難加工材料講座課件

1、難加工材料的應(yīng)用第二講 自飛機誕生來，航空領(lǐng)域從來就是先進材料技術(shù)展現(xiàn)風采、爭奇斗艷的大舞臺。1903年萊特兄弟駕駛的第一架飛機是用木頭和布做成的，但是，隨著飛機需要承受的載荷越來越重，環(huán)境越來越嚴苛，金屬材料開始成為機體航空材料的主流。隨著工業(yè)技術(shù)的快速進步，鈦合金、復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用在航空飛行器上，從軍用飛機到民用飛機，從小型直升機到大型固定翼飛機，從小零件到主結(jié)構(gòu)部件無一例外。 “一代材料，一代飛機”是航空工業(yè)發(fā)展的生動寫照。機體材料至今已經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。第一階段是從1903年到1919年，機體采用木、布結(jié)構(gòu)；第二階段是1920年到1949年，產(chǎn)生了鋁合金和鋼的機身材料；第三個階

2、段是從 1956年到1969年，飛機材料中增加了鈦；第四個階段是1970年至今，其特點是增加了復(fù)合材料。難加工的原因一般是以下幾個方面： 高硬度 高強度 高塑性和高韌性 低塑性和高脆性 低導熱性 化學性質(zhì)活潑 有微觀的硬質(zhì)點或硬夾雜物 這些特性一般都能使切削過程中的切削力加大，切削溫度升高，刀具耐用度下降；有時還將使已加工表面質(zhì)量惡化，切屑難以控制；最終則使加工效率和加工質(zhì)量降低。一.鈦合金二.高溫合金三.不銹鋼五.高強度鋼與超高強度鋼四.復(fù)合材料六.硬脆性材料一 鈦合金 1910年, 即飛機問世后的第7年, 美國科學家亨特用鈉還原法獲得了金屬鈦。但鈦工業(yè)直到第二次世界大戰(zhàn)之后的1948年,

3、即盧森堡科學家發(fā)明的鎂還原法在美國用于生產(chǎn)之后才開始起步。鈦工業(yè)的歷史要比航空工業(yè)的歷史晚幾十年,是唯一在兩次世界大戰(zhàn)中都沒有使用過的結(jié)構(gòu)金屬材料。鈦與航空有著不解之緣,首先應(yīng)用于航空。 1953年, 在美國道格拉斯公司生產(chǎn)的DC2T 機發(fā)動機吊艙和防火壁上首次使用鈦材, 從而揭開了鈦航空應(yīng)用的歷史。從那時以來, 鈦在航空上已應(yīng)用了半個多世紀。鈦能在航空上廣泛應(yīng)用是由于它有適于飛機應(yīng)用的許多寶貴特性。 在世界礦資源中, 鈦是僅次于鐵、鋁、鎂, 處于第四位的富有資源, 但在目前的金屬工業(yè)產(chǎn)量上, 鐵達到7億t,鋁約1500萬t,銅和不銹鋼各為1000萬t,而鈦合金的產(chǎn)量約為10萬t,只相當于鋼鐵

4、企業(yè)1h的生產(chǎn)量, 所以說, 鈦又是一種尚未成熟的年輕金屬, 它很有希望成為繼鐵、鋁之后的第三種實用金屬, 開發(fā)利用前景十分廣闊。 A型合金 Ti-3Al-2.5V用于高壓水壓管道系統(tǒng)(壓力達28MPa, 外徑為6.3-38mm)，取代了不銹鋼，節(jié)約了40%的重量。Ti-6Al-4V由于強度高可以更顯著地減輕重量, 但是其制成薄片和條狀代價較高, 而Ti-3Al-2.5V可容易地加工成薄片和條狀。 Ti-5Al-2.5V是退火后用合金,主要用于低溫下,它在低溫下能保持較好的斷裂韌度和展延性,主要用于渦輪泵中高壓燃料的氫側(cè)的側(cè)壁。 Ti-8Al-1Mo-1V,曾經(jīng)考慮用它來做飛機的骨架, 但其抗

5、壓力腐蝕能力較差,具有較低的密度和高的模量, 用于軍用發(fā)動機的風機葉片。 Ti-55是中科院金屬所根據(jù)TiX相析出的電子濃度規(guī)律設(shè)計的一種近A型鈦合金。該合金在550 具有良好的綜合性能(550下b = 658MPa), 制成的發(fā)動機高壓壓氣機盤、鼓筒和葉片順利通過了超轉(zhuǎn)、斷裂、低循環(huán)疲勞和振動疲勞試驗。 (A+B)型合金 Ti-6Al-4V占到整個鈦合金產(chǎn)品的60%左右,最小拉伸強度896MPa, 具有較好的疲勞性能和斷裂性能(經(jīng)熱處理后還能改善), 可以制成鑄件、鍛件和擠壓件。Ti-6Al-4V可用于制造飛機的任何部分: 機身、引擎機倉、飛機起落架、機翼和尾翼。圖2(a)是EJ200歐洲戰(zhàn)

6、斗機中用Ti-6Al-4V制成的中壓壓縮機箱, 圖2(b)是用Ti-6Al-4V鍛造的波音757的起落架結(jié)構(gòu)。 波音757,767和777的擋風玻璃框架都是由Ti-6Al-4V壓鑄而成, 而其上面的頂板是由Ti-6Al-4V板制成, 這些主要是由于Ti-6Al-4V具有較高的強度以抵擋飛機在飛行過程中受到鳥的撞擊。 波音777 的鰭板是由Ti-6Al-4V 熱成型板制成, 厚5mm, 寬762mm, 長3.3m（圖2c）, 這是由于它的熱膨脹系數(shù)和碳纖維吻合得較好, 鋁與石墨的熱膨脹系數(shù)不是很吻合導致用鋁時易產(chǎn)生電化學腐蝕。 經(jīng)退火的Ti-6Al-4V 鍛件也可用來制造波音777機身的水平鰭板

7、和垂直鰭板, 這是由于鈦和石墨的抗腐蝕相容性較好。 波音777的機身末端（圖2c）和噴射引擎的排風管（圖2d）由于溫度高而采用Ti-6Al-4V, 此處工作溫度較高, 選用鋁合金不合適, 而鋼或鎳基合金又太重。 Ti-6-22-22 (Ti-6Al-2Sn-2Mo-2Zr-2Cr+Si) 是美國RMI公司在20世紀70年代開發(fā)出的一種航空用A+B型鈦合金,具有良好的強韌性匹配, 經(jīng)熱處理后Rb=1035MPa,有深淬透性(斷面直徑達100mm)和極好的超塑性成型能力。被Lockheed/Boeing的F222采用作為飛機下部龍骨的翼弦；Ti-6-2-4-6是P&W開發(fā)的在中等溫度下有較高強度的

