1、高強(qiáng)度不銹鋼在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)中的應(yīng)用和發(fā)展所謂大飛機(jī)，是指起飛總重量超過(guò)100噸的運(yùn)輸類飛機(jī)，包括軍用和民用大型運(yùn)輸機(jī)， 也包括150座以上的干線客機(jī)。它是民航使用最廣泛的主力機(jī)型。2007年3月，國(guó)家正式確立了國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目，總投資約2000億元。中國(guó)的大飛機(jī)很多零部件也將面向國(guó)內(nèi)外招標(biāo)，而作為國(guó)家戰(zhàn)略，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)將會(huì)優(yōu)先采購(gòu)國(guó)產(chǎn)配件。這將會(huì)帶動(dòng)我國(guó)多個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中就包括新材料行業(yè)，不銹鋼在飛機(jī)上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而且有很多是異于常規(guī)不銹鋼的，它必須具備高強(qiáng)度、耐疲勞等特殊性能。本文就高強(qiáng)度不銹鋼在大飛機(jī)上的應(yīng)用發(fā)展作一個(gè)闡述。一、高強(qiáng)度不銹鋼航空科技的發(fā)展一再證明飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)

2、大部分要依靠材料性能的提高來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管在飛機(jī)制造中鋼的比重不斷下降，但由于鋼的高強(qiáng)度、高韌性、高耐應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂以及良好的抗沖擊性能，飛機(jī)的一些關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件如起落架、大梁、大應(yīng)力接頭、高應(yīng)力緊固件等仍在繼續(xù)使用高強(qiáng)度鋼。飛機(jī)向長(zhǎng)壽命、高可靠性方向的發(fā)展，對(duì)材料耐腐蝕性能的要求越來(lái)越高，采用高強(qiáng)度不銹鋼制作某些重要零部件已成為主要發(fā)展趨勢(shì)，這使得高強(qiáng)度不銹鋼材料成為航空產(chǎn)品達(dá)到高性能、長(zhǎng)壽命與高可靠性的重要物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。通常把抗拉強(qiáng)度高于800MPa，屈服強(qiáng)度高于500MPa的不銹鋼稱為高強(qiáng)度不銹鋼，把屈服強(qiáng)度高于1380MPa的不銹鋼稱為超高強(qiáng)度不銹鋼。自1958年起，鋼鐵研究總院等科研院所

3、與各特殊鋼廠先后開(kāi)展了沉淀硬化不銹鋼的研究，上世紀(jì)60年代開(kāi)始了馬氏體時(shí)效不銹鋼的研究，80年代又開(kāi)始了鐵素體時(shí)效不銹鋼的研究，近幾年又在超級(jí)馬氏體時(shí)效不銹鋼領(lǐng)域進(jìn)行了研究，所研制的系列鋼種基本滿足了我國(guó)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各方面的需要。1、 沉淀硬化不銹鋼1.1 半奧氏體沉淀硬化不銹鋼這類鋼的特點(diǎn)是可以在奧氏體狀態(tài)進(jìn)行切削加工、冷變形和焊接，隨后通過(guò)調(diào)整處理及時(shí)效處理控制馬氏體轉(zhuǎn)變與析出硬化，獲得不同的強(qiáng)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，特別是480以下使用，熱強(qiáng)性能良好。其主要缺點(diǎn)是對(duì)鋼的化學(xué)成分區(qū)間要求十分嚴(yán)格，

4、熱處理工藝復(fù)雜，對(duì)熱處理溫度的控制要求十分精確（±5）；鋼的加工硬化趨向性大，進(jìn)行深變形冷加工時(shí)常需進(jìn)行多次中間退火。該類鋼的典型代表是0CT17Ni7Al（17-7PH）、OCr15Ni7Mo2Al（PH15-7Mo）、0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。該類鋼主要用于航空工業(yè)中在400以下工作的耐蝕承力結(jié)構(gòu)件，如各種管道、管接頭、彈簧、緊固件等。產(chǎn)品有板、管、帶、絲、棒、鑄件、鍛件等。1.2 馬氏體沉淀硬化不銹鋼鋼的強(qiáng)度是通過(guò)馬氏體相變和沉淀硬化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度較高，同時(shí)由于低碳、高鉻、高鉬和或高銅，其耐蝕性一般不會(huì)低于18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼；易切削，易焊接，焊后一

