其物理冶金學(xué)特點大體可以分為：低溫回火馬氏體組織或下貝氏體組織強化的低合金超高強度鋼；高溫回火析出合金碳化物、二次硬化組織的超高強度鋼和從低碳馬氏體基體析出金屬間化合物進(jìn)行強化的馬氏體時效鋼，及正在探索和研究的復(fù)合強化型（沉淀強化、二次硬化和時效強化復(fù)合強化）的超高強度鋼。1 低合金超高強度鋼低合金超高強度鋼合金元素含量少（ <5% ），

3、經(jīng)濟(jì)性好，強度高，屈強比低，但韌性相對較低。此類鋼是通過淬火和低溫回火處理獲得較高的強度和韌性，鋼的強度主要取決于鋼中馬氏體的固溶碳濃度。含碳量增加，鋼的強度升高；而塑性和韌性相應(yīng)降低。因此，在保證足夠強度的原則下，盡可能降低鋼中含碳量，一般含碳量在0.300.45% 。鋼中合金元素總量約在5% 左右， Cr、Ni 和 Mn 在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性，以保證較大的零件在適當(dāng)?shù)睦鋮s條件下獲得馬氏體組織，Mo ，W 和 V 的主要作用是提高鋼的抗回火能力和細(xì)化晶粒等。AISI 4340 是最早出現(xiàn)的低合金超高強度鋼，也是低合金超高強度鋼的典型代表。美國從20 世紀(jì) 40年代中期開始研究43

4、40 鋼，通過降低回火溫度，使鋼的抗拉強度達(dá)到16001900MPa 。1955 年 4340 鋼開始用于F-104 飛機起落架。通過淬火和低溫回火處理，AISI 4130 、4140 、4330 或 4340 鋼的抗拉強度均可超過1500MPa ，而且缺口沖擊韌性較高。為了抑制低合金超高強度鋼回火脆性，1952年美國國際鎳公司開發(fā)了300M 鋼。該鋼通過添加了12 的硅來提高回火溫度（260315 ），并可抑制馬氏體回火脆性。300M 鋼在 1966年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)-15 、F-16 、DC-10 、MD-11等軍用戰(zhàn)斗機都采用了300M 鋼，此

5、外波音 747 等民用飛機的起落架及波音 767 飛機機翼的襟滑軌 、縫翼管道等也采用 300M 鋼制造。盡管以 4340和 300M鋼為代表的低合金超高強度鋼具有高強度，但它們的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力都比較差，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。美國于60 年代初開始研制D6AC ，由 AISI 4340鋼改進(jìn)而成，被廣泛用于制造戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動機殼體及飛機結(jié)構(gòu)件。到了70 年代中期， D6AC逐漸取代了其它合金結(jié)構(gòu)鋼 ，成為一種制造固體火箭發(fā)動機殼體的專用鋼種。美國新型地空導(dǎo)彈“愛國者 ”，小型導(dǎo)彈 “紅眼睛 ”，大中型導(dǎo)彈 “民兵 ”、“潘興 ”、“北極星 ”、“大力神 ”等，美國航天飛機的

6、 3.7m 助推器殼體也采用 D6AC 鋼制造。 D6AC 還曾用于制造 F-111 飛機的起落架和機翼軸等。;.'.蘇聯(lián)開始研制低合金超高強度鋼的時間大體上與美國同步，具有自己的鋼種體系，最有代表性的是30X CH2A 和 40XH2CMA （ 643）鋼。 30X CH2A 是在 30X C 基礎(chǔ)上加入 1.41.8% 的鎳而得到的低合金超高強度鋼，由于鎳的加入提高了鋼的強度、塑性和韌性，也提高了鋼的淬透性，由此改良和派生出了一系列鋼種。40XH2CMA是在 40XH2MA基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，40XH2CBA是用 W 代替 40XH2CMA中 Mo 而成的。近十幾年來他們又研制了新型