8、合金, 主要用于軍用發(fā)動機(F-110,F-119),屈服強度為1035MPa, 其損傷容限性能沒有Ti-6-4和Ti-6-2-4-2好,由于需檢查次數(shù)多, 不能用于飛機。 Ti-17(Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)是可硬化A+B合金, 最小強度1125MPa, 由GE飛機發(fā)動機公司開發(fā)出可用于400下的風扇和壓氣機輪盤。 Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)合金是應(yīng)用廣泛的一種高強韌近B鈦合金。它是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低成本的鍛造鈦合金, V 和Fe為主要的B穩(wěn)定元素。為了提高合金的鍛造性能和斷裂韌性,Fe的含量低于2%,氧

9、的含量限制在0.13%以下。 該合金是波音777 中用量最大的B鈦合金, 該鍛件的三強為965, 1105和1190MPa, 可根據(jù)不同需求采取不同加工工藝和熱處理方法, 波音選取高強度以最大限度減輕重量。 Ti-10V-2Fe-3Al也具有很好的疲勞性能,波音777 的起落架幾乎全部由該合金制成,不由該合金制備的零件主要有內(nèi)、外氣缸和輪軸,由4340M制成(強度為1895MPa)。空客A380的主起落架支柱也是采用的該合金。用Ti-10-2-3可為每架飛機減重270kg,還消除了用鋼時產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕。圖2(e)是波音777起落架。 Mcdonne ll Donglas采用Ti-10-2-3(

10、1105MPa)制成貨艙門、引擎機艙、尾翼以及C217的其他部分。Ti-10-2-3在疲勞強度方面的優(yōu)勢也使其廣泛應(yīng)用于直升機。 -21s是唯一一種能抵抗這種腐蝕的金屬。這是因為-21s含有鉬和鈮, 可用于引擎機艙和噴射引擎部位(原先使用鋼或鎳基合金)。 -21s可減輕重量,用于制造波音777的三種引擎、P&W4084, GE90以及Trent 800中的噴嘴、塞子、蒙皮和各種縱梁結(jié)構(gòu), 這些可以為每架飛機減重74kg。P&W特別采用-21s制備4168引擎的噴嘴和塞子(4168為空客A-330的引擎, 采用多孔夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計)。 C合金(Ti-35V-15Cr) 是美國于20世紀80年代由P&

11、W開發(fā)的一種穩(wěn)定B型鈦合金, 是目前工業(yè)用B鈦合金鉬當量最高的合金。Cr元素使合金具有很好的高溫強度和抗氧化能力及阻燃性, 以取代原先采用的鎳基合金應(yīng)用于F119發(fā)動機的高壓壓氣機機閘和矢量尾噴管及導向葉片。 鈦合金在飛機發(fā)動機中的應(yīng)用 噴氣發(fā)動機是飛機的心臟。發(fā)動機的風扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉(zhuǎn)動部件,不僅要承受很大的應(yīng)力, 而且要有一定的耐熱性, 即要求鈦在300-650溫度下有良好的抗高溫強度、抗蠕變性和抗氧化性能。這樣的工況條件,對鋁來說溫度太高;對鋼來說密度太大;鈦是最佳的選擇。因此, 鈦在先進發(fā)動機上的應(yīng)用不斷擴大。在飛機上使用較多的鈦合金有Ti-6Al-4V, Ti-8AL-1

12、M0-1V,Ti-17,Ti-6-2-4-2,Ti-6-2-4-6,TC6,TC9,TC11, Ti1100等。 據(jù)計算,當壓縮比達到15時,壓氣機的出口溫度為590,而當壓縮比達到25時,壓氣機的出口溫度就達到620-705,需要耐熱性非常好的鈦合金。實驗證明,常規(guī)鈦合金只能用于650以下,為制造推重比10以上的先進發(fā)動機, 需要開發(fā)以鈦基復(fù)合材料、Ti3Al和TiAl型金屬間化合物為基的鈦合金。目前實用性能最好的耐熱鈦合金是英國的IMI829, IMI834和美國的Ti-1100。它們已分別用于V2500,EJ200,552712改型發(fā)動機。鈦合金在各型號發(fā)動機中的應(yīng)用高溫鈦合金以其優(yōu)良的

13、熱強性和高的比強度,在航空發(fā)動機上獲得了廣泛的應(yīng)用。表2為各種型號發(fā)動機的鈦合金使用情況。 鈦在發(fā)動機上的用量取決于飛機的尺寸和功率。亞音速發(fā)動機達到其質(zhì)量的30%,發(fā)動機減重大約600kg。鈦合金主要制造壓氣機的模鍛件和板式結(jié)構(gòu)。如在普惠J 57發(fā)動機中,用Ti-6Al-4V制作9級預(yù)壓氣機葉片及葉輪盤,Ti-5Al-2.5Sn板制造隔離環(huán)及殼體件。此后,美國普惠公司和歐洲羅-羅公司采用鈦合金制造了很多飛機發(fā)動機, 如羅-羅公司的AVON 發(fā)動機9-12 級壓氣機葉輪及葉片。協(xié)和飛機用的Olympus-593 發(fā)動機中有11個定子和10個轉(zhuǎn)子由鈦合金制造,并且第1級由Ti-6Al-4V制造,

14、其它各級由Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si制造。 普惠開發(fā)出了超前的雙轉(zhuǎn)子技術(shù)，雙轉(zhuǎn)子設(shè)計能顯著提高壓氣機效能，改善發(fā)動機加速響應(yīng)速度，在提高推力的同時降低耗油率。根據(jù)這一先進理論，成功設(shè)計出J57軸流渦噴發(fā)動機，1950年進行了首次臺架試驗，試驗中J57推力達到了10000磅，是歷史上第一種推力達到10000磅的噴氣發(fā)動機，后續(xù)型號推力進一步提高到了18000磅，其單位推力油耗也比二戰(zhàn)時期最好的德國噴氣發(fā)動機Jumo 004降低了近一半。 下圖為Svenska飛機的具有后燃燒器的改進普惠RM 8 發(fā)動機的各零件, 壓氣機圓盤及低壓壓氣機葉片用Ti-6Al-4V制造, 高壓壓氣機葉

15、片用 Ti-8Al-1Mo-1V 制造, 隔離環(huán)及發(fā)動機換向件由Ti-5Al-2.5Sn及工業(yè)純鈦制造。美國新一代F22 戰(zhàn)斗機的F119 發(fā)動機 (下彩圖) 不僅用鈦合金制作葉片, 而且發(fā)動機機匣、加力燃燒室筒體及尾噴管還用了新發(fā)展的阻燃鈦合金Alloy C鈦合金在飛機機身上的應(yīng)用 1950年在F84戰(zhàn)斗轟炸機上采用工業(yè)純鈦制造后機身隔熱板、導風罩和機尾罩等非承力構(gòu)件,鈦合金在飛機制造過程中便顯現(xiàn)了無與倫比的優(yōu)勢, 鈦合金在機身上的應(yīng)用范圍逐年增長。例如,B777采用Ti-6-4制造飛機主起落架鍛件,每件質(zhì)量1724kg; A380采用Ti-10-3制造主起落架, 每件重量3210kg。鈦合

