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超高強度鋼已應用于航空航天域
作者:maliang   發布時間:2016/11/1 10:10:57   點擊:

     中國從50年代便開始著手研究和生產超高強度板 ,超高強度板在室溫條件下大于550MPa、抗拉強度大于140kgf/mm2通常還要求具有良好的塑韌(ren)性(xing)、優異的疲勞(lao)性(xing)能(neng)、斷裂韌(ren)性(xing)和抗應力腐蝕性(xing)能(neng),是應用于制造承受較高應力結構件的合金鋼類,它包括低合金超高強度板二次硬化超高強度鋼、馬氏體時效鋼、FerriumS53超高強,高韌耐蝕不銹鋼 大量應用于火箭發動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領域。

1、低合金超高強度鋼

AISI 4340是最早出現的低合金超高強度鋼,也是低合金超高強度鋼的(de)典型(xing)代表。美國從20世紀40年(nian)代中(zhong)期開(kai)(kai)始研(yan)究4340鋼,通過(guo)降低回火溫度,使鋼的(de)抗(kang)拉強度達到1600~1900MPa。1955年(nian)4340鋼開(kai)(kai)始用于(yu)F-104飛機起落架(jia)。通過(guo)淬火和低溫回火處理,AISI 4130、4140、4330或4340鋼的(de)抗(kang)拉強度均(jun)可(ke)超過(guo)1500MPa,而且缺口沖擊韌性較高。


為(wei)了(le)抑制低合金超(chao)高強(qiang)度(du)(du)鋼(gang)回火(huo)脆性,1952 年美(mei)國(guo)國(guo)際鎳公司開發了(le)300M鋼(gang)。該(gai)鋼(gang)通(tong)過(guo)添加(jia)了(le)1~2%的(de)硅來提高回火(huo)溫度(du)(du)(260~315℃),并可抑制馬(ma)氏體(ti)回火(huo)脆性。300M鋼(gang)在1966 年后作為(wei)美(mei)國(guo)的(de)軍(jun)機(ji)和主(zhu)要(yao)民航飛(fei)機(ji)的(de)起落架材料而(er)獲廣泛的(de)應用(yong)(yong),F-15、F-16、DC-10、MD-11 等(deng)軍(jun)用(yong)(yong)戰斗機(ji)都采(cai)用(yong)(yong)了(le)300M 鋼(gang),此外(wai)波音747 等(deng)民用(yong)(yong)飛(fei)機(ji)的(de)起落架及波音767 飛(fei)機(ji)機(ji)翼的(de)襟(jin)滑(hua)軌、縫翼管道等(deng)也采(cai)用(yong)(yong)300M 鋼(gang)制造(zao)。


盡管以4340 和(he)300M 鋼(gang)為代(dai)(dai)(dai)表(biao)的低合金(jin)超高(gao)強度鋼(gang)具有高(gao)強度,但它們的斷裂韌(ren)性和(he)抗(kang)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)能力(li)都比較差,因而其(qi)應(ying)用受到了(le)(le)一(yi)定(ding)的限制。美(mei)國于(yu)(yu)60 年(nian)代(dai)(dai)(dai)初開始(shi)研制D6AC,由AISI 4340 鋼(gang)改進(jin)而成(cheng),被廣泛用于(yu)(yu)制造(zao)戰術(shu)和(he)戰略導(dao)(dao)彈(dan)發(fa)動機殼體(ti)(ti)及飛機結(jie)構件(jian)。到了(le)(le)70 年(nian)代(dai)(dai)(dai)中期,D6AC 逐漸取代(dai)(dai)(dai)了(le)(le)其(qi)它合金(jin)結(jie)構鋼(gang),成(cheng)為一(yi)種制造(zao)固體(ti)(ti)火箭發(fa)動機殼體(ti)(ti)的專(zhuan)用鋼(gang)種。美(mei)國新型地空導(dao)(dao)彈(dan)“愛國者”,小型導(dao)(dao)彈(dan)“紅眼(yan)睛”,大(da)中型導(dao)(dao)彈(dan)“民兵”、“潘興(xing)”、“北極星”、“大(da)力(li)神”等,美(mei)國航天飛機的φ3.7m助推器殼體(ti)(ti)也采用D6AC 鋼(gang)制造(zao)。D6AC 還曾用于(yu)(yu)制造(zao)F-111飛機的起落架和(he)機翼軸等。


