材料課堂丨航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的超高強(qiáng)度鋼

2017-01-07 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一般地,室溫條件下屈服強(qiáng)度大于550 MPa的鋼被稱為超高強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域。

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典型超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1、低合金超高強(qiáng)度鋼

AISI 4340是最早出現(xiàn)的低合金超高強(qiáng)度鋼,也是低合金超高強(qiáng)度鋼的典型代表。美國(guó)從20世紀(jì)40年代中期開始研究4340鋼,通過(guò)降低回火溫度,使鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1600~1900MPa。1955年4340鋼開始用于F-104飛機(jī)起落架。通過(guò)淬火和低溫回火處理,AISI 4130、4140、4330或4340鋼的抗拉強(qiáng)度均可超過(guò)1500MPa,而且缺口沖擊韌性較高。

為了抑制低合金超高強(qiáng)度鋼回火脆性,1952 年美國(guó)國(guó)際鎳公司開發(fā)了300M鋼。該鋼通過(guò)添加了1~2%的硅來(lái)提高回火溫度(260~315℃),并可抑制馬氏體回火脆性。300M鋼在1966 年后作為美國(guó)的軍機(jī)和主要民航飛機(jī)的起落架材料而獲廣泛的應(yīng)用,F-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰(zhàn)斗機(jī)都采用了300M 鋼,此外波音747 等民用飛機(jī)的起落架及波音767 飛機(jī)機(jī)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(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)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(guó)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(dòng)機(jī)殼體及飛機(jī)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(dòng)機(jī)殼體的專用鋼種。美國(guó)新型地空導(dǎo)彈“愛國(guó)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(guó)航天飛機(jī)的φ3.7m助推器殼體也采用D6AC 鋼制造。D6AC 還曾用于制造F-111飛機(jī)的起落架和機(jī)翼軸等。

蘇聯(lián)具有自己的鋼種體系,最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA(ЭИ643)鋼。30XГCH2A 是在30XГC 基礎(chǔ)上加入1.4~1.8%的鎳而得到的低合金超高強(qiáng)度鋼,由于鎳的加入提高了鋼的強(qiáng)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(lái)的,40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近十幾年來(lái)他們又研制了新型經(jīng)濟(jì)型的低合金超高強(qiáng)度鋼35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC- 9),其抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)到1800~2000MPa 和1950~2150MPa。

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406鋼是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行研制低合金超高強(qiáng)度鋼最成功的典范。它是為解決大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料而研制的超高強(qiáng)度鋼,1966年由冶金部和七機(jī)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(hào)兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,使用強(qiáng)度>1715 MPa,KIC>72 MPa·m1/2,相當(dāng)于美國(guó)“北極星A2”導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用的D6AC鋼。

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406鋼制造的DF-21導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體

為了提高大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性,又在406鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了D406A鋼,通過(guò)降低碳含量和采用VIM+VAR冶煉技術(shù),提高了純凈度。D406A鋼的強(qiáng)度稍有下降,但提高了韌性(σb>1620MPa,KIC>87 MPa·m1/2)。1993年通過(guò)技術(shù)鑒定,已成功用于東風(fēng)和巨浪系列導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。

2、二次硬化超高強(qiáng)度鋼

二次硬化超高強(qiáng)度鋼特點(diǎn)是在 480~550℃范圍回火(或時(shí)效)后,析出合金碳化物產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng),強(qiáng)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(shí)韌性提高。

HY180鋼是1965 年由美國(guó)U.S.鋼公司開發(fā)出來(lái)的優(yōu)良高韌性超高強(qiáng)度鋼,其化學(xué)成分(重量百分比) 為:0.10C、10Ni、8Co、2Cr、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(qiáng)度和韌性雖能滿足對(duì)低溫高壓深水潛艇使用要求,但尚不能滿足航空航天器對(duì)超高強(qiáng)度鋼的高強(qiáng)韌性的要求。

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展,開發(fā)強(qiáng)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(duì)Fe10Ni 系合金鋼進(jìn)行的研究基礎(chǔ)上,對(duì)HY180 進(jìn)行了改進(jìn),1978年開發(fā)了AF1410超高強(qiáng)度合金鋼,該鋼經(jīng)830℃油淬+510℃時(shí)效后,σ0.2≥1517MPa,KIC≥154MPa·m1/2。因此該鋼以極高的強(qiáng)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(qiáng)度鋼。

在保持AF1410 超高強(qiáng)度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步提高其強(qiáng)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(qiáng)度合金鋼。該鋼與AF1410 鋼相比,強(qiáng)度有了進(jìn)一步提高(σb≥1930 MPa),但韌性稍有下降(KIC≥110MPa·m1/2)。Aermet 100是目前綜合性能最高的超高強(qiáng)度鋼,是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料,美國(guó)己成功地將其應(yīng)用在最先進(jìn)的F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)起落架和F-18艦載機(jī)的起落架上。

