航空航天用超高強(qiáng)度鋼

1、航空航天用超高強(qiáng)度鋼室溫條件下抗拉強(qiáng)度大于 1400 MPa 、屈服強(qiáng)度大于 1200 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，而且其使用范圍正在不斷地?cái)U(kuò)大到建筑、機(jī)械制造、車輛和其它軍用及民用裝備上。超高強(qiáng)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)行技術(shù)創(chuàng)新

2、，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(qiáng)度鋼研發(fā)和產(chǎn)品工業(yè)化的基礎(chǔ)。超高強(qiáng)度合金鋼按其物理冶金學(xué)特點(diǎn)大體可以分為：低溫回火馬氏體組織或下貝氏體組織強(qiáng)化的低 合金超高強(qiáng)度鋼；高溫回火析出合金碳化物、二次硬化組織的超高強(qiáng)度鋼和從低碳馬氏體基體析出金屬間 化合物進(jìn)行強(qiáng)化的馬氏體時(shí)效鋼，及正在探索和研究的復(fù)合強(qiáng)化型（沉淀強(qiáng)化、二次硬化和時(shí)效強(qiáng)化復(fù)合 強(qiáng)化）的超高強(qiáng)度鋼。1 低合金超高強(qiáng)度鋼低合金超高強(qiáng)度鋼合金元素含量少（ <5% ），經(jīng)濟(jì)性好

3、，強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比低，但韌性相對(duì)較低。此 類鋼是通過淬火和低溫回火處理獲得較高的強(qiáng)度和韌性，鋼的強(qiáng)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(qiáng)度升高；而塑性和韌性相應(yīng)降低。因此，在保證足夠強(qiáng)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(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

4、，通過降低回火溫度，使鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到 16001900MPa 。 1955 年 4340 鋼 開始用于 F-104 飛機(jī)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(qiáng)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(qiáng)度鋼回火脆性， 1952 年美國(guó)國(guó)際鎳公司開發(fā)了 300M 鋼。該鋼通過添加了 12 %的硅來提高回火溫度（260315 C）,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

5、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

6、”等，美國(guó)航天飛機(jī)的©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(jī)的起落架和機(jī)翼軸等。蘇聯(lián)開始研制低合金超高強(qiáng)度鋼的時(shí)間大體上與美國(guó)同步，具有自己的鋼種體系，最有代表性的是30Xr CH2A和40XH2CMA (3M 643鋼。30X CH2A 是在30XC基礎(chǔ)上加入1.41.8%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(qiáng)度鋼35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M A(BKC - 9)，其抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)到 1800?2000MPa 和 19502150MPa。我國(guó)低合金超高強(qiáng)度鋼的研究開始于20世紀(jì)50年代，一是仿制國(guó)外已有的牌號(hào)，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(guó)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(guó)的資源情況(缺乏鉆、鎳等貴金屬)和工程的需要，自主開發(fā)研制

8、了具有我國(guó)特點(diǎn)的低合金超高強(qiáng)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(guó)開始仿制D6AC鋼，已成功用于HQ-7地空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、反坦克導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體 和高壓氣瓶。1980年我國(guó)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(jī)起落架上，使我國(guó)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)與起落架同壽命。406鋼制造的

9、DF-21導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體（這是飛行試驗(yàn)中一級(jí)分離后落地的照片）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A導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用的D6AC鋼。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

10、高了韌性（ab> 1620MPa，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(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480550 'C范圍回火（或時(shí)效）后，析岀合金碳化物產(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)岀二次硬化特征，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

11、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 'C油淬+510 'C時(shí) 效后，b0.2 >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

12、鋼。在保持AF 1410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 (ab>1930 MPa),但韌性稍有下降(KIC >110MPa m1/2) o 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。Aermet 100是目前綜合性能最咼的超咼強(qiáng)度鋼以Aermet 100為材料的

13、F/A-22起落架我國(guó)目前已經(jīng)成功地研制出具有我國(guó)特色的二次硬化超高強(qiáng)度鋼。G99是由鋼鐵研究總院、長(zhǎng)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bb >1520MPa , KIC>124 MPa- m1/2，與國(guó)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(jī)平尾軸。我國(guó)從 九五”期間開始研制 Aermet 100鋼，超 高純凈鋼材提純技術(shù)取得重大進(jìn)展，有害元素S、P、0、N、H控制在ppm量級(jí)，總和小于40ppm。撫順特殊鋼公司的試制產(chǎn)品達(dá)到了美國(guó)Aermet

14、100鋼實(shí)物水平，將用于我國(guó)四代機(jī)和艦載機(jī)的起落架。_| J-XX飛機(jī)首架起落架交付儀式3.馬氏體時(shí)效鋼馬氏體時(shí)效鋼以無碳(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)出來的。19611962年間該公司在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鉆、鉬、鈦，通過時(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

15、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。我國(guó)從20世紀(jì)60年代中期就開始研制馬氏體時(shí)效鋼，目前已形成17002500MPa不同級(jí)別十余個(gè)鋼種，實(shí)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(qiáng)度級(jí)別更高的鋼種和無鉆或節(jié)鎳鉆馬氏體時(shí)效鋼。80年代開發(fā)岀用于濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用的超高純、高強(qiáng)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(shí)效鋼。18Ni馬氏體時(shí)效鋼含9%的貴重鉆元素，而我國(guó)鉆資源缺乏，80年代以來國(guó)際市場(chǎng)鉆價(jià)不斷上漲，因此國(guó)內(nèi)大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體一般不選用這種材料。近十幾