16、金在飛機機身上的應(yīng)用主要集中在飛機骨架、蒙皮、機身隔板和起落架等部位。1- Fuselage skin ; 2- Support; 3- Interspar box ; 4- Aerofoil skin ; 5- Engine nacelle ; 6- Fuselage skeleton ; 7- Empennage skin ; 8- Tail cover ; 9- Tailfin component ; 10- Engine ; 11- Aerofoil rib ; 12- Aerofoil beam; 13- Wheel; 14- Landing gear波音777飛機使用材料示意圖 鈦

17、合金因其高比強度和優(yōu)異的耐腐蝕性等突出特性, 被廣泛應(yīng)用于鋁合金、高強鋼和鎳基高溫合金的質(zhì)量、強度、抗蝕性和高溫穩(wěn)定性等綜合性能不能滿足要求的飛機零部件中。機身采用鈦合金的主要原因總結(jié)如下: (1) 減重, 替代鋼和鎳基高溫合金(2) 使用強度的要求, 替代鋼、鋁合金和鎳基高溫合金 (3) 耐腐蝕性, 替代低合金鋼和鋁合金 (4) 滿足與聚合物復(fù)合材料的電化學相容性要求(5) 空間的限制, 替代鋼和鋁合金 鈦合金在飛機機身上的應(yīng)用主要集中在飛機骨架、蒙皮、機身隔板和起落架等部位,如前圖3所示.鈦合金在機身中的應(yīng)用 二 高溫合金高溫合金又稱耐熱合金或熱強合金，它是多組元的復(fù)雜合金，以鐵、鎳、鈷、

18、鈦等為基，能在600-1000的高溫氧化環(huán)境及燃氣腐蝕條件下工作，而且還可以在一定應(yīng)力作用下長期工作。 隨著人類飛向太空，核動力、光子火箭的發(fā)展，對高溫的要求進一步提高，將超出金屬高溫合金的極限，需要發(fā)展其他類型的高溫材料。圖1 高溫合金的發(fā)展過程462.高溫合金的特性和分類耐高溫金屬材料耐熱鋼低合金耐熱鋼鐵素體系耐熱鋼奧氏體系耐熱鋼500 700 高溫合金鐵基（鐵鎳基）高溫合金鈷基高溫合金鎳基高溫合金彌散強化合金狹義高溫合金700 1200定向凝固高溫合金鉬基、鉻基、鎢基高溫合金表1 耐熱合金和高溫合金的分類 在高溫下合金能具有較高的強度，良好的疲勞性能、斷裂韌度，以及強的抗氧化和抗熱腐蝕性

19、能，并保持良好的組織穩(wěn)定性和可靠的使用性能等綜合性能。47(1) 鐵基（鐵鎳基）高溫合金 鐵基高溫合金由奧氏體不銹鋼發(fā)展而來，在18-8型不銹鋼中加入鉬、鈮、鈦等合金元素，使其在500-700溫度下的持久強度提高。優(yōu)點：成本低，可用于制作一些使用溫度較低的航空發(fā)動機和工業(yè)燃氣機上的渦輪盤、導向葉片，以及一些承力件、緊固件等。缺點：鐵基高溫合金由于沉淀硬化型的組織不穩(wěn)定，抗氧化性差，高溫強度不夠，僅可使用于80048(2) 鎳基高溫合金 以鎳為基體，w Ni 50%，可在700-1000溫度范圍內(nèi)使用。優(yōu)點：鎳基高溫合金可溶解較多的元素，具有較好的組織穩(wěn)定性，高溫強度較高，比鐵基高溫合金有更好的

20、抗氧化性和抗腐蝕性。49(3) 鈷基高溫合金 w Co在40-60的奧氏體高溫合金，工作溫度可達730-1100。優(yōu)點：當溫度高于980時，其強度很高，抗熱疲勞、熱腐蝕和耐磨腐蝕性都很佳，適合于航空發(fā)動機，工業(yè)燃氣輪機，艦船燃氣輪機的導向葉片和噴嘴導向葉片以及柴油機的噴嘴等。50(3) 鈷基高溫合金缺點：一般鈷基高溫合金含wNi=10%-22%和wCr= 20%-30%，以及鎢、鉬、鉭、鈮等固溶強化和碳化物形成元素，其含碳量較高，是以碳化物為主要強化相的高溫合金，缺少共格類的強化相，中溫強度不如鎳基高溫合金。鈷是重要的戰(zhàn)略物質(zhì)，大多數(shù)國家缺乏，因此發(fā)展受到嚴重限制。513.高溫合金的高溫性能要

21、求 高溫合金工作在6001200，高溫性能要求： 高溫下的力學性能； 高溫下的抗腐蝕性能。(1) 高溫下的力學性能 持久強度 指合金在一定溫度、一定時間下的斷裂強度。要求獲得此條件下的最大強度，以 表示。其中A，B為材料常數(shù)， 為時間(h)， 是應(yīng)力(MPa)。持久強度與溫度梯度和波動，材料的缺口和應(yīng)力集中等因素有關(guān)。 52 熱疲勞 隨熱循環(huán)應(yīng)力增加，循環(huán)溫度或平均溫度的增加而下降；循環(huán)頻率增加，熱疲勞強度增加。應(yīng)力集中也會降低金屬熱疲勞強度。 松弛 零部件在長期應(yīng)力作用下，其總變形不變，零部件所受的應(yīng)力隨時間的增加而自發(fā)地逐漸降低的現(xiàn)象。此為高溫下合金內(nèi)部組織不穩(wěn)定引起。53 蠕變 指溫度高

22、于0.5T熔點下，材料承受遠低于屈服強度的應(yīng)力時，隨著時間的持續(xù)增加而產(chǎn)生的緩慢塑性變形的現(xiàn)象。典型的蠕變曲線見圖2所示，根據(jù)變形速率隨時間的變化，蠕變曲線可分為三個階段。 第一階段，即蠕變的減速階段。隨時間的增加，形變量增加，變形速率降低，見右圖的AB段。 圖2 典型的蠕變曲線54 第二階段，即恒定蠕變階段。此時蠕變變形速率隨加載時間的延長而保持不變，如BC段。 第三階段，蠕變的加速階段。蠕變形變速率顯著增加，當達圖中D點時，材料斷裂，溫度越高，承受力越大，蠕變斷裂時間越短。圖2 典型的蠕變曲線55(2) 抗腐蝕性 提高抗氧化、硫化、氮化、碳化、熱腐蝕性，可采用在合金中加入其它元素，或在合金