5、般不需局部退火，熱處理工藝也比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)主要是即使在退火態(tài)其組織仍然是低碳馬氏體，因此難以進(jìn)行深變形冷加工。該類鋼的代表鋼種是0Crl7Ni4Cu4Nb（17-4PH）與0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），用于制造在400以下工作的高強(qiáng)耐蝕承力構(gòu)件，如發(fā)動(dòng)機(jī)承力件、緊固件等。后者在航空承力耐蝕中溫結(jié)構(gòu)件方面應(yīng)用十分廣泛。1.3 奧氏體沉淀硬化不銹鋼該類鋼實(shí)際上屬于Fe-Ni基高溫合金，在高強(qiáng)度不銹鋼中具有600700范圍內(nèi)最高的高溫強(qiáng)度，650下的屈服強(qiáng)度與室溫的相差不多；超低溫韌性極好，基本沒(méi)有低溫脆性；沉淀強(qiáng)化作用顯著，制作大斷面部件時(shí)力學(xué)性能均勻；冷變形和耐蝕性能十分優(yōu)越。

6、缺點(diǎn)主要是室溫及中溫強(qiáng)度較低，可焊性差。代表鋼種0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1，用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪、葉片、機(jī)身、緊固件、高強(qiáng)彈簧等。2、時(shí)效不銹鋼2.1 馬氏體時(shí)效不銹鋼馬氏體時(shí)效不銹鋼是20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來(lái)的新型高強(qiáng)度不銹鋼。該類鋼既具有高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度，又克服了馬氏體沉淀硬化不銹鋼低溫韌性差和在350400長(zhǎng)期使用時(shí)脆化傾向大的缺點(diǎn)；在固溶態(tài)是超低碳馬氏體組織，加工硬化指數(shù)低，易于冷加工；固溶態(tài)的焊接性能好；熱處理簡(jiǎn)單，工件尺寸穩(wěn)定；與其他高強(qiáng)度不銹鋼相比，在同等強(qiáng)度下塑性和韌性較好；由于碳含量低，耐蝕性優(yōu)于同等鉻含量的馬氏體沉淀硬化不銹鋼。缺點(diǎn)主要是由于碳含量低導(dǎo)致耐磨

7、性較差，需要進(jìn)行表面處理以提高耐磨性和疲勞強(qiáng)度。馬氏體時(shí)效不銹鋼的研究已成為高強(qiáng)度不銹鋼研究的重點(diǎn)之一。（1）00Crl6Ni5Al（7001100MPa），該鋼含有部分鐵素體，對(duì)鍛造有一定的要求；強(qiáng)韌配合良好，深沖及彎曲性能較好，相當(dāng)于Crl8Ni8不銹鋼；焊接性能好，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理，焊接效率在90%以上。（2）00Crl5Ni6Nb（10001200MPa），該鋼具有良好的塑性、韌性和耐蝕性，深沖性能良好，切削性能優(yōu)良，在軟化、固溶、時(shí)效狀態(tài)下都能切削，不粘刀。特別是焊接性能優(yōu)良，可以用與母材成分相同的焊絲進(jìn)行焊接且焊接效率較高，接頭強(qiáng)度與母材基本一致。在航空工業(yè)可以用來(lái)代替

8、大量使用的1Crl8Ni9不銹鋼，且強(qiáng)度較高。（3）以00Crl1Nil0Mo2Al（12001300MPa）、00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A1（13001500MPa）、00Crl1Nil0Mo2Til（16001700MPa）為代表。這一系列鋼種以Mo、A1、Ti為主要強(qiáng)韌化元素，這類鋼在固溶態(tài)具有良好的冷加工性，可進(jìn)行較為復(fù)雜的沖壓加工。具有良好的耐蝕性，高的沖擊韌性和斷裂韌度，可用焊接不銹鋼的任何一種方法進(jìn)行焊接?？捎糜谥圃旌娇展I(yè)中的彈簧、緊固件、承力結(jié)構(gòu)件等部件。（4）00Cr12Co12Ni4Mo4Ti（12001600MPa），該鋼的Co、Mo復(fù)合強(qiáng)化使得強(qiáng)化作用更為明