蘇聯具有自己(ji)的(de)鋼(gang)(gang)種體系,最(zui)有代表性(xing)的(de)是(shi)(shi)30XГCH2A 和(he)40XH2CMA(ЭИ643)鋼(gang)(gang)。30XГCH2A 是(shi)(shi)在30XГC 基礎上加入1.4~1.8%的(de)鎳而得到的(de)低合金超(chao)高(gao)強(qiang)度(du)鋼(gang)(gang),由于鎳的(de)加入提(ti)高(gao)了(le)鋼(gang)(gang)的(de)強(qiang)度(du)、塑性(xing)和(he)韌(ren)性(xing),也提(ti)高(gao)了(le)鋼(gang)(gang)的(de)淬(cui)透性(xing),由此改良和(he)派生出了(le)一系列鋼(gang)(gang)種。40XH2CMA 是(shi)(shi)在40XH2MA 基礎上發展起來(lai)的(de),40XH2CBA是(shi)(shi)用W代替40XH2CMA中Mo而成的(de)。近(jin)十幾年來(lai)他們又研制了(le)新型經濟(ji)型的(de)低合金超(chao)高(gao)強(qiang)度(du)鋼(gang)(gang)35XCH3M1A(BKC-8)和(he)35XC2H3M1ФA(BKC- 9),其抗拉(la)強(qiang)度(du)分別可達到1800~2000MPa 和(he)1950~2150MPa。 

 

406鋼(gang)(gang)(gang)是我國自(zi)行設計、自(zi)行研(yan)制(zhi)低合(he)金(jin)超高強度(du)鋼(gang)(gang)(gang)最成功的(de)典(dian)范(fan)。它是為解決(jue)大型固體(ti)(ti)火(huo)箭(jian)發動機(ji)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)材料而(er)研(yan)制(zhi)的(de)超高強度(du)鋼(gang)(gang)(gang),1966年由冶金(jin)部和七機(ji)部聯合(he)下達研(yan)制(zhi)任務,1980年11月(yue)定型生產(chan)。采用406鋼(gang)(gang)(gang)制(zhi)造的(de)巨浪一號兩(liang)級發動機(ji)殼(ke)(ke)體(ti)(ti),使用強度(du)>1715 MPa,KIC>72 MPa·m1/2,相當于(yu)美國“北極星A2”導彈一級發動機(ji)殼(ke)(ke)體(ti)(ti)所用的(de)D6AC鋼(gang)(gang)(gang)。 

為了提高(gao)(gao)大型固體火(huo)箭發(fa)動機的(de)可(ke)靠性,又在406鋼(gang)(gang)的(de)基礎上開(kai)發(fa)了D406A鋼(gang)(gang),通過降低碳含(han)量和采用VIM+VAR冶煉技(ji)術,提高(gao)(gao)了純(chun)凈度。D406A鋼(gang)(gang)的(de)強度稍(shao)有(you)下降,但提高(gao)(gao)了韌性(σb>1620MPa,KIC>87 MPa·m1/2)。1993年通過技(ji)術鑒定,已成(cheng)功(gong)用于東風和巨浪系(xi)列(lie)導彈(dan)一級發(fa)動機殼體。 

2、二次硬化超高強度鋼 

二(er)次(ci)硬化(hua)(hua)超高強度鋼特點是在(zai) 480~550℃范圍(wei)回火(或(huo)時效(xiao))后,析出(chu)合(he)金碳化(hua)(hua)物產生強化(hua)(hua)效(xiao)應,強度和硬度明顯提(ti)高,具有(you)硬化(hua)(hua)峰值,表現出(chu)二(er)次(ci)硬化(hua)(hua)特征,同(tong)時韌性提(ti)高。


HY180鋼(gang)(gang)是1965 年由美國U.S.鋼(gang)(gang)公司(si)開發出來的(de)優良高(gao)(gao)韌(ren)性超高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)度(du)鋼(gang)(gang),其(qi)化學(xue)成分(重(zhong)量百分比) 為:0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo,應用于深海(hai)艦艇(ting)殼(ke)體,海(hai)底石(shi)油(you)勘探裝置等(deng),但(dan)它(ta)一(yi)直(zhi)未能(neng)在航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天結構上(shang)獲得(de)應用,其(qi)原因在于該(gai)鋼(gang)(gang)的(de)比強(qiang)(qiang)度(du)和(he)韌(ren)性雖(sui)能(neng)滿足(zu)對(dui)低溫高(gao)(gao)壓(ya)深水(shui)潛(qian)艇(ting)使用要求,但(dan)尚不能(neng)滿足(zu)航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天器對(dui)超高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)度(du)鋼(gang)(gang)的(de)高(gao)(gao)強(qiang)(qiang)韌(ren)性的(de)要求。