23、表面涂層的方法，如在合金的表面滲鋁、滲硅或鉻鋁、鉻硅共滲，陶瓷涂層等。 提高位錯在滑移面上運動的阻力，減緩位錯擴散型運動過程，改善晶界結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以增加晶界強化作用，或消除晶界在高溫時的薄弱環(huán)節(jié)，以提高高溫合金高溫力學性能。564.提高高溫合金性能的途徑和方法 結(jié)構(gòu)強化 1) 固溶強化 2) 沉淀強化 3) 晶界強化(2) 工藝強化 1) 粉末冶金 2) 定向凝固 3) 快速凝固57 高溫合金的特殊應(yīng)用 高溫合金一般用于熱交換部件,汽油、柴油機的排氣閥,汽輪機的葉片、盤葉輪軸,高溫緊固件等。高溫合金在 6001100 氧化、燃氣腐蝕、石油化工腐蝕、應(yīng)力腐蝕和高溫輻照等條件下,承受復(fù)雜應(yīng)力,能長期

24、可靠地工作,因而廣泛應(yīng)用于航空、宇航、船舶、 核電及化學工業(yè)中。 在航空工業(yè)中 ,主要用于發(fā)動機的熱端部件,如渦輪葉片、渦輪、燃燒室及渦輪傳動軸等;在核電工業(yè)中,主要用于核反應(yīng)堆堆內(nèi)結(jié)構(gòu)件,如吊籃筒體、流量分配板和堆芯圍板等;在超音速噴涂技術(shù)中,用作拉瓦爾管及其噴嘴;在石油工業(yè)中,主要用作爐用部件,如轉(zhuǎn)化爐管、重油燃燒器、石油裂解裝置等。 航空發(fā)動機按照推重比,渦輪前溫度等指標可劃分為4代，目前美、英、法等航空發(fā)達國家第一代、第二代發(fā)動機已全部退役，第三代發(fā)動機如F100、F110、T700等）從上世紀80年代開始成為現(xiàn)役發(fā)動機的主力，已規(guī)模批量生產(chǎn)；第四代發(fā)動機（如F119、EJ200、T8

25、00、MTR390和RTM322等）也在本世紀初開始裝備，并形成作戰(zhàn)能力；推重比15一級的發(fā)動機將在2015年左右定型。目前，正在研究驗證推重比20和新概念、新能源發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)，預(yù)計該系列發(fā)動機將在2030年左右問世。 航空發(fā)動機的發(fā)展，從第二代到第四代，大中等推力級渦噴、渦扇發(fā)動機渦輪前溫度從1300K-1400K（K為絕對溫度，K-273=）提高到1850K-1988K，推重比從5-6提高到10；中小推力級渦軸渦槳發(fā)動機渦輪前溫度從1200K-1300K提高到1400K-1500K；單位功率從180千瓦/千克提高到300千瓦/千克左右。未來先進渦扇發(fā)動機的渦輪前溫度將提高到2100K-

26、2150K，推重比將提高到12-15；先進渦軸發(fā)動機渦輪前溫度將提高到1800K-2 000K，單位功率將提高到400千瓦/千克左右。 隨著先進材料的出現(xiàn)，保證了新材料構(gòu)件及新型結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，從而使發(fā)動機重量不斷減輕，發(fā)動機的效率、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性也在不斷提高。據(jù)國外分析，航空發(fā)動機推重比的提高，70%靠材料技術(shù)。而渦輪是航空發(fā)動機的“皇冠”，葉片及盤又是皇冠上的明珠。因此高溫合金的發(fā)展關(guān)系到航空發(fā)動機的成敗，是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。 高溫合金的發(fā)展與航空發(fā)動機的技術(shù)進步密切相關(guān)。1937年德國的渦輪噴氣發(fā)動機問世，1939年英國也研制出惠特爾渦輪噴氣發(fā)動機。噴氣發(fā)動機熱端部件，特別是渦輪盤與葉

27、片，對材料的耐高溫性和應(yīng)力承受能力提出了很高的要求，即要求渦輪葉片材料能在600以上、高轉(zhuǎn)速、氧化腐蝕、冷熱交替的復(fù)雜環(huán)境下工作。當時能在高溫下使用的金屬材料只有以鐵為基體的耐熱不銹鋼，但耐熱不銹鋼的工作溫度達不到這個溫度要求。 材料科學家們開始尋找一種耐更高溫度的基體金屬。由于鎳和鈷與鐵在元素周期表中同屬于第八類，具有相似的結(jié)構(gòu)，因此它們與鐵一樣，具有作為結(jié)構(gòu)材料的一系列特性，但與鐵不同的是，直到熔點附近還具有較高的強度。目前在航空發(fā)動機上大量應(yīng)用的高溫合金有鐵基、鎳基和鈷基高溫合金。5.高溫合金的應(yīng)用(1) 航空發(fā)動機 65(1) 航空發(fā)動機 1) 燃燒室 部分壓縮空氣與燃料混合，在燃燒室

28、燃燒，所產(chǎn)生的燃氣溫度在15002000之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達800900以上，局部可達1100。冷卻空氣與燃燒的氣體混合，使燃氣溫度降到1370以下?？梢?，燃燒室壁除受高溫外，還承受由于內(nèi)外壁溫度不同引起的熱應(yīng)力作用。特別是在起飛、加速和停車時，溫度變化更為急劇。由于周期循環(huán)加熱冷卻，熱應(yīng)力可達很大值，冷卻孔更易破壞、燃燒室常出現(xiàn)變形、翹曲、邊緣熱疲勞裂紋等。66 2) 導向葉片 導向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃氣流動方向的部件。先進渦輪發(fā)動機導向葉片工作溫度可高達1100，但葉片承受的應(yīng)力比較低，一般在70MPa以下。對

29、材料要求是：高溫強度好，熱疲勞抗力佳，抗氧化、耐蝕性優(yōu)異，并具有一定的抗沖擊強度和組織穩(wěn)定性。 67 3) 動葉片 動葉片是渦較發(fā)動機中工作條件最惡劣的部件。先進航空發(fā)動機的燃氣進口溫度已達1380，推力達226kN。渦輪葉片承受氣動力和離心力的作用，葉身部分承受拉應(yīng)力大約140MPa；葉根部分承受平均應(yīng)力為280560MPa，相應(yīng)的葉身承受溫度為650980，葉根部分約為760。因此，動葉片材料要具有足夠的高溫拉伸強度、持久強度和蠕變強度，要有良好的疲勞強度及抗氧化、耐燃氣腐蝕性能和適當?shù)乃苄浴４送?，還要求長期組織穩(wěn)定性、良好的抗沖擊強度，可鑄性及較低的密度。 68 4) 渦輪盤 航空發(fā)動機

30、渦輪盤工作溫度在760左右，輪緣部分可達此溫度，而徑向盤心溫度逐漸降低，一般在300左右。輪盤正常運轉(zhuǎn)時，盤子帶著葉片、高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力。停車、起動反復(fù)進行，形成周期疲勞。69(2) 火箭發(fā)動機 圖8是液體燃料火箭發(fā)動機示意圖。透平泵機組的氣體發(fā)生器處于約1050的溫度下，由噴嘴中噴出的氣體的速度約為2500m/s。氣體靠近嘴壁處的溫度約為1350。對沒有特殊防護的一般金屬只能做短時忍耐。圖8 液體燃料火箭發(fā)動機示意圖1-噴嘴 2-燃燒室 3-混合帶 4-噴射器 5-主氣門 6-氣體發(fā)生器 7-渦輪機 8-透平泵 9-氧化劑 10-壓縮氣 11-燃料 12-涂料 13，14-金屬 15

