航空結(jié)構(gòu)材料

航空航天超高強度鋼的研究現(xiàn)狀xx1，xx21xx材料學(xué)院xx班xx號2xx材料學(xué)院xx班xx號摘要：室溫條件下抗拉強度大于1400MPa、屈服強度大于1200MPa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。按其物理冶金學(xué)特點，超高強度鋼大體可以分為低合金超高強度鋼、二次硬化超高強度鋼和馬氏體時效鋼。目前，典型的低合金超高強度鋼是AISI4340和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高強度鋼是HY180和AF1410。關(guān)鍵字：航空航天；超高強度鋼；研究現(xiàn)狀。引言隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強度高(1586?1724MPa)、斷裂韌性好(125MPa?m1/2)、可焊接性好的新型航空材料成為發(fā)展方向。以往的通過改變合金成分來提高超高強度鋼的強度和韌性已很困難，所以要想有所突破，就要從開發(fā)新工藝、新技術(shù)方向著手，為此就很有必要深入學(xué)習(xí)超高強度鋼的研究發(fā)展歷程以及其制造工藝。超高強度合金鋼材料的研究進展低合金超高強度鋼AISI4340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4340鋼，通過降低回火溫度，使鋼的抗拉強度達到1600~1900MPa。1955年4340鋼開始用于F-104飛機起落架。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AISI4340鋼改進而成，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p3.7m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(3S643)鋼。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經(jīng)濟型的低合金超高強度鋼35XCH3MlA(BKC-8)和35XC2H3M10A(BKC-9)，其抗拉強度分別可達到1800~2000MPa和1950~2150MP&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,70年代開始以仿制美國的鋼種為主，如4340、300M、D6AC等。二是根據(jù)我國的資源情況和工程的需要，自主開發(fā)研制了具有我國特點的低合金超高強度鋼，如406鋼等。我國成功仿制了一系列國外鋼種，在許多重大工程中發(fā)揮了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A是仿制前蘇聯(lián)30X「CH2A鋼生產(chǎn)的。70年代開始仿制美國的鋼種，最具代表性的有40CrNi2MoA鋼，是仿4340鋼研制而成的[FS:PAGE]；40Si2Ni2CrMoVA鋼是仿美國的300M鋼研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC鋼研制的。50年代，我國立足國內(nèi)資源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金鋼種，無鎳鉻的35Si2Mn2MoVA,不含鎳的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4)，含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA等。406鋼是我國自行設(shè)計、自行研制最成功的典范，它是為解決航天固體火箭發(fā)動機殼體材料而研制的超高強度鋼。為了提高材料的韌性又開發(fā)了D406A。二次硬化超高強度鋼二次硬化超高強度鋼特點是在480~550°C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、lONi、8Co、2Cr、IMo,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(125MPa?m1/2)、可焊接性好的新型材料成為發(fā)展方向。為了達到航空構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，在對Fe10Ni系合金鋼進行的研究基礎(chǔ)上，對HY180進行了改進，1978年開發(fā)了AF1410超高強度合金鋼，該鋼經(jīng)830C油淬+510C時效后，a0.2$1517MPa,KIC$154MPa?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AF1410超高強度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上，為進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Aermet100超高強度合金鋼。該鋼與AF1410鋼相比，強度有了進一步提高(ab$1930MPa)，但韌性稍有下降(KIC$110MPa?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)用在最先進的F/A-22戰(zhàn)斗機起落架和F-18艦載機的起落架上。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ab>1520MPa，KIC>124MPa?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Aermet100鋼，超高純凈鋼材提純技術(shù)取得重大進展，有害元素S、P、0、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)品達到了美國Aermet100鋼實物水平，將用于我國四代機和艦載機的起落架。