9、顯，因?yàn)镃o可以降低Mo在基體中的溶解度，還可提高鋼的彈性模量。在420時(shí)效的耐蝕性最好；熱加工性能良好，固溶態(tài)時(shí)易于冷加工；焊前不需預(yù)熱，焊后如要求高的強(qiáng)韌性可進(jìn)行固溶+時(shí)效處理。該鋼強(qiáng)韌配合較好，抗疲勞性和彈性模量也很高，用于制造要求耐蝕承力且要求高抗彈性衰減性的部件。（5）00Cr12Ni8Cu2AlNb（15001700MPa），該鋼在具有高強(qiáng)度的同時(shí)還具有足夠的韌性，耐應(yīng)力腐蝕性較好；最高使用溫度450，瞬時(shí)使用溫度800；特定熱處理?xiàng)l件下疲勞性能接近于Custom455；鋼的冷作硬化傾向較小，一般不需進(jìn)行中間軟化處理；易于焊接，工藝簡(jiǎn)單，大斷面焊縫強(qiáng)度系數(shù)達(dá)85%以上。主要用于制造

10、耐蝕承力部件，高性能的軸、齒輪、彈簧等。（6）00Crl2Ni11MolTi1.65（即Cust0m465，l3001800MPa），該鋼為Carpenter公司的專利鋼種，在峰值時(shí)效（H900）狀態(tài)下強(qiáng)度可達(dá)1820MPa，且仍有優(yōu)良的缺口強(qiáng)度和斷裂韌性。在長(zhǎng)期熱暴露情況下仍具有較高強(qiáng)度，耐蝕性能與AISI304鋼相近。熱處理引起的尺寸變化較小,可在固溶態(tài)及不同機(jī)加工狀態(tài)進(jìn)行冷加工。（7）00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl（即Custom475，l6002100MPa），同樣為Carpenter公司的專利鋼種，此鋼能達(dá)到最高的強(qiáng)度水平。峰值時(shí)效（524時(shí)效）強(qiáng)度可達(dá)2030MPa，時(shí)效

11、前不進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化，時(shí)效后即可達(dá)1960MPa，而退火屈服強(qiáng)度只有1000MPa左右。加工硬化速率較低，可順利進(jìn)行冷加工，切削特性與其他高鎳馬氏體時(shí)效鋼類似。具有較好的耐大氣腐蝕性。 除上述鋼種之外，還研發(fā)了一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成分為（13.0%16.5%）Cr、（4.0%7.5%）Ni、（9.5%15.0%）Co、（5.0%7.5%）Mo以及適量Ti的超低碳Cr-Ni-Co-Mo-Ti系高潔凈度、細(xì)晶組織馬氏體時(shí)效不銹鋼，抗拉強(qiáng)度1900MPa以上，伸長(zhǎng)率10%以上，具有較好的強(qiáng)韌性配合，是制造耐蝕承力件的良好材料。2.2 鐵素體時(shí)效不銹鋼沉淀硬化不銹鋼及馬氏體時(shí)效不銹鋼雖然強(qiáng)度很高，強(qiáng)韌性

12、配合良好，但由于含鉻量較低，鎳含量也受到限制，因而在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中難以使用。為此研制了00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti鐵素體時(shí)效不銹鋼，其抗拉強(qiáng)度約1100MPa（屈服強(qiáng)度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的能力大大提高，耐點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕性能大大優(yōu)于AISI316而屈服強(qiáng)度卻為AISI3l6的23倍，成為在海水中最有使用前途的高強(qiáng)度不銹鋼之一。二、高強(qiáng)度不銹鋼在飛機(jī)上的應(yīng)用以上提到的各類不銹鋼有些已經(jīng)在飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，有些不銹鋼的應(yīng)用正在逐漸擴(kuò)大。下面作簡(jiǎn)要介紹。1、在飛機(jī)起降裝置上的應(yīng)用用于制造飛機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)材料為30CrMnSiNi2A、4340