31、-冷卻劑 16-氣體(約2500m/s)70 燃料箱、泵傳送器所用材料，特別需要化學穩(wěn)定性。液態(tài)氟以及作為氧化劑的發(fā)煙硝酸和四氧化氮，具有特別強烈的侵蝕性，除了在1000以上的工作溫度下出于腐蝕而引起的問題之外，流過的氣態(tài)燃燒產(chǎn)物也產(chǎn)生沖蝕性。 71 火箭啟動時，在12s內(nèi)，其加速度是5-6倍于地球的引力加速度，由于加速度增高引起的高度過載，會對材料施加非常巨大的機械負荷，盡管元件所受應(yīng)力是短時的，但由于其載荷的大小和方向急劇地發(fā)生變化，往往會引起疲勞斷裂?；鸺旧碇亓勘仨毐M可能的小，因此，金屬材料的比強度在火箭制造中具有特別重要的意義。72 彈道火箭進入大氣層時，熱流量為1000025000

32、kcal/(m2s)，它在短時間內(nèi)，引起巨大的溫度梯度，長時間作用則會建立起平衡溫度。對金屬材料的耐熱性有特殊的要求。73 國外長程大推力火箭發(fā)動機采用Inconel718高溫合金制造高壓導管，國內(nèi)研制的GH169合金管的疲勞壽命約為1Cr18Ni9Ti鋼管的3倍以上，具有良好彎管和焊接等工藝性能，還可用于發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子和主鈾。74 GH30金絲網(wǎng)多孔發(fā)散冷卻材料用于火箭發(fā)動機、制作噴注器面板，既作防熱材料又作結(jié)構(gòu)材料使用。噴注器面板上固定有許多氫氣、氧氣噴嘴，氫氣和氧氣噴進燃燒室進行燃燒，面板兩側(cè)的溫度差異極大，一面為超低溫-150，另一面為超高溫3500。GH30能承受發(fā)動機點火的瞬間產(chǎn)生

33、強烈的振動使面板受到的較大沖擊載荷，并成功地用于通信衛(wèi)星上。75 GH131鐵基高溫合金旋壓管用于大型液體火箭發(fā)動機渦輪燃氣進氣導管，還用于9001000使用的大型火箭發(fā)動機燃燒室、隔熱板、渦輪進氣導管，以及航空發(fā)動機的加力燃燒室、魚鱗片等。 GH188A合金與國際上最高強化型-鈷基變形合金HS-188相當，用于液體火箭姿態(tài)控制器發(fā)動機頭部與身部結(jié)合處的高溫彈性密封件。76(3) 燃氣輪機 航空發(fā)動機的燃氣輪機材料要求在較高溫度下，具有較高的持久強度和塑性變形等特點，而使用期限較短；固定式燃氣輪機材料要求在較低溫度下使用期限很長。固定式燃氣輪機裝置的使用時間取決于它的用途和功率大小。大功率發(fā)電

34、用的固定式裝置由于制造費用大，使用時間至少考慮為100000h；商船和熱力機車上的燃氣輪機裝置使用時間考慮在100000h之內(nèi)；軍用艦艇上的燃氣輪機裝置使用時間考慮1000050000h。78(3) 燃氣輪機 燃氣輪機的燃燒室、導向葉片、工作葉片、渦輪盤和轉(zhuǎn)子的要求與航空發(fā)動機相似。渦輪盤和氣缸法蘭盤的緊固螺栓，其工作溫度與渦輪盤及氣缸相同。燃氣輪機中的螺栓，有時必須在高達600750的溫度下工作。對緊固螺栓材料的主要要求是高溫時應(yīng)具有高的屈服強度和抗松弛性能。為了使連接的零件可以自由膨脹和減少溫差應(yīng)力，螺栓和連接零件的材料應(yīng)具有相同的熱膨脹性能。79 537合金是在800-850工作溫度下長

35、期使用的鎳基鑄造耐熱腐蝕合金，可用于地面燃氣輪機和艦用燃氣輪機上渦輪葉片的制作。合金800的抗拉強度可達800MPa以上；在815、430MPa下的持久壽命大于100h；800、220MPa下的持久壽命大于20000h；抗熱腐蝕性能相當于國外的 IN-738合金，但不含價格昂貴的稀有金屬鉭，成本低。80 543合金具有良好的高溫組織穩(wěn)定性。在800、經(jīng)8000h時效后沒有發(fā)現(xiàn)有害相。543合金可用作在700-750環(huán)境下長期使用的燃氣輪機動葉片材料。 GH333系鎳基高溫耐蝕合金，工作溫度可達900，用于制造燃氣輪機火焰筒、過渡段等燃燒部件。81(4) 汽油及柴油發(fā)動機 1) 排氣閥 工作溫度

36、一般為600-800，最高可達850以上。由于氣閥的高速運動和頻繁的啟動除了可能出現(xiàn)機械疲勞外，在氣閥頭部也可能產(chǎn)生冷熱疲勞。為了避免“爆振”，常在汽油中加入乙基鉛、溴化鉛等抗爆劑，所以汽車發(fā)動機排氣閥要求抗Pb腐蝕。重油中，含釩、硫、鈉等，故柴油機排氣閥要求抗V2O3，鈉和硫的腐蝕。82 2) 燒嘴 船舶、油田鉆機、機車、挖掘機等柴油機預(yù)燃燒室燒嘴，在800900長時間使用，要求組織性能穩(wěn)定，抗熱循環(huán)疲勞性能良好，膨脹系數(shù)較低。GH128和RA333高溫合金用于12V180Z 型柴油機預(yù)燃燒室燒嘴，GH128壽命達到4000h，最高達8408h；RA333最高壽命達 11600h。另有PZ5

37、02合金的性能與RA333合金噴嘴相當，且強度高、切削性能好、成本低，在各種發(fā)電機、船舶主機上使用。83 3) 熱發(fā)生器 作為排氣凈化裝置，熱發(fā)生器工作溫度達1000。隨著發(fā)動機的起動-停車的間斷加熱條件，促使氧化膜破壞和剝落。與排氣閥相同，尤其使用高鉛汽油，由于鉛化合物產(chǎn)生加速氧化；另外，因排氣中低氧壓的緣故，大氣中微量的SO2和硫酸鹽容易引起硫化。 844) 增壓器 柴油機發(fā)展中的增壓技術(shù)，廢氣增壓渦輪，是利用氣缸排出的廢氣帶動，以增加進氣壓力，加大進氣量，從而加強燃燒。采用廢氣渦輪增壓，可成倍地提高柴油機功率，大幅度降低單位功率，具有重大的經(jīng)濟效益。我國的K13合金，是一種Fe-Ni-C

