金属材料学中的尖端科技:中国航空航天用超高强度钢!!

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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,而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军用及民用装备上。


超高强度钢发展至今,合金化研究已达到很高水平,挖掘现有钢种的潜力,充分发挥合金元素的作用,减少有害元素的含量,提高断裂韧性,已成为冶金科技工作者追求的目标。近十年来围绕现有钢种挖潜,在超纯、超细化、高均质、低偏析进行技术创新,突破四大关键技术:1、超纯铁工业化大生产冶金技术。2、VIM+VAR低偏析、高均质化的熔炼技术。3、钢锭均质化技术、大锻比锻造技术。4、超细化控制锻造技术和热处理控制技术。这是超高强度钢研发和产品工业化的基础。


超高强度合金钢按其物理冶金学特点大体可以分为:低温回火马氏体组织或下贝氏体组织强化的低合金超高强度钢;高温回火析出合金碳化物、二次硬化组织的超高强度钢和从低碳马氏体基体析出金属间化合物进行强化的马氏体时效钢,及正在探索和研究的复合强化型(沉淀强化、二次硬化和时效强化复合强化)的超高强度钢。


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0.30~0.45%。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。


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1600~1900MPa。1955年4340钢开始用于F-104飞机起落架。通过淬火和低温回火处理,AISI 4130、4140、4330或4340钢的抗拉强度均可超过1500MPa,而且缺口冲击韧性较高。


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1~2%的硅来提高回火温度(260~315℃),并可抑制马氏体回火脆性。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-15F-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φ3.7m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30XГCH2A 和40XH2CMA(ЭИ643)钢。30XГCH2A 是在30XГC 基础上加入1.4~1.8%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。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35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC- 9),其抗拉强度分别可达到1800?2000MPa 和1950~2150MPa。


金属材料学中的尖端科技:中国航空航天用超高强度钢!!

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(仿30XГCH2A钢),70 年代开始以仿制美国的钢种为主,如40CrNi2MoA钢(仿4340钢)、40Si2Ni2CrMoVA钢(仿300M钢)、45CrNiMo1VA钢(仿D6AC钢)等。二是根据我国的资源情况(缺乏钴、镍等贵金属)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,如无镍铬的35Si2Mn2MoVA,不含镍的406 (38SiMnCrNiMoV)、D406A (31Si2MnCrMoV)、 40CrMnSiMoVA (GC-4),含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA等。


1973年我国开始仿制D6AC钢,已成功用于HQ-7地空导弹发动机壳体、反坦克导弹的发动机壳体和高压气瓶。1980年我国开始仿制300M钢,从“六五”到“九五”期间,钢铁研究总院和抚顺特殊钢公司在钢的纯净化方面做了大量的工作,并发展了超纯冶金技术,将该钢成功地用于J-8II、J-10等歼击机起落架上,使我国实现了飞机与起落架同寿命。




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406钢制造的DF-21导弹一级发动机壳体(这是飞行试验中一级分离后落地的照片)


406钢是我国自行设计、自行研制低合金超高强度钢最成功的典范。它是为解决大型固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢,1966年由冶金部和七机部联合下达研制任务,1980年11月定型生产。采用406钢制造的巨浪一号两级发动机壳体,使用强度>1715 MPa,KIC>72 MPa·m1/2,相当于美国“北极星A2”导弹一级发动机壳体所用的D6AC钢。


为了提高大型固体火箭发动机的可靠性,又在406钢的基础上开发了D406A钢,通过降低碳含量和采用VIM+VAR冶炼技术,提高了纯净度。D406A钢的强度稍有下降,但提高了韧性(σb>1620MPa,KIC>87 MPa·m1/2)。1993年通过技术鉴定,已成功用于东风和巨浪系列导弹一级发动机壳体。


2 二次硬化超高强度钢


二次硬化超高强度钢特点是在 480~550℃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、10Ni、8Co、2Cr、1Mo,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830℃油淬+510℃时效后,σ0.2≥1517MPa,KIC≥154MPa·m1/2。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(σb≥1930 MPa),但韧性稍有下降(KIC≥110MPa·m1/2)。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。




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Aermet 100是目前综合性能最高的超高强度钢



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以Aermet 100为材料的F/A-22起落架


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σb >1520MPa,KIC>124 MPa·m1/2,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、O、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。





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J-XX飞机首架起落架交付仪式


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。1961~1962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。



金属材料学中的尖端科技:中国航空航天用超高强度钢!!



马氏体时效钢在相同的强度级别韧性比低合金钢要高,加工硬化指数低,没有脱碳问题,热处理工艺简单,冷加工成型性好。固体火箭发动机壳体用18Ni马氏体时效钢,使用强度为1750 MPa,浓缩铀离心分离机旋转筒体用马氏体时效钢,使用强度达到2450MPa。但合金元素含量高致使马氏体时效钢的成本增高。


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1700~2500MPa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钴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%的贵重钴元素,而我国钴资源缺乏,80年代以来国际市场钴价不断上涨,因此国内大型固体火箭发动机壳体一般不选用这种材料。近十几年来国外无钴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,采用取消钴元素,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: σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2,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。

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