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高強度不銹鋼在國產大飛機中的應用

發布時間:2017-09-04 責任編輯:力源不銹鋼網 來源:冶金信息

     力源不銹鋼網訊:高強度不銹鋼0CT17Ni7Al(17-7PH)OCr15Ni7Mo2Al(PH15-7Mo)0Cr12Mn5Ni4Mo3Al0Crl7Ni4Cu4Nb(17-4PH)0Cr13Ni8Mo2Al(PH13-8Mo)0Crl5Ni25Ti2Mo1VA100Crl6Ni5Al00Crl5Ni6Nb00Crl1Nil0Mo2Al00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A100Crl1Nil0Mo2Til00Cr12Co12Ni4Mo4Ti00Cr12Ni8Cu2AlNb00Crl2Ni11MolTi1.65(Cust0m465)00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl(Custom475)00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti 
  所謂大飛機,是指起飛總重量超過100 t的運輸類飛機,包括軍用和民用大型運輸機,也包括150座以上的干線客機。它是民航使用最廣泛的主力機型。 
  2007年3月,國家正式確立了國產大飛機項目,總投資約2000億元。中國的大飛機很多零部件也將面向國內外招標,而作為國家戰略,國產大飛機將會優先采購國產配件。這將會帶動我國多個相關產業的發展,其中就包括新材料行業,不銹鋼在飛機上應用相當廣泛,而且有很多是異于常規不銹鋼的,它必須具備高強度、耐疲勞等特殊性能。本文就高強度不銹鋼在大飛機上的應用發展作一個闡述。一、高強度不銹鋼航空科技的發展一再證明飛機及航空發動機性能的改進大部分要依靠材料性能的提高來實現。盡管在飛機制造中鋼的比重不斷下降,但由于鋼的高強度、高韌性、高耐應力腐蝕開裂以及良好的抗沖擊性能,飛機的一些關鍵承力結構件如起落架、大梁、大應力接頭、高應力緊固件等仍在繼續使用高強度鋼。飛機向長壽命、高可靠性方向的發展,對材料耐腐蝕性能的要求越來越高,采用高強度不銹鋼制作某些重要零部件已成為主要發展趨勢,這使得高強度不銹鋼材料成為航空產品達到高性能、長壽命與高可靠性的重要物質與技術基礎。通常把抗拉強度高于800 MPa,屈服強度高于500 MPa的不銹鋼稱為高強度不銹鋼,把屈服強度高于1 380 MPa的不銹鋼稱為超高強度不銹鋼。自1958年起,鋼鐵研究總院等科研院所與各特殊鋼廠先后開展了沉淀硬化不銹鋼的研究,上世紀60年代開始了馬氏體時效不銹鋼的研究,80年代又開始了鐵素體時效不銹鋼的研究,近幾年又在超級馬氏體時效不銹鋼領域進行了研究,所研制的系列鋼種基本滿足了我國國防建設和國民經濟各方面的需要。 
  1 沉淀硬化不銹鋼 
  1.1 半奧氏體沉淀硬化不銹鋼 
  這類鋼的特點是可以在奧氏體狀態進行切削加工、冷變形和焊接,隨后通過調整處理及時效處理控制馬氏體轉變與析出硬化,獲得不同的強韌性配合;耐腐蝕性能良好,特別是抗應力腐蝕性能優越。因此該類鋼特別適用于制造不同要求的耐蝕承力結構件。在540 ℃,特別是480 ℃以下使用,熱強性能良好。其主要缺點是對鋼的化學成分區間要求十分嚴格,熱處理工藝復雜,對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,進行深變形冷加工時常需進行多次中間退火。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中在400 ℃以下工作的耐蝕承力結構件,如各種管道、管接頭、彈簧、緊固件等。產品有板、管、帶、絲、棒、鑄件、鍛件等。 
  1.2 馬氏體沉淀硬化不銹鋼鋼 
  這類鋼的強度是通過馬氏體相變和沉淀硬化處理來實現的,優點是強度較高,同時由于低碳、高鉻、高鉬和/或高銅,其耐蝕性一般不會低于18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼;易切削,易焊接,焊后一般不需局部退火,熱處理工藝也比較簡單。缺點主要是即使在退火態其組織仍然是低碳馬氏體,因此難以進行深變形冷加工。該類鋼的代表鋼種是0Crl7Ni4Cu4Nb(17-4PH)與0Cr13Ni8Mo2Al(PH13-8Mo),用于制造在400 ℃以下工作的高強耐蝕承力構件,如發動機承力件、緊固件等。后者在航空承力耐蝕中溫結構件方面應用十分廣泛。 
  1.3 奧氏體沉淀硬化不銹鋼 
