航空结构材料

航空航天超高强度钢的研究现状xx1，xx21xx 材料学院 xx 班 xx 号2xx 材料学院 xx 班 xx 号摘要：室温条件下抗拉强度大于1400 MPa、屈服强度大于1200 MPa的钢被称为超高强度钢，通常还要求具有良好的塑韧性、优异的疲劳性能、断裂韧性 和抗应力腐蚀性能。超高强度钢是应用范围很广的一类重要钢种，大量应用于火 箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域。按其物理冶金 学特点，超高强度钢大体可以分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢和马 氏体时效钢。目前，典型的低合金超高强度钢是AISI 4340和D6AC；典型的二 次硬化型中，合金超高强度钢是 HY180 和 AF1410。关键字：航空航天；超高强度钢；研究现状。1. 引言随着航空工业的快速发展，开发强度高 (15861724MPa)、断裂韧性好 (125 MPa m1/2)、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。以往的通过改变 合金成分来提高超高强度钢的强度和韧性已很困难，所以要想有所突破，就要从 开发新工艺、新技术方向着手，为此就很有必要深入学习超高强度钢的研究发展 历程以及其制造工艺。2. 超高强度合金钢材料的研究进展2.1 低合金超高强度钢AISI 4340是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型 代表。美国从20世纪40年代中期开始研究4340钢，通过降低回火温度，使钢 的抗拉强度达到16001900MPa。1955年4340钢开始用于F-104飞机起落架。300M 钢在 1966 年后作为美国的军机和主要民航飞机的起落架材料而获广 泛的应用， F-15、 F-16、 DC-10、 MD-11 等军用战斗机都采用了 300M 钢，此外 波音747 等民用飞机的起落架及波音 767 飞机机翼的襟滑轨、缝翼管道等也采 用 300M 钢制造。尽管以 4340 和 300M 钢为代表的低合金超高强度钢具有高强度，但它们的 断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差，因而其应用受到了一定的限制。美国于 60年代初开始研制D6AC，由AISI 4340钢改进而成，被广泛用于制造战术和战 略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了 70 年代中期， D6AC 逐渐取代了其它合 金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国新型地空导弹 “爱国者”，小型导弹“红眼睛”，大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极 星”、“大力神”等，美国航天飞机的p 3.7m助推器壳体也采用D6AC钢制造。 D6AC还曾用于制造F-111飞机的起落架和机翼轴等。苏联开始研制低合金超高强度钢的时间大体上与美国同步，具有自己的钢种 体系，最有代表性的是30XCH2A和40XH2CMA (3 S 643)钢。40XH2CMA是在 40XH2MA基础上发展起来的，40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近 十几年来他们又研制了新型经济型的低合金超高强度钢 35XCH3MlA(BKC-8)和 35XC2H3M10 A(BKC-9)，其抗拉强度分别可达到 18002000MPa 和 19502150MP&我国低合金超高强度钢的研究开始于20世纪50年代，一是仿制国外已有的 牌号，五六十年代主要以仿制前苏联的钢种为主，如30CrMnSiNi2A, 70年代开 始以仿制美国的钢种为主，如4340、 300M、 D6AC 等。二是根据我国的资源情况 和工程的需要，自主开发研制了具有我国特点的低合金超高强度钢，如406钢等。 我国成功仿制了一系列国外钢种，在许多重大工程中发挥了很大作用。最早研制 的30CrMnSiNi2A是仿制前苏联30XCH2A钢生产的。70年代开始仿制美国的钢 种，最具代表性的有 40CrNi2MoA 钢，是仿 4340 钢研制而成的 FS:PAGE； 40Si2Ni2CrMoVA钢是仿美国的300M钢研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC钢研制 的。50 年代，我国立足国内资源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型 合金钢种，无镍铬的 35Si2Mn2MoVA,不含镍的 406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4)， 含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA等。406钢是我国自行设计、自行研制最成功的典 范，它是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢。为了提高材 料的韧性又开发了 D406A。2.2 二次硬化超高强度钢二次硬化超高强度钢特点是在480550°C范围回火(或时效)后，析出合金碳 化物产生强化效应，强度和硬度明显提高，具有硬化峰值，表现出二次硬化特征， 同时韧性提高。HY180钢是1965年由美国U.S 钢公司开发出来的优良高韧性超 高强度钢，其化学成分(重量百分比)为：0.10C、lONi、8Co、2Cr、IMo,应用 于深海舰艇壳体，海底石油勘探装置等，但它一直未能在航空航天结构上获得应 用，其原因在于该钢的比强度和韧性虽能满足对低温高压深水潜艇使用要求，但 尚不能满足航空航天器对超高强度钢的高强韧性的要求。随着航空工业的快速发展，开发强度高(1586?1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa m1/2)、可焊接性好的新型材料成为发展方向。为了达到航空构件材料的损 伤容限和耐久性，在对Fe10Ni系合金钢进行的研究基础上，对HY180进行了改 进，1978年开发了 AF1410超高强度合金钢，该钢经830C油淬+510C时效后， a 0.2$1517MPa, KIC$154MPam1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工 性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。