材料課堂丨航空航天領域應用的超高強度鋼

2017-01-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

一般地,室溫條件下屈服強度大于550 MPa的鋼被稱為超高強度鋼,通常還要求具有良好的塑韌性、優異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應力腐蝕性能。超高強度鋼是應用范圍很廣的一類重要鋼種,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。

典型超高強度鋼的化學成分(質量分數/%)

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典型代表。美國從20世紀40年代中期開始研究4340鋼,通過降低回火溫度,使鋼的抗拉強度達到1600~1900MPa。1955年4340鋼開始用于F-104飛機起落架。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度鋼回火脆性,1952 年美國國際鎳公司開發了300M鋼。該鋼通過添加了1~2%的硅來提高回火溫度(260~315℃),并可抑制馬氏體回火脆性。300M鋼在1966 年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應用,F-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰斗機都采用了300M 鋼,此外波音747 等民用飛機的起落架及波音767 飛機機翼的襟滑軌、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度鋼具有高強度,但它們的斷裂韌性和抗應力腐蝕能力都比較差,因而其應用受到了一定的限制。美國于60 年代初開始研制D6AC,由AISI 4340 鋼改進而成,被廣泛用于制造戰術和戰略導彈發動機殼體及飛機結構件。到了70 年代中期,D6AC 逐漸取代了其它合金結構鋼,成為一種制造固體火箭發動機殼體的專用鋼種。美國新型地空導彈“愛國者”,小型導彈“紅眼睛”,大中型導彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等,美國航天飛機的φ3.7m助推器殼體也采用D6AC 鋼制造。D6AC 還曾用于制造F-111飛機的起落架和機翼軸等。

蘇聯具有自己的鋼種體系,最有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA(ЭИ643)鋼。30XГCH2A 是在30XГC 基礎上加入1.4~1.8%的鎳而得到的低合金超高強度鋼,由于鎳的加入提高了鋼的強度、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 基礎上發展起來的,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經濟型的低合金超高強度鋼35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC- 9),其抗拉強度分別可達到1800~2000MPa 和1950~2150MPa。

406鋼是我國自行設計、自行研制低合金超高強度鋼最成功的典范。它是為解決大型固體火箭發動機殼體材料而研制的超高強度鋼,1966年由冶金部和七機部聯合下達研制任務,1980年11月定型生產。采用406鋼制造的巨浪一號兩級發動機殼體,使用強度>1715 MPa,KIC>72 MPa·m1/2,相當于美國“北極星A2”導彈一級發動機殼體所用的D6AC鋼。

406鋼制造的DF-21導彈一級發動機殼體

為了提高大型固體火箭發動機的可靠性,又在406鋼的基礎上開發了D406A鋼,通過降低碳含量和采用VIM+VAR冶煉技術,提高了純凈度。D406A鋼的強度稍有下降,但提高了韌性(σb>1620MPa,KIC>87 MPa·m1/2)。1993年通過技術鑒定,已成功用于東風和巨浪系列導彈一級發動機殼體。

2、二次硬化超高強度鋼

二次硬化超高強度鋼特點是在 480~550℃范圍回火(或時效)后,析出合金碳化物產生強化效應,強度和硬度明顯提高,具有硬化峰值,表現出二次硬化特征,同時韌性提高。

HY180鋼是1965 年由美國U.S.鋼公司開發出來的優良高韌性超高強度鋼,其化學成分(重量百分比) 為:0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo,應用于深海艦艇殼體,海底石油勘探裝置等,但它一直未能在航空航天結構上獲得應用,其原因在于該鋼的比強度和韌性雖能滿足對低溫高壓深水潛艇使用要求,但尚不能滿足航空航天器對超高強度鋼的高強韌性的要求。