7、經(jīng)濟(jì)型的低合金超高強度鋼35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1 A(BKC- 9) ，其抗拉強度分別可達(dá)到1800?2000MPa和 19502150MPa。我國低合金超高強度鋼的研究開始于20 世紀(jì) 50 年代，一是仿制國外已有的牌號，五六十年代主要以仿制前蘇聯(lián)的鋼種為主，如30CrMnSiNi2A （仿 30XCH2A 鋼），70 年代開始以仿制美國的鋼種為主，如 40CrNi2MoA 鋼（仿 4340 鋼）、 40Si2Ni2CrMoVA 鋼（仿 300M 鋼）、 45CrNiMo1VA 鋼（仿 D6AC 鋼）等。二是根據(jù)我國的資源情況（缺乏鈷、鎳等貴金屬）和工程的需要，自

8、主開發(fā)研制了具有我國特點的低合金超高強度鋼，如無鎳鉻的35Si2Mn2MoVA，不含鎳的406 (38SiMnCrNiMoV)、D406A(31Si2MnCrMoV)、 40CrMnSiMoVA (GC-4)，含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA等。1973 年我國開始仿制D6AC 鋼，已成功用于HQ-7 地空導(dǎo)彈發(fā)動機殼體、反坦克導(dǎo)彈的發(fā)動機殼體和高壓氣瓶。 1980 年我國開始仿制300M 鋼，從 “六五 ”到“九五 ”期間，鋼鐵研究總院和撫順特殊鋼公司在鋼的純凈化方面做了大量的工作，并發(fā)展了超純冶金技術(shù)，將該鋼成功地用于J-8II 、J-10 等殲擊機起落架上，使我國實現(xiàn)了飛機與起落

9、架同壽命。;.'.406 鋼制造的 DF-21 導(dǎo)彈一級發(fā)動機殼體（這是飛行試驗中一級分離后落地的照片）406 鋼是我國自行設(shè)計、自行研制低合金超高強度鋼最成功的典范。它是為解決大型固體火箭發(fā)動機殼體材料而研制的超高強度鋼，1966 年由冶金部和七機部聯(lián)合下達(dá)研制任務(wù)，1980 年 11 月定型生產(chǎn)。采用 406 鋼制造的巨浪一號兩級發(fā)動機殼體，使用強度>1715 MPa ，KIC 72 MPa·m1/2 ，相當(dāng)于美國 “北極星 A2”導(dǎo)彈一級發(fā)動機殼體所用的 D6AC 鋼。為了提高大型固體火箭發(fā)動機的可靠性，又在 406 鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了 D406A 鋼，通過降低碳含

10、量和采用 VIM+VAR 冶煉技術(shù)，提高了純凈度。 D406A 鋼的強度稍有下降，但提高了韌性（ b1620MPa ，KIC 87 MPa·m1/2 ）。 1993 年通過技術(shù)鑒定，已成功用于東風(fēng)和巨浪系列導(dǎo)彈一級發(fā)動機殼體。2 二次硬化超高強度鋼二次硬化超高強度鋼特點是在480550 范圍回火 ( 或時效 ) 后，析出合金碳化物產(chǎn)生強化效應(yīng)，強度和硬度明顯提高，具有硬化峰值，表現(xiàn)出二次硬化特征，同時韌性提高。;.'.HY180 鋼是 1965年由美國 U.S. 鋼公司開發(fā)出來的優(yōu)良高韌性超高強度鋼，其化學(xué)成分 (重量百分比 )為： 0.10C 、10Ni 、 8Co 、 2

11、Cr 、1Mo ，應(yīng)用于深海艦艇殼體，海底石油勘探裝置等，但它一直未能在航空航天結(jié)構(gòu)上獲得應(yīng)用，其原因在于該鋼的比強度和韌性雖能滿足對低溫高壓深水潛艇使用要求，但尚不能滿足航空航天器對超高強度鋼的高強韌性的要求。隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強度高(1586?1724MPa)、斷裂韌性好 (125 MPa·m1/2) 、可焊接性好的新型材料成為發(fā)展方向。為了達(dá)到航空構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，在對Fe10Ni系合金鋼進(jìn)行的研究基礎(chǔ)上，對HY180進(jìn)行了改進(jìn)， 1978 年開發(fā)了 AF1410 超高強度合金鋼，該鋼經(jīng)830 油淬 +510 時效后， 0.2 1517MPa，KIC154M