隨著航(hang)空工業的(de)快速發展,開(kai)發強(qiang)度高(1586 1724MPa)、斷(duan)裂(lie)韌性(xing)(xing)(xing)好(hao)(125 MPa·m1/2)、可焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)好(hao)的(de)新(xin)型材(cai)料(liao)成為(wei)發展方向。為(wei)了達到航(hang)空構(gou)件材(cai)料(liao)的(de)損傷容限和耐久性(xing)(xing)(xing),在對Fe10Ni 系合金鋼進行(xing)的(de)研究基(ji)礎上,對HY180 進行(xing)了改進,1978年開(kai)發了AF1410超高強(qiang)度合金鋼,該鋼經830℃油淬(cui)+510℃時效后(hou),σ0.2≥1517MPa,KIC≥154MPa·m1/2。因(yin)此該鋼以(yi)極高的(de)強(qiang)韌性(xing)(xing)(xing)、良(liang)好(hao)的(de)加工性(xing)(xing)(xing)能(neng)和焊接(jie)性(xing)(xing)(xing)能(neng)成為(wei)受航(hang)空界歡迎的(de)一(yi)種(zhong)新(xin)型高強(qiang)度鋼。


在保持AF1410 超高強度合金鋼良好韌性的基礎上,為進一步提高其強度及在海水環境中的抗應力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉變溫度,1992年Carpenter公司開發出Aermet 100 超高強度合金鋼。該鋼與AF1410 鋼相比,強度有了進一步提高(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度鋼,是新一代軍事裝備中關鍵器件的首選材料,美國己成功地將其應用在最先進的F/A-22戰斗機起落架和F-18艦載機的起落架上。

3、馬氏體時效鋼 

馬(ma)氏體(ti)(ti)時(shi)(shi)效(xiao)鋼(gang)以無碳(tan)(tan)(或微(wei)碳(tan)(tan))馬(ma)氏體(ti)(ti)為基(ji)體(ti)(ti)的(de),時(shi)(shi)效(xiao)時(shi)(shi)能產生金屬(shu)間(jian)化(hua)合物(wu)沉淀硬化(hua)的(de)超高強(qiang)度鋼(gang)。具有工業應用價值(zhi)的(de)馬(ma)氏體(ti)(ti)時(shi)(shi)效(xiao)鋼(gang),是20世(shi)紀60年代初由國際鎳(nie)公司(INCO)首先開(kai)發出(chu)來的(de)。1961~1962年間(jian)該公司在(zai)鐵鎳(nie)馬(ma)氏體(ti)(ti)合金中加(jia)入不(bu)同含量的(de)鈷(gu)、鉬(mu)、鈦,通過(guo)時(shi)(shi)效(xiao)硬化(hua)得到屈服強(qiang)度分別達到1400、1700、1900MPa的(de)18Ni(200)、 18Ni(250)和(he)18Ni(300)鋼(gang),并首先將18Ni(200)和(he)18Ni(250)應用于(yu)火箭(jian)發動機殼(ke)體(ti)(ti)。


馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang)在相同的(de)(de)(de)(de)強度級(ji)別韌性(xing)比低合金鋼(gang)要(yao)高(gao),加工硬(ying)化指(zhi)數低,沒有脫碳問題(ti),熱處理工藝簡(jian)單,冷加工成(cheng)(cheng)型性(xing)好(hao)。固(gu)體(ti)火箭發(fa)(fa)動機(ji)殼體(ti)用(yong)18Ni馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang),使(shi)用(yong)強度為(wei)1750 MPa,濃縮鈾離心分離機(ji)旋轉筒體(ti)用(yong)馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang),使(shi)用(yong)強度達(da)到(dao)2450MPa。但合金元(yuan)素含量(liang)高(gao)致使(shi)馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)本增高(gao)。90年(nian)(nian)代(dai),國(guo)內在18Ni馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)基礎上,采用(yong)取消(xiao)鈷(gu)元(yuan)素,提(ti)高(gao)鎳(nie)、鈦含量(liang)的(de)(de)(de)(de)方法,成(cheng)(cheng)功研制出(chu)了T250、T300馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang)。T250馬(ma)氏(shi)體(ti)時(shi)(shi)效(xiao)(xiao)鋼(gang)力(li)學性(xing)能為(wei): σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2,是制造(zao)我(wo)國(guo)固(gu)體(ti)發(fa)(fa)動機(ji)殼體(ti)的(de)(de)(de)(de)新一代(dai)材料。2006年(nian)(nian),寶鋼(gang)特殊鋼(gang)分公司、撫(fu)鋼(gang)、安大廠和太(tai)鋼(gang)等單位聯合攻關,成(cheng)(cheng)功試制出(chu)直徑(jing)為(wei)1200mm的(de)(de)(de)(de)T250鋼(gang)固(gu)體(ti)發(fa)(fa)動機(ji)殼體(ti),已用(yong)于某航天(tian)型號。