隨著航空工業的快速發展,開發強度高(1586 1724MPa)、斷裂韌性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型材料成為發展方向。為了達到航空構件材料的損傷容限和耐久性,在對Fe10Ni 系合金鋼進行的研究基礎上,對HY180 進行了改進,1978年開發了AF1410超高強度合金鋼,該鋼經830℃油淬+510℃時效后,σ0.2≥1517MPa,KIC≥154MPa·m1/2。因此該鋼以極高的強韌性、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。

以Aermet 100為材料的F/A-22起落架

3、馬氏體時效鋼

馬氏體時效鋼以無碳(或微碳)馬氏體為基體的,時效時能產生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼。具有工業應用價值的馬氏體時效鋼,是20世紀60年代初由國際鎳公司(INCO)首先開發出來的。1961~1962年間該公司在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦,通過時效硬化得到屈服強度分別達到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、 18Ni(250)和18Ni(300)鋼,并首先將18Ni(200)和18Ni(250)應用于火箭發動機殼體。

馬氏體時效鋼在相同的強度級別韌性比低合金鋼要高,加工硬化指數低,沒有脫碳問題,熱處理工藝簡單,冷加工成型性好。固體火箭發動機殼體用18Ni馬氏體時效鋼,使用強度為1750 MPa,濃縮鈾離心分離機旋轉筒體用馬氏體時效鋼,使用強度達到2450MPa。但合金元素含量高致使馬氏體時效鋼的成本增高。90年代,國內在18Ni馬氏體時效鋼的基礎上,采用取消鈷元素,提高鎳、鈦含量的方法,成功研制出了T250、T300馬氏體時效鋼。T250馬氏體時效鋼力學性能為: σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2,是制造我國固體發動機殼體的新一代材料。2006年,寶鋼特殊鋼分公司、撫鋼、安大廠和太鋼等單位聯合攻關,成功試制出直徑為1200mm的T250鋼固體發動機殼體,已用于某航天型號。

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,其力學性能等于或優于傳統的超高強度不銹鋼,比如300M和SAE4340,而耐腐蝕性能類似于1.5-5PH。開發超高強度不銹鋼FerriumS53的目的是要淘汰有毒的金屬鍍層。

FerriumS53不銹鋼的特點如下:

●耐蝕相當于15-5PH H900

●強度與與300M(AMS 6257A)相當或更好

●耐應力腐蝕破裂:KIscc≥16.5 MPa

●具有最大耐疲勞的最佳顯微結構特征

●對磨損和疲勞的表面可使硬度大于67 HRC

●高強度高韌性細條狀馬氏體基體

●細晶粒與極細金屬碳化物彌散分布,以提高耐磨性能和韌性

●通過回火使納米級金屬碳化物(M2C)彌散進行強化,同時避免其他碳化物,使強度、耐磨性能以及韌性最大化

●為了獲得最佳的耐腐蝕性能,形成了一種穩定的鈍態氧化物薄膜

目前飛機起落架選用的鋼材(如:300M、SAE4340)都要求進行保護性的以氰化物為基礎的鍍鎘處理。鎘是大家熟知的一種致癌物,在最初的飛機制造和在飛機維修過程中都存在明顯的環境污染風險。此外,為了避免氫脆,鍍鎘工藝要求隨后進行氫還原退火操作。在這些用途中用Ferrium53來取代其他材料就不需要鍍鎘和隨后的氫還原退火操作。而且該不銹鋼的耐應力腐蝕斷裂性能(SCC)也優于300M和SAE4340。另外,還有更高的可硬化性能。對于一個給定的截面尺寸,適合的淬火條件并不那么嚴格,因此,在熱處理過程中幾乎沒有變形。這種不銹鋼的處理工藝與其他淬火和回火的馬氏體二次硬化鋼的處理工藝類似。為了避免表面脫碳,推薦進行真空熱處理和真空回火。淬火冷卻到室溫之后,再進行低溫處理,以保證完全的馬氏體轉變。它有代表性的回火溫度是470℃,接近這個溫度時,這種不銹鋼有優異的熱阻性能。這就允許采用更高的研磨速度而不會產生研磨燒傷的風險,因而使用中更加耐用。

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。