38、r基鑄造高溫合金，與國外采用Incone1713和X40合金相比，含鎳少，不含鈷。K13合金大量用于制造渦輪和葉片鑄件，是750環(huán)境理想的增壓渦輪材料。K18合金是不含鈷的鎳基鑄造高溫合金。合金密度小，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性和鑄造工藝性能佳。在較寬的溫度范圍內(nèi)可用作燃氣渦輪工作葉片、導向葉片、整鑄渦輪和柴油機增壓器。85(5) 核工業(yè) 1) 核包殼 燃料元件包殼管壁承受600-800高溫，且壁又薄，所以材料必須具有高的蠕變強度。在液體金屬冷卻反應(yīng)堆中，使用氧化物燃料時，包殼受到的應(yīng)力約為120-150MPa。材料在上述條件下會出現(xiàn)嚴重的塑性變形，從而造成燃料元件的提前斷裂。在燃料元件使

39、用壽命終期，包殼受到的機械應(yīng)力是最大的，因而對其機械性能要求也高。燃料元件包殼材料外部受冷卻劑的侵蝕，內(nèi)部受燃料的侵蝕，所以作為燃料元件包殼材料的耐腐蝕率也有高的要求。86 對鐵基和鎳基合金來說，還有金屬的溶解腐蝕，鎳含量高時，腐蝕率顯著增高。燃料元件的包殼除受冷卻劑的腐蝕以外，與燃料的化學反應(yīng)、輻照損壞也是可能導致包殼材料的重要問題之一，對快速中子增殖反應(yīng)堆燃料包殼材料具有重要影響的還有高溫脆性。 鈉冷反應(yīng)堆燃料包殼材料一般有三大類：不銹鋼、鎳基合金和難熔金屬及其合金。鎳基合金有Hastelloy、Incoloy800、Nimonic80A等。87 2) 燃料元件定位架 它處于高溫、高壓、高

40、通量輻照等苛刻條件下工作，要求材料有較好的綜合性能。GH169A合金冷軋帶材具有良好的冷沖壓性能和釬焊性能，能滿足要求。 3) 高溫氣體爐 這是將氦氣作為冷卻介質(zhì)的反應(yīng)堆，可獲得7501000的高溫，作為煉鐵和化學工業(yè)及其他過程的熱源。原子能煉鐵，就是要利用這種核熱能，造成高溫還原性氣氛。為安全起見，氦/氦中間需有換熱器，這種換熱器擬采用鎳合金。其目標是能夠制造在1000不純氦中，10萬h內(nèi)蠕變斷裂強度在10MPa以上，外徑425mm ，厚5mm、長度在7m以上的耐熱鋼管。88 (6) 其他領(lǐng)域 1) 煤的氣化、液化 煤氣化環(huán)境中氧的分壓低，硫的分壓高，結(jié)果在金屬表面不易形成有效的保護性氧化膜

41、，而是含有大量有腐蝕性的質(zhì)質(zhì)點。這些物質(zhì)與氣化器內(nèi)的金屬部件接觸，在高溫下與氧化膜反應(yīng)使之破壞，這些沉積物還阻礙氧化膜的繼續(xù)生成。煤汽化中含有H2S，多數(shù)高溫材料在低溫(1.2GPa、s1GPa的鋼稱為高強度鋼； 把調(diào)質(zhì)后b1.5GPa、s1.3GPa的鋼稱為超高強度鋼，硬度在35-50HRC之間。 超高強度鋼 由于具有極高比強度、高比剛度和良好的韌性,成為了航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料,用于航空結(jié)構(gòu)的重要承力件,它能夠減輕結(jié)構(gòu)重量既可增加飛機的運載能力,加大航程,又可減少燃油消耗,因此,超高強度鋼在航空上得到廣泛的應(yīng)用,特別是最典型和最重要的航空用超高強度鋼成功研制與應(yīng)用。 超高強度鋼在現(xiàn)役飛機結(jié)構(gòu)中約

42、占5%，用于重要承力件中，如起落架、翼梁、承力螺栓等，其中低合金超高強度鋼具有高強度和中等斷裂韌度，例如GC-4、3H643、300M、35NCD；高合金超高強度鋼主要是高Co-Ni的低碳二次硬化超高強度鋼，具有超高強度、高斷裂韌度和良好的耐腐蝕與耐應(yīng)力腐蝕性能，例如，A F1410、AerMet100等。為進一步提高耐腐蝕性能，超高強度鋼的發(fā)展方向是二次硬化型的不銹鋼和不銹齒輪鋼。 超高強度鋼的主要鋼號有： 32SiMnMoV, 37SiMnCrNiMoV,40SiMnCrMoV, 40SiMnCrNiMoV, 28Cr3SiNiMoWVA,30Cr3SiNiMoVA, 32Si2Mn2Mo

43、WV, 33CrNi2MoV,60Cr4Mo3Ni2WV,30SiMnCrNiMoVA,45NiCr3Mo12VA,30CrMnSiNi2A,D6AC,HP310等。 在我國,民航運輸量每年以14%的速度增長 ,預(yù)計到2026年,大飛機增加數(shù)目為4752架,形成了上千億美元的市場。但是,目前國內(nèi)民航運輸所用飛機和備件絕大多數(shù)都依賴進口。 民用航空部件要求具有高度安全性,高度可靠性并兼顧一定的經(jīng)濟性。尤其是機身主梁、驅(qū)動裝置及起落架等關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件,需要可靠性高、強韌性配合好、具有一定耐蝕性的新型結(jié)構(gòu)材料,這對國內(nèi)鋼鐵材料尤其是高強度不銹鋼提出了新的挑戰(zhàn)和機遇。 飛機起落架是飛機的關(guān)鍵部件，在飛

44、機中起承重、 緩沖、滑跑滑行制動和操縱等作用。統(tǒng)計顯示，70%以上的航空飛機事故，都是發(fā)生在飛機起飛與降落的時候。由4000多個零部件組成的飛機起落架，在技術(shù)含量和配置要求上都極為苛刻。目前國內(nèi)外主要采用低合金超高強鋼作為起落架用材料，如300M等。高強度鋼在沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū)等腐蝕較嚴重環(huán)境下服役期間，結(jié)構(gòu)的若干部位會發(fā)生嚴重腐蝕損傷，飛機起落架關(guān)鍵部位的腐蝕問題嚴重影響了飛機的可靠性、安全性和壽命，也嚴重影響了飛機的出勤率和戰(zhàn)斗力。 因此需要可靠性高、強韌性配合好、具有一定耐蝕性的新型結(jié)構(gòu)材料,這對國內(nèi)鋼鐵材料尤其是高強度不銹鋼提出了新的挑戰(zhàn)和機遇。由于高強度不銹鋼在具有高強度高韌性的同時