在保持 AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上，为进一步提高其强度 及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度，1992 年Carpenter 公司开发出 Aermet 100 超高强度合金钢。该钢与 AF1410 钢相比， 强度有了进一步提高(a b$1930 MPa)，但韧性稍有下降(KIC$110MPam1/2)。 Aermet 100 是目前综合性能最高的超高强度钢，是新一代军事装备中关键器件 的首选材料，美国己成功地将其应用在最先进的 F/A-22 战斗机起落架和 F-18 舰载机的起落架上。我国目前已经成功地研制出具有我国特色的二次硬化超高强度钢。G99是由 钢铁研究总院、长城特殊钢公司、航天部703所、东北大学共同承担研制的，该 钢的a b >1520MPa，KIC>124 MPam1/2,与国外应用最广的AF1410相当，成功 用于神舟系列飞船的黑匣子壳体。 钢院牵头组织攻关研制了 16Co14Ni10Cr2Mo(F206)钢，并成功用于某飞机平尾轴。我国从“九五”期间开 始研制Aermet 100钢，超高纯净钢材提纯技术取得重大进展，有害元素S、P、 0、N、H控制在ppm量级，总和小于40ppm。抚顺特殊钢公司的试制产品达到了 美国Aermet 100钢实物水平，将用于我国四代机和舰载机的起落架。2.3 马氏体时效钢马氏体时效钢以无碳(或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物 沉淀硬化的超高强度钢。具有工业应用价值的马氏体时效钢，是20 世纪60 年代 初由国际镍公司(INCO)首先开发出来的。19611962年间该公司在铁镍马氏体 合金中加入不同含量的钴、钼、钛，通过时效硬化得到屈服强度分别达到1400、 1700、1900MPa 的 18Ni(200)、18Ni(250)和 18Ni(300)钢，并首先将 18Ni(200) 和18Ni(250)应用于火箭发动机壳体。我国从 20 世纪 60 年代中期就开始研制马氏体时效钢，目前已形成 17002500MPa不同级别十余个钢种，实现了工业化生产。最初以仿制18Ni(250) 和18Ni(300)为主，到70年代中期又开始研究强度级别更高的钢种和无钻或节 镍钴马氏体时效钢。 80 年代开发出用于浓缩铀离心分离机旋转筒体用的超高 纯、高强高韧的 CM-1 钢，高弹性的 TM210 钢。 90 年代以来研制了 C300、 C350 马氏体时效钢。18Ni马氏体时效钢含9%的贵重钻元素，而我国钻资源缺乏，80年代以来国 际市场钻价不断上涨，因此国内大型固体火箭发动机壳体一般不选用这种材料。 近十几年来国外无钻马氏体时效钢的开发取得了很大进展。90年代 国内在18Ni 马氏体时效钢的基础上，采用取消钻元素，提高镍、钛含量的方法，成功研制出 了 T250、T300马氏体时效钢。T250马氏体时效钢力学性能为：O b1760MPa、 a _0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m/2,是制造我国固体发动机壳体的新一代材料。2006 年，宝钢特殊钢分公司、抚钢、安大厂和太钢等单位联合攻关，成功试制 出直径为1200mm的T250钢固体发动机壳体，已用于某航天型号。3. 铝合金的制造工艺研究进展3.1 低合金超高强度钢低合金超高强度钢合金元素含量少(<5%)，经济性好，强度高，屈强比低， 但韧性相对较低。此类钢是通过淬火和低温回火处理获得较高的强度和韧性，钢 的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。含碳量增加，钢的强度升高；而塑 性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量， 一般含碳量在 0.300.45%。钢中合金元素总量约在 5%左右， Cr、 Ni 和 Mn 在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马 氏体组织，Mo, W和V的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。为了抑制低合金超高强度钢回火脆性， 1952 年美国国际镍公司开发了 300M 钢。该钢通过添加了 12%的硅来提高回火温度(260315°C),并可抑制马氏体 回火脆性。尽管以 4340 和 300M 钢为代表的低合金超高强度钢具有高强度，但 它们的断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差，因而其应用受到了一定的限制。苏联开始研制低合金超高强度钢的时间大体上与美国同步，具有自己的钢种 体系，最有代表性的是30XCH2A和40XH2CMA (3 1/1 643)钢。30XCH2A是在 30XC基础上加入1.41.8%的镍而得到的低合金超高强度钢，由于镍的加入提 高了钢的强度、塑性和韧性，也提高了钢的淬透性，由此改良和派生出了一系列 钢种。3.2 二次硬化超高强度钢H11 钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢。钢的含碳量约 0.40%，含铬5%。钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件下即可获得马氏体 组织。经500C回火时，析出M2C(M表金属元素)和V4C3，产生二次硬化效应， 钢的强度达到1962MPa以上。该类钢具有较高的中温强度，除用于制做热作模具 外还制做飞机发动机后框架等，在400500C工作条件下能承受较高的应力。9Ni-4Co系列钢是高韧性超高强度钢，按照强度级别含碳量范围 0.20 0.45%，通常使用的有HP9420和HP9430，含碳量分别为0.20%和 0.30 %。该类钢经820C加热后油淬，450550C回火，抗张强度为1400 1600MPa,断裂韧度达到90MPa Vm以上。AFl410钢近年来受到了航空和航天部门的极大重视，该类钢含有M、Co、Cr 和Mo等合金元素(表212. 2)，经固溶和油淬处理形成高位错密度板条马氏体， 在板条边界分布有少量残留奥氏体。时效处理析出弥散分布的合金碳化物，从而AF1410钢的化学成分合金元索CCoCrMo5FONA!La7/%1.6140101T10010. 04a co?6 0036 030. 08获得高