  這類鋼實際上屬于Fe-Ni基高溫合金,在高強度不銹鋼中具有600~700 ℃范圍內最高的高溫強度,650 ℃下的屈服強度與室溫的相差不多;超低溫韌性極好,基本沒有低溫脆性;沉淀強化作用顯著,制作大斷面部件時力學性能均勻;冷變形和耐蝕性能十分優越。缺點主要是室溫及中溫強度較低,可焊性差。代表鋼種0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1,用于制造噴氣發動機渦輪、葉片、機身、緊固件、高強彈簧等。 
  2 時效不銹鋼 
  馬氏體時效不銹鋼是20世紀60年代中期發展起來的新型高強度不銹鋼。該類鋼既具有高強度和超高強度,又克服了馬氏體沉淀硬化不銹鋼低溫韌性差和在350~400 ℃長期使用時脆化傾向大的缺點;在固溶態是超低碳馬氏體組織,加工硬化指數低,易于冷加工;固溶態的焊接性能好;熱處理簡單,工件尺寸穩定;與其他高強度不銹鋼相比,在同等強度下塑性和韌性較好;由于碳含量低,耐蝕性優于同等鉻含量的馬氏體沉淀硬化不銹鋼。缺點主要是由于碳含量低導致耐磨性較差,需要進行表面處理以提高耐磨性和疲勞強度。馬氏體時效不銹鋼的研究已成為高強度不銹鋼研究的重點之一。 
  1) 以00Crl6Ni5Al(700~1 100 MPa),該鋼含有部分鐵素體,對鍛造有一定的要求;強韌配合良好,深沖及彎曲性能較好,相當于Crl8Ni8不銹鋼;焊接性能好,焊前不需預熱,焊后不需熱處理,焊接效率在90%以上。 
  2) 以00Crl5Ni6Nb(1 000~1 200 MPa),該鋼具有良好的塑性、韌性和耐蝕性,深沖性能良好,切削性能優良,在軟化、固溶、時效狀態下都能切削,不粘刀。特別是焊接性能優良,可以用與母材成分相同的焊絲進行焊接且焊接效率較高,接頭強度與母材基本一致。在航空工業可以用來代替大量使用的1Crl8Ni9不銹鋼,且強度較高。 
  3) 以00Crl1Nil0Mo2Al(1 200~1 300 MPa)、00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A1(1 300~1 500 MPa)、00Crl1Nil0Mo2Til(1 600~1 700 MPa)為代表。這一系列鋼種以Mo、A1、Ti為主要強韌化元素,這類鋼在固溶態具有良好的冷加工性,可進行較為復雜的沖壓加工。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行焊接。可用于制造航空工業中的彈簧、緊固件、承力結構件等部件。 
  4) 以00Cr12Co12Ni4Mo4Ti(1 200~1 600 MPa),該鋼的Co、Mo復合強化使得強化作用更為明顯,因為Co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 ℃時效的耐蝕性最好;熱加工性能良好,固溶態時易于冷加工;焊前不需預熱,焊后如要求高的強韌性可進行固溶+時效處理。該鋼強韌配合較好,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) 以00Cr12Ni8Cu2AlNb(1 500~1 700 MPa),該鋼在具有高強度的同時還具有足夠的韌性,耐應力腐蝕性較好;最高使用溫度450 ℃,瞬時使用溫度800 ℃;特定熱處理條件下疲勞性能接近于Custom455;鋼的冷作硬化傾向較小,一般不需進行中間軟化處理;易于焊接,工藝簡單,大斷面焊縫強度系數達85%以上。主要用于制造耐蝕承力部件,高性能的軸、齒輪、彈簧等。 
  6) 以00Crl2Ni11MolTi1.65(即Cust0m465,l 300~1 800 MPa),該鋼為Carpenter公司的專利鋼種,在峰值時效(H900)狀態下強度可達1 820 MPa,且仍有優良的缺口強度和斷裂韌性。在長期熱暴露情況下仍具有較高強度,耐蝕性能與AISI304鋼相近。熱處理引起的尺寸變化較小,可在固溶態及不同機加工狀態進行冷加工。 
  7) 以00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl(即Custom475,l 600~2 100 MPa),同樣為Carpenter公司的專利鋼種,此鋼能達到最高的強度水平。峰值時效(524 ℃時效)強度可達2 030 MPa,時效前不進行應變強化,時效后即可達1 960 MPa,而退火屈服強度只有1 000 MPa左右。加工硬化速率較低,可順利進行冷加工,切削特性與其他高鎳馬氏體時效鋼類似。具有較好的耐大氣腐蝕性。 
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