45、還具有耐腐蝕,特別是耐應(yīng)力腐蝕等特點,所以一直是不銹鋼領(lǐng)域的發(fā)展重點。 通常把抗拉強度超過800MPa、屈服強度大于500MPa的不銹鋼稱為高強度不銹鋼 ,把屈服強度高于1380MPa的不銹鋼稱為超高強度不銹鋼。（1） 沉淀硬化不銹鋼 1）半奧氏體沉淀硬化不銹鋼 半奧氏體沉淀硬化不銹鋼的特點是可以在奧氏體狀態(tài)進行切削加工、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)變和析出硬化 ,獲得不同的強韌性配合,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,尤其是低于480下使用時,熱強性能良好。 半奧氏體沉淀硬化不銹鋼的典型代表有0

46、Cr17Ni7Al (17-7PH)、0Cr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo)和 0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。這類鋼主要用于在航空工業(yè)中溫度低于400的耐蝕承力結(jié)構(gòu)件如各種管道、管接頭、彈簧以及緊固件等。產(chǎn)品有板、管、帶、絲、棒、鑄件和鍛件等。2）馬氏體沉淀硬化不銹鋼 馬氏體沉淀硬化不銹鋼的強度是通過馬氏體相變和沉淀硬化處理來實現(xiàn) ,優(yōu)點是強度較高 ,同時由于低碳、高鉻、高鉬和/或高銅,其耐蝕性一般不低于18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼。這類鋼易切削、易焊接,而且焊后一般不需要局部退火,熱處理工藝也比較簡單。其缺點主要是即使在退火態(tài),組織仍然是低碳馬氏體,因此難以進行深變形冷加工。

47、馬氏體沉淀硬化不銹鋼的代表鋼種有 0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)和0Cr13Ni8Mo2Al(PH13-8Mo),多用于制造溫度低于400下工作的高強耐蝕承力構(gòu)件,如發(fā)動機承力件和緊固件,而且緊固件在航空承力耐蝕中溫結(jié)構(gòu)件方面應(yīng)用十分廣泛。3） 奧氏體沉淀硬化不銹鋼 實際上,奧氏體沉淀硬化不銹鋼屬于Fe-Ni 基高溫合金,是高強度不銹鋼中具有最高高溫(600-700)強度的鋼,650下的屈服強度與室溫時相差不多,而且超低溫韌性極好,基本沒有低溫脆性,其沉淀強化作用顯著,制作大斷面部件時的力學性能均勻,冷變形和耐蝕性能十分優(yōu)越。這類鋼的缺點主要是室溫及中溫強度較低,可焊性差。奧氏體沉

48、淀硬化不銹鋼的代表鋼種有0Cr15Ni25Ti2Mo1VAl,多用于制造噴氣發(fā)動機渦輪、 葉片、機身、緊固件和高強度彈簧等。（2）時效不銹鋼 1）馬氏體時效不銹鋼 馬氏體時效不銹鋼是20世紀60年代中期發(fā)展起來的新型高強度不銹鋼。這類鋼既具有高強度和超高強度,又克服了馬氏體沉淀硬化不銹鋼低溫韌性差和在350400長期使用時脆化傾向大的缺點；在固溶態(tài)為超低碳馬氏體組織,加工硬化指數(shù)低,易于冷加工；固溶態(tài)時,其焊接性能好；熱處理簡單,工件尺寸穩(wěn)定；與其它高強度不銹鋼相比,在同等強度下塑性和韌性較好；由于碳含量低 ,其耐蝕性優(yōu)于同等鉻含量的馬氏體沉淀硬化不銹鋼。此類鋼的缺點主要是由于碳含量低耐磨性較

49、差 ,需進行表面處理以提高耐磨性和疲勞強度。 馬氏體時效不銹鋼的主要牌號。 00Cr16Ni5Al 00Cr16Ni5Al(700-1100MPa)鋼組織中含有部分鐵素體,對鍛造有一定要求；強韌配合良好,深沖及彎曲性能較高,相當于Cr18Ni8不銹鋼；焊接性能好,焊前不需要預(yù)熱,焊后不用熱處理,焊接效率超過了90%。 00Cr15Ni6Nb 00Cr15Ni6Nb(10001200MPa)鋼具有良好的塑性、韌性和耐蝕性,深沖性能好,切削性能優(yōu)良,在軟化、固溶和時效狀態(tài)下都能切削,不粘刀。特別是焊接性能優(yōu)良,可用母材成分焊絲進行焊接,而且焊接效率較高,焊接接頭強度與母材基本一致。因00Cr15N

50、i6Nb鋼強度較高,在航空工業(yè)中可用來代替大量使用的1Cr18Ni9不銹鋼。 00Cr14Ni6Mo2NbAl 00Cr14Ni6Mo2NbAl (10001200MPa)鋼具有良好的常溫、高溫及低溫的綜合性能,固溶后620軟化處理時,深沖性能可與 1Cr18Ni8鋼相當;耐蝕性和切削性較高 ,焊接性能良好, 不需預(yù)熱和焊后熱處理, 時效后尺寸變化小, 適于制造耐磨結(jié)構(gòu)件 00Cr11Ni10Mo2Al,00Cr11Ni10Mo2Ti0.6Al和00Cr11Ni10Mo2Ti100Cr11Ni10Mo2Al(1200-1300MPa)，00Cr-11Ni10Mo2Ti0.6Al(1300-15

51、00MPa)和00Cr11Ni-10Mo2 Ti1(1600-1700MPa)這一系列鋼種以Mo、Al和Ti為主要強化、韌化元素, 在固溶態(tài)具有良好的冷加工性能,可進行較復(fù)雜的沖壓加工。具有良好的耐蝕性,高沖擊韌性和斷裂韌度,可以用焊接不銹鋼的任何一種方法進行焊接。多用于制造航空工業(yè)中的彈簧、緊固件和承力結(jié)構(gòu)件等。 00Cr12Co12Ni4Mo4Ti Co、Mo復(fù)合強化可使00Cr12Co12Ni4Mo4Ti (12001600MPa)鋼的強化作用更為明顯。因為Co可以減少Mo在基體中的溶解度,還能提高鋼的彈性模量。在 420時效時耐蝕性最好；熱加工性能優(yōu)良,固溶態(tài)時易于冷加工；焊前不需預(yù)熱

52、，焊后如要求高的強韌性可進行固溶+時效處理。00Cr12Co12Ni4Mo4 Ti鋼的強韌性配合較好，抗疲勞性能和彈性模量也很高，多用于制造要求耐蝕、承載力且高抗彈性衰減性的部件。 00Cr12Ni8Cu2AlNb 00Cr12Ni8Cu2AlNb(15001700MPa)鋼在具有高強度的同時,還具有足夠的韌性,而且耐應(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；冷作硬化傾向較小,一般不需要進行中間軟化處理；易于焊接,工藝簡單,大斷面焊縫強度系數(shù)大于85%。00Cr12Ni8Cu2AlNb鋼主要用于制造耐蝕、承力部件、高性能的軸、齒