13、、300M、Aermet100等。對(duì)于在海洋性氣候下使用的飛機(jī)的起落架、緊固件等則多使用沉淀硬化不銹鋼制造，如17-4PH用于F-15飛機(jī)的起落架，其改進(jìn)型15-5PH用于B-767飛機(jī)的起落架，PH13-8Mo鋼由于抗應(yīng)力腐蝕性能比同級(jí)別沉淀硬化不銹鋼好而有望代替17-4PH、15-5PH以及17-7PH、PH15-7Mo等鋼種。 美國(guó)自上世紀(jì)8O年代起對(duì)馬氏體時(shí)效與沉淀硬化不銹鋼的強(qiáng)韌化做了進(jìn)一步的深入研究，如HSL180和Custom465鋼等。它們的強(qiáng)度都超過(guò)1600MPa，其中HSL180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相近的耐腐蝕性和1800MPa以

14、上的強(qiáng)度；美國(guó)Carpenter公司開(kāi)發(fā)的Custom465（00Crl2Nil1MolTi0.6）在H1000過(guò)時(shí)效狀態(tài)可以提供比其他高強(qiáng)度不銹鋼（如NCustom455或PHI3-8Mo）更高的強(qiáng)度、韌性和抗應(yīng)力腐蝕性的組合，但尚未見(jiàn)到大尺寸截面鋼材的力學(xué)性能報(bào)道。目前正在研究具有接近2000MPa的高強(qiáng)度特性的不銹鋼。2、在飛機(jī)軸承上的應(yīng)用德國(guó)的FAG公司開(kāi)發(fā)了添加氮的馬氏體不銹鋼Cronidur30（0.31%C-0.38%N-15%Cr-l%Mo）。它作為比SUS440更耐腐蝕的材料，是通過(guò)高壓氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)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。但因其是完全硬化型的，

15、不適于高DN值（D：軸承內(nèi)徑mm，N：軸轉(zhuǎn)數(shù)arin），然而用同樣的Cronidur30通過(guò)高頻淬火，就可以DN400萬(wàn)的值同時(shí)滿足殘余壓縮應(yīng)力以及斷裂韌性值。但是回火溫度低于15O，就不能承受引擎關(guān)閉后熱沖擊造成的軸承溫度上升。3、在飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)件中的高強(qiáng)不銹鋼主要有15-5PH，17-4PH，PH13-8Mo等，并在軍用飛機(jī)上應(yīng)用以替代傳統(tǒng)的30CrMnSiA等高強(qiáng)度合金鋼。其零件形式有艙蓋鎖閂、高強(qiáng)度螺栓、彈簧等各類零配件。民用飛機(jī)將此類高強(qiáng)度不銹鋼用于機(jī)翼梁上，如波音737-600型機(jī)翼梁用15-5PH鋼；A340-300型機(jī)翼梁用PH13-8Mo鋼。在要求高強(qiáng)度

16、和高韌性，特別對(duì)橫向性能有特殊要求的部位，如機(jī)身框架，使用了PH13-8Mo。最近由于要求提高韌性和耐應(yīng)力腐蝕性，試用了Custom465等。Custom465是carpenter公司在Custom450和Custom455的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，用于制造飛機(jī)的襟翼導(dǎo)軌、縫翼導(dǎo)軌、傳動(dòng)裝置、引擎支架等。該鋼目前已納入MMPDS-02，AMS5936和ASTMA564技術(shù)規(guī)范中。使用HSL180高強(qiáng)度不銹鋼（0.21C-12.5Cr-1.0Ni-15.5Co-2.0Mo）制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)體，該鋼兼有與4340等低合金鋼相當(dāng)?shù)?800MPa的強(qiáng)度，與SUS630等沉淀硬化不銹鋼同等的耐腐蝕性和韌性。4、在