4、Ferrium S53 超高強、高韌耐蝕不銹鋼


FerriumS53是一種宇航結構件用耐腐蝕超高強度不銹鋼,其(qi)力學性(xing)能等(deng)于或優于傳統的超高強(qiang)度(du)不(bu)銹(xiu)鋼(gang),比如300M和SAE4340,而(er)耐腐蝕(shi)性(xing)能類似于1.5-5PH。開發超高強(qiang)度(du)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)FerriumS53的目的是要淘(tao)汰有(you)毒的金屬鍍層(ceng)。


    FerriumS53不銹(xiu)鋼的特(te)點如下: 

     ●耐(nai)蝕相當(dang)于15-5PH H900

     ●強度與與300M(AMS 6257A)相當或更好(hao)

     ●耐應力腐蝕(shi)破(po)裂:KIscc≥16.5 MPa

     ●具有最(zui)大耐疲勞的最(zui)佳顯(xian)微(wei)結(jie)構(gou)特征

     ●對磨損和疲勞(lao)的表面可使硬度大于67 HRC

     ●高強度高韌性細條(tiao)狀馬氏體基體

     ●細晶粒與極細金(jin)屬碳化物彌散分布,以(yi)提高耐磨性能和(he)韌性

     ●通(tong)過回火使(shi)納米級金屬碳化(hua)(hua)物(wu)(M2C)彌散(san)進行強化(hua)(hua),同時避免其他碳化(hua)(hua)物(wu),使(shi)強度、耐(nai)磨性能以(yi)及韌性最大化(hua)(hua)

     ●為(wei)了獲得最佳的耐腐蝕性(xing)能(neng),形成了一種(zhong)穩定(ding)的鈍態氧化物薄膜 

目(mu)前飛機(ji)起落架選(xuan)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)鋼材(如:300M、SAE4340)都要求(qiu)進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)保護(hu)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)以氰(qing)化(hua)物為基礎的(de)(de)(de)(de)(de)鍍鎘(ge)處(chu)理(li)(li)(li)(li)。鎘(ge)是大家熟知的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種致癌物,在(zai)最初的(de)(de)(de)(de)(de)飛機(ji)制造和在(zai)飛機(ji)維修(xiu)過程中都存在(zai)明顯的(de)(de)(de)(de)(de)環境污染風(feng)險(xian)。此外,為了避免(mian)氫脆,鍍鎘(ge)工藝要求(qiu)隨(sui)(sui)后進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)氫還(huan)原退(tui)火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)操作(zuo)。在(zai)這(zhe)些用(yong)途中用(yong)Ferrium53來取(qu)代(dai)其他(ta)材料就不(bu)需(xu)要鍍鎘(ge)和隨(sui)(sui)后的(de)(de)(de)(de)(de)氫還(huan)原退(tui)火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)操作(zuo)。而且該不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)(de)(de)耐(nai)應力腐蝕(shi)斷裂性(xing)能(neng)(neng)(SCC)也優于(yu)300M和SAE4340。另外,還(huan)有更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)可硬化(hua)性(xing)能(neng)(neng)。對于(yu)一(yi)個(ge)給定的(de)(de)(de)(de)(de)截(jie)面(mian)(mian)尺(chi)寸(cun),適合的(de)(de)(de)(de)(de)淬火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)條件并不(bu)那么嚴格(ge),因此,在(zai)熱處(chu)理(li)(li)(li)(li)過程中幾乎沒(mei)有變形。這(zhe)種不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)工藝與其他(ta)淬火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)和回(hui)(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)的(de)(de)(de)(de)(de)馬氏體二次(ci)硬化(hua)鋼的(de)(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)(li)(li)(li)工藝類(lei)似(si)。為了避免(mian)表面(mian)(mian)脫碳,推(tui)薦進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)真空熱處(chu)理(li)(li)(li)(li)和真空回(hui)(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)。淬火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)冷卻到室溫(wen)(wen)之(zhi)后,再進(jin)(jin)(jin)行(xing)(xing)低(di)溫(wen)(wen)處(chu)理(li)(li)(li)(li),以保證完全(quan)的(de)(de)(de)(de)(de)馬氏體轉變。它有代(dai)表性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)回(hui)(hui)火(huo)(huo)(huo)(huo)(huo)溫(wen)(wen)度是470℃,接近這(zhe)個(ge)溫(wen)(wen)度時,這(zhe)種不(bu)銹鋼有優異的(de)(de)(de)(de)(de)熱阻性(xing)能(neng)(neng)。這(zhe)就允許采用(yong)更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)磨速度而不(bu)會產生(sheng)研(yan)(yan)磨燒傷的(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)險(xian),因而使用(yong)中更加耐(nai)用(yong)。


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。線性極化試驗測得的開路電位(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。 

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