53、輪以及彈簧等。 00Cr13Ni8Mo2TiNbAl 00Cr13Ni8Mo2TiNbAl(10001600MPa)鋼在具有高強度的同時還保留了較高的韌性,而且低溫沖擊韌性也很高；高溫瞬時力學性能好,最高使用溫度 450,瞬時使用溫度800,并且耐燃氣腐蝕；在鹽水、鹽霧及多種腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性能良好；熱加工性能好,冷加工時冷作硬化傾向小；焊接工藝簡單,不需要預(yù)熱。 00Cr12Ni11Mo1Ti1.65 00Cr12Ni11Mo1Ti1.65(即custom465,1300-1800MPa)鋼為Carpenter公司專利鋼種，在峰時效（482時效）狀態(tài)下強度可達1820MPa，而且仍既有優(yōu)良的

54、缺口強度和斷裂韌性。在長期熱暴露后還具有較高的強度，耐蝕性能與AISI304鋼相近。此鋼熱處理時尺寸變化較小，可在固溶態(tài)及不同機加工狀態(tài)下冷加工。00Cr11Ni8Co8.5Mo5Al1 00Cr11Ni8Co8.5Mo5Al1(即Custom475,16002100 MPa)鋼也是Carpenter公司的專利鋼種。此鋼可達到任何一個可得到的商業(yè)最高強度水平。峰時效(524時效)強度高達2030MPa,時效前不需進行應(yīng)變強化,時效后強度即可達到1960MPa,而退火后的屈服強度僅1 000MPa左右。加工硬化速率較低,可順利進行冷加工,切削特性與其它高鎳馬氏體時效鋼類似,并具有較好的耐大氣腐蝕

55、性能。 除上述鋼種之外,還研究了一種成分(質(zhì)量分數(shù),%)為Cr13.0-16.5、Ni4.0-7.5、Co9.5-15.0、Mo5.0-7.5以及含有適量鈦的超低碳 Cr-Ni-Co-Mo-Ti系高潔凈度、細晶組織的馬氏體時效不銹鋼。這種鋼的抗拉強度已超過了1900MPa,伸長率大于15% ,并具有較好的強韌性配合,是制造耐蝕承力件的良好用材。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度很高,強韌性配合良好 ,但由于鉻含量較低,鎳含量也受到限制,因而在強腐蝕介質(zhì)中難以使用。為此研制了00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti鐵素體時效不銹鋼。這種鋼的抗拉強度大約為1100MPa(屈服

56、強度為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能力大大提高 ,耐點蝕及縫隙腐蝕性能顯著優(yōu)于AISI316鋼,而且屈服強度為AISI316鋼的23倍,是海水中最有使用前途的高強度不銹鋼之一。 高強度不銹鋼的應(yīng)用 各種強度級別的高強度不銹鋼在飛機上已得到廣泛應(yīng)用,產(chǎn)品有棒、板、管、帶等多種類型。隨著鋼種的不斷改進和冶煉技術(shù)的提高,高強度不銹鋼在飛機某些典型裝置上的應(yīng)用得到不斷改進1 飛機起降裝置 用 于 制 造 飛 機 起 落 架 的 結(jié) 構(gòu) 材 料 有30CrMnSiNi2A、4340、300M、Aermet100等。對于在海洋性氣候下使用的飛機起落架、緊固件等則

57、多用沉淀硬化不銹鋼制造,如17-4PH 用于F-15飛機的起落架,其改進型15-5PH鋼用于B-767飛機的起落架 ,由于 PH13-8Mo鋼抗應(yīng)力腐蝕性能比同級別沉淀硬化不銹鋼好,從而有望代替17-4PH、15-5PH、17-7PH以及 PH15-7Mo等鋼種。 自上世紀80 年代起 ,美國對馬氏體時效和沉淀硬化不銹鋼的強韌化進行了進一步的研究,發(fā)表了HSL180 和Custom465鋼。這些鋼的強度都超過了1600MPa,其中HSL180鋼是在淬火、低溫處理后利用回火處理的二次硬化得到了與15-5PH鋼相近的耐腐蝕性能和大于1800MPa的強度；美國Carpenter公司稱Custom46

58、5 (00Cr12Ni11Mo1Ti1.65)鋼在538過時效狀態(tài)下可提供比其它高強度不銹鋼(如Custom455或PH13-8Mo)更高的強度、韌性和抗應(yīng)力腐蝕性的組合,有望逐步代替現(xiàn)用的高強度不銹鋼。 2 飛機軸承 德國 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-1%Mo),其耐腐蝕性能比SUS440鋼更好。這種鋼是通過在高壓氮氣氛下進行電渣重熔的PESR工藝生產(chǎn)的高氮完全硬化型高溫不銹鋼,但因其為完全硬化型,所以不適于高DN值(D為軸承內(nèi)徑;N為軸轉(zhuǎn)數(shù))。但是,用同樣的 Cronidur30鋼通過高頻淬火,此鋼的DN值可達到410

59、6mmr/ min,同時還滿足殘余壓縮應(yīng)力及斷裂韌性值。但是當回火溫度低于150時,就不能承受引擎關(guān)閉后熱沖擊造成的軸承溫度上升。 3 飛機結(jié)構(gòu)體 飛機結(jié)構(gòu)體中的高強度不銹鋼主要有15-5PH、17-4PH和PH13-8Mo鋼等,并在軍用飛機上應(yīng)用,以替代傳統(tǒng)的30CrMnSiA等高強度合金鋼。其零件形式有艙蓋鎖閂、高強度螺栓和彈簧等各類零配件。民用飛機將此類高強度不銹鋼用于機翼梁上。 如波音737-600型機翼梁采用15-5PH鋼;A340-300型機翼梁采用PH13-8Mo鋼。在要求高強度和高韌性 ,特別對橫向性能有特殊要求的部位(如機身框架),采用PH13-8Mo鋼。最近,由于要求提高韌

60、性和耐應(yīng)力腐蝕性能,試采用Custom465鋼。Custom465鋼是Carpenter 公司在Custom450鋼和Custom455鋼的基礎(chǔ)上研發(fā)的,用于制造飛機的襟翼導軌、縫翼導軌、傳動裝置以及引擎支架等。目前,該鋼已被納入MMPDS-02,AMS 5936和ASTM A564技術(shù)規(guī)范中。 用HSL180高強度不銹鋼(0.21C-12.5Cr-21.0Ni-15.5Co-2.0Mo)制造飛機結(jié)構(gòu)體,兼有與4340等低合金鋼相當?shù)膹姸?1800MPa),與SUS630等沉淀硬化不銹鋼同等的耐腐蝕性和韌性。 4 飛機零件 對于一些加工變形量大的零件,通常用1Cr18Ni9Ti不銹鋼。但該鋼強