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以Aermet 100為材料的F/A-22起落架

3、馬氏體時(shí)效鋼

馬氏體時(shí)效鋼以無(wú)碳(或微碳)馬氏體為基體的,時(shí)效時(shí)能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼。具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的馬氏體時(shí)效鋼,是20世紀(jì)60年代初由國(guó)際鎳公司(INCO)首先開發(fā)出來(lái)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(guò)時(shí)效硬化得到屈服強(qiáng)度分別達(dá)到1400、1700、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(dòng)機(jī)殼體。

馬氏體時(shí)效鋼在相同的強(qiáng)度級(jí)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(jiǎn)單,冷加工成型性好。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用18Ni馬氏體時(shí)效鋼,使用強(qiáng)度為1750 MPa,濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用馬氏體時(shí)效鋼,使用強(qiáng)度達(dá)到2450MPa。但合金元素含量高致使馬氏體時(shí)效鋼的成本增高。90年代,國(guó)內(nèi)在18Ni馬氏體時(shí)效鋼的基礎(chǔ)上,采用取消鈷元素,提高鎳、鈦含量的方法,成功研制出了T250、T300馬氏體時(shí)效鋼。T250馬氏體時(shí)效鋼力學(xué)性能為: σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2,是制造我國(guó)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的新一代材料。2006年,寶鋼特殊鋼分公司、撫鋼、安大廠和太鋼等單位聯(lián)合攻關(guān),成功試制出直徑為1200mm的T250鋼固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,已用于某航天型號(hào)。

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4、Ferrium S53 超高強(qiáng)、高韌耐蝕不銹鋼

FerriumS53是一種宇航結(jié)構(gòu)件用耐腐蝕超高強(qiáng)度不銹鋼,其力學(xué)性能等于或優(yōu)于傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度不銹鋼,比如300M和SAE4340,而耐腐蝕性能類似于1.5-5PH。開發(fā)超高強(qiáng)度不銹鋼FerriumS53的目的是要淘汰有毒的金屬鍍層。

FerriumS53不銹鋼的特點(diǎn)如下:

●耐蝕相當(dāng)于15-5PH H900

●強(qiáng)度與與300M(AMS 6257A)相當(dāng)或更好

●耐應(yīng)力腐蝕破裂:KIscc≥16.5 MPa

●具有最大耐疲勞的最佳顯微結(jié)構(gòu)特征

●對(duì)磨損和疲勞的表面可使硬度大于67 HRC

●高強(qiáng)度高韌性細(xì)條狀馬氏體基體

●細(xì)晶粒與極細(xì)金屬碳化物彌散分布,以提高耐磨性能和韌性

●通過(guò)回火使納米級(jí)金屬碳化物(M2C)彌散進(jìn)行強(qiáng)化,同時(shí)避免其他碳化物,使強(qiáng)度、耐磨性能以及韌性最大化

●為了獲得最佳的耐腐蝕性能,形成了一種穩(wěn)定的鈍態(tài)氧化物薄膜

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目前飛機(jī)起落架選用的鋼材(如:300M、SAE4340)都要求進(jìn)行保護(hù)性的以氰化物為基礎(chǔ)的鍍鎘處理。鎘是大家熟知的一種致癌物,在最初的飛機(jī)制造和在飛機(jī)維修過(guò)程中都存在明顯的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。此外,為了避免氫脆,鍍鎘工藝要求隨后進(jìn)行氫還原退火操作。在這些用途中用Ferrium53來(lái)取代其他材料就不需要鍍鎘和隨后的氫還原退火操作。而且該不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能(SCC)也優(yōu)于300M和SAE4340。另外,還有更高的可硬化性能。對(duì)于一個(gè)給定的截面尺寸,適合的淬火條件并不那么嚴(yán)格,因此,在熱處理過(guò)程中幾乎沒有變形。這種不銹鋼的處理工藝與其他淬火和回火的馬氏體二次硬化鋼的處理工藝類似。為了避免表面脫碳,推薦進(jìn)行真空熱處理和真空回火。淬火冷卻到室溫之后,再進(jìn)行低溫處理,以保證完全的馬氏體轉(zhuǎn)變。它有代表性的回火溫度是470℃,接近這個(gè)溫度時(shí),這種不銹鋼有優(yōu)異的熱阻性能。這就允許采用更高的研磨速度而不會(huì)產(chǎn)生研磨燒傷的風(fēng)險(xiǎn),因而使用中更加耐用。

FerriumS53的一般耐腐蝕性能類似于有代表性的沉淀硬化不銹鋼,比如l7-4PH和15-5PH。線性極化試驗(yàn)測(cè)得的開路電位(OCP)大約是-0.30V,與室溫下在3.5%的氯化鈉溶液中的飽和Ag/AgCl參比電極相比較,年平均腐蝕速度為0.01mm。在3.5%氯化鈉溶液中它是不生銹的。