2.3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)動機殼體。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1700~2500MPa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鉆或節(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%的貴重鉆元素，而我國鉆資源缺乏，80年代以來國際市場鉆價不斷上漲，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。近十幾年來國外無鉆馬氏體時效鋼的開發(fā)取得了很大進展。90年代，國內(nèi)在18Ni馬氏體時效鋼的基礎(chǔ)上，采用取消鉆元素，提高鎳、鈦含量的方法，成功研制出了T250、T300馬氏體時效鋼。T250馬氏體時效鋼力學(xué)性能為：Ob~1760MPa、a_0.2>1655MPa、KIC>80MPam「/2,是制造我國固體發(fā)動機殼體的新一代材料。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)動機殼體，已用于某航天型號。鋁合金的制造工藝研究進展3.1低合金超高強度鋼低合金超高強度鋼合金元素含量少(<5%)，經(jīng)濟性好，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0.30~0.45%。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。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1~2%的硅來提高回火溫度(260~315°C),并可抑制馬氏體回火脆性。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。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(31/1643)鋼。30X「CH2A是在30X「C基礎(chǔ)上加入1.4~1.8%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。二次硬化超高強度鋼H—11鋼是最早研制成功和使用的中合金超高強度鋼。鋼的含碳量約0.40%，含鉻5%。鋼的淬透性高，一般零件在空氣冷卻條件下即可獲得馬氏體組織。經(jīng)500C回火時，析出M2C(M表金屬元素)和V4C3，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，鋼的強度達到1962MPa以上。該類鋼具有較高的中溫強度，除用于制做熱作模具外還制做飛機發(fā)動機后框架等，在400?500C工作條件下能承受較高的應(yīng)力。9Ni-4Co系列鋼是高韌性超高強度鋼，按照強度級別含碳量范圍0.20?0.45%，通常使用的有HP9—4—20和HP9—4—30，含碳量分別為0.20%和0.30%。該類鋼經(jīng)820C加熱后油淬，450?550C回火，抗張強度為1400?1600MPa,斷裂韌度達到90MPaVm以上。AFl410鋼近年來受到了航空和航天部門的極大重視，該類鋼含有M、Co、Cr和Mo等合金元素(表2?12.2)，經(jīng)固溶和油淬處理形成高位錯密度板條馬氏體，在板條邊界分布有少量殘留奧氏體。時效處理析出彌散分布的合金碳化物，從而AF1410鋼的化學(xué)成分合金元索CCoCrMo5FONA!La7/% 1.6140101T10①010.04aco?60036030.08獲得高強度和高韌性。從表2?12?2看出，鋼中琉、磷含量控制到極低的水平,氮和氧分別為3ppm和7ppm。因此，AF1410鋼必須選用低硫、磷精料，采用真空感應(yīng)和真空自耗重熔雙聯(lián)工藝，獲得超純凈鋼。經(jīng)油淬和時效處理，抗拉強度為1620MPa,斷裂韌度達到190MPa?掃。加入稀土金屬可改變非金屬夾雜物的形態(tài)和分布，進一步提高鋼的韌性。AFl410鋼不僅強度高，韌性好，可焊性好，并且具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能。3.3馬氏體時效鋼該類鋼含碳量極低，含有18?25%Ni。從820?840°C固溶處理冷卻到室溫時，轉(zhuǎn)變成微碳Fe-Ni馬氏體組織，其韌性較Fe-C馬氏體為高，通過450?480C時效，析出部分共格金屬間化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),達到較高的強度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，并在冷卻到室溫時轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體，而具有較高的塑性。同時鎳也是時效強化元素。鉆能使鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。Co在鋼中的作用是提高Ms點，減少殘留奧氏體量，降低Mo在馬氏體中的固溶度，增加Mo的沉淀強化效應(yīng)。馬氏體時效鋼經(jīng)固溶和時效處理，析出金屬間化合物Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3A1等產(chǎn)生彌散強化效應(yīng)。其中性能好，使用最廣泛的是18Ni馬氏體時效鋼。根據(jù)Mo和Ti含量不同，可獲得幾種強度級別的鋼種(表2.12?3)。18Ni馬氏體時效鋼的化學(xué)成分 %)成 分CNiCo