17、飛機(jī)零件上的應(yīng)用對(duì)于一些加工變形量大的零件，如飛機(jī)襟翼整流包皮，傳統(tǒng)上一般采用1Crl8Ni9Ti不銹鋼，但該合金強(qiáng)度太低，在使用中，鉚釘孔處經(jīng)常發(fā)生拉壞現(xiàn)象。鑒于上述情況，在新型號(hào)的設(shè)計(jì)中，對(duì)座艙鎖鉤、齒墊、發(fā)動(dòng)機(jī)吊桿螺栓、液壓系統(tǒng)導(dǎo)管彎管接頭（鍛件）、無(wú)擴(kuò)口管接頭、襟翼整流包皮等部位的零件采用了我國(guó)自行研制的半奧氏體沉淀硬化型不銹鋼替代傳統(tǒng)不銹鋼材料。另外，對(duì)于一些高強(qiáng)度螺栓，一般都是高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼加工而成，表面鍍鉻進(jìn)行防護(hù)。但在新型號(hào)設(shè)計(jì)中，這類零件均已采用0Crl2Mn5Ni4Mo3A1不銹鋼進(jìn)行制造。三、大型飛機(jī)用高強(qiáng)度不銹鋼展望我國(guó)高強(qiáng)度不銹鋼在鋼種類型、強(qiáng)度級(jí)別、生產(chǎn)工藝、品種規(guī)格

18、等方面都已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊；但若將我國(guó)已有的系列高強(qiáng)度不銹鋼在大飛機(jī)上進(jìn)行良好地應(yīng)用，還需要解決幾方面的問(wèn)題。1、我國(guó)高強(qiáng)度不銹鋼發(fā)展中存在的問(wèn)題1.1 不銹鋼的基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)工藝研究鋼的強(qiáng)度性能有其自身的客觀強(qiáng)度極限，不可能得到無(wú)限提高。例如，鋼的耐延遲破壞性以強(qiáng)度1500MPa為界限，如超過(guò)這一值，性能就會(huì)惡化，究其原因是鋼中夾雜物和晶界缺陷引起的。因此，把合金化，特別是微合金化和高純度、高均勻性精煉、鑄造技術(shù)、超細(xì)組織控制技術(shù)和高精度軋制技術(shù)等結(jié)合起來(lái)，發(fā)展良好強(qiáng)韌性、耐蝕性和工藝性結(jié)合的新材料是高強(qiáng)度不銹鋼今后發(fā)展的主要方向。耐苛刻介質(zhì)腐蝕高強(qiáng)度不銹鋼，高韌性超高強(qiáng)度

19、不銹鋼，高耐磨性和高耐疲勞性馬氏體時(shí)效不銹鋼，超低溫、無(wú)磁超高強(qiáng)度不銹鋼，鐵素體時(shí)效不銹鋼等新材料是今后研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)強(qiáng)韌化機(jī)理、耐腐蝕機(jī)理及耐磨損機(jī)理的研究，必將為新材料的研發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1.2 不銹鋼的生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和組織管理雖然我國(guó)是一個(gè)鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，也是不銹鋼生產(chǎn)大國(guó)，但受生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量管理水平等因素的限制，我國(guó)高級(jí)特殊鋼產(chǎn)量特別是質(zhì)量尚不能完全滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要；作為特殊鋼種的高強(qiáng)度不銹鋼，性能還不穩(wěn)定，品種規(guī)格尚不能完全滿足國(guó)家經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需求；具有發(fā)展前途的鋼種亟待開(kāi)發(fā)，能夠生產(chǎn)具有廣闊應(yīng)用前景的超級(jí)不銹鋼的廠家不多；已生產(chǎn)的高強(qiáng)度不銹鋼實(shí)物質(zhì)量與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量相比還有很大的差距。2、促進(jìn)我國(guó)高強(qiáng)度不銹鋼發(fā)展的措施2.1 加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，提高高強(qiáng)度不銹