12、Pa·m1/2 。因此該鋼以極高的強韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受航空界歡迎的一種新型高強度鋼。在保持 AF 1410超高強度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高其強度及在海水環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，1992 年 Carpenter公司開發(fā)出Aermet 100超高強度合金鋼。該鋼與 AF1410鋼相比，強度有了進(jìn)一步提高( b1930 MPa)，但韌性稍有下降(KIC110MPa·m1/2) 。Aermet100 是目前綜合性能最高的超高強度鋼，是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料，美國己成功地將其應(yīng)用在最先進(jìn)的 F/A-22 戰(zhàn)斗機起落架和

13、 F-18 艦載機的起落架上。Aermet 100是目前綜合性能最高的超高強度鋼;.'.以 Aermet 100 為材料的 F/A-22 起落架我國目前已經(jīng)成功地研制出具有我國特色的二次硬化超高強度鋼。G99 是由鋼鐵研究總院、長城特殊鋼公司、航天部703 所、東北大學(xué)共同承擔(dān)研制的，該鋼的b >1520MPa ，KIC>124 MPa· m1/2 ，與國外應(yīng)用最廣的AF1410 相當(dāng)，成功用于神舟系列飛船的黑匣子殼體。鋼院牽頭組織攻關(guān)研制了16Co14Ni10Cr2Mo(F206)鋼，并成功用于某飛機平尾軸。我國從“九五 ”期間開始研制Aermet 100鋼，超

14、高純凈鋼材提純技術(shù)取得重大進(jìn)展，有害元素S 、 P 、O、N 、 H 控制在 ppm 量級，總和小于40ppm 。撫順特殊鋼公司的試制產(chǎn)品達(dá)到了美國Aermet 100鋼實物水平，將用于我國四代機和艦載機的起落架。;.'.J-XX 飛機首架起落架交付儀式3. 馬氏體時效鋼馬氏體時效鋼以無碳(或微碳 )馬氏體為基體的，時效時能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼。具有工業(yè)應(yīng)用價值的馬氏體時效鋼，是20 世紀(jì) 60 年代初由國際鎳公司(INCO) 首先開發(fā)出來的。1961 1962 年間該公司在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦，通過時效硬化得到屈服強度分別達(dá)到1400 、1700

15、、1900MPa 的 18Ni(200) 、 18Ni(250) 和 18Ni(300) 鋼，并首先將 18Ni(200) 和 18Ni(250) 應(yīng)用于火箭發(fā)動機殼體。;.'.馬氏體時效鋼在相同的強度級別韌性比低合金鋼要高，加工硬化指數(shù)低，沒有脫碳問題，熱處理工藝簡單，冷加工成型性好。固體火箭發(fā)動機殼體用18Ni 馬氏體時效鋼，使用強度為1750 MPa ，濃縮鈾離心分離機旋轉(zhuǎn)筒體用馬氏體時效鋼，使用強度達(dá)到2450MPa 。但合金元素含量高致使馬氏體時效鋼的成本增高。我國從 20 世紀(jì) 60 年代中期就開始研制馬氏體時效鋼，目前已形成17002500MPa不同級別十余個鋼種，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。最初以仿制18Ni(250) 和 18Ni(300) 為主，到 70 年代中期又開始研究強度級別更高的鋼種和無鈷或節(jié)鎳鈷馬氏體時效鋼。80 年代開發(fā)出用于濃縮鈾離心分離機旋轉(zhuǎn)筒體用的超高純、高強高韌的 CM-1 鋼，高彈性的TM210 鋼。 90 年代以來研制了C300 、C350 馬氏體時效鋼。18Ni 馬氏體時效鋼含 9% 的貴重鈷元素，而我國鈷資源缺乏， 80 年代以來國際市場鈷價不斷上漲，因此國內(nèi)大型固體火箭發(fā)動機殼體一般不選用這種材料。近十幾年來國