高強度不鏽鋼在國產大飛機中的應用和發展

所謂大飛機，是指起飛總重量超過100噸的運輸類飛機，包括軍用和民用大型運輸機，也包括150座以上的幹線客機。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專案，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採購國產配件。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，不鏽鋼在飛機上應用相當廣泛，而且有很多是異於常規不鏽鋼的，它必須具備高強度、耐疲勞等特殊效能。本文就高強度不鏽鋼在大飛機上的應用發展作一個闡述。

一、高強度不鏽鋼

航空科技的發展一再證明飛機及航空發動機效能的改進大部分要依靠材料效能的提高來實現。儘管在飛機制造中鋼的比重不斷下降，但由於鋼的高強度、高韌性、高耐應力腐蝕開裂以及良好的抗衝擊性能，飛機的一些關鍵承力結構件如起落架、大梁、大應力接頭、高應力緊韌體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，對材料耐腐蝕效能的要求越來越高，採用高強度不鏽鋼製作某些重要零部件已成為主要發展趨勢，這使得高強度不鏽鋼材料成為航空產品達到高效能、長壽命與高可靠性的重要物質與技術基礎。

通常把抗拉強度高於800MPa，屈服強度高於500MPa的不鏽鋼稱為高強度不鏽鋼，把屈服強度高於1380MPa的不鏽鋼稱為超高強度不鏽鋼。自1958年起，鋼鐵研究總院等科研院所與各特殊鋼廠先後開展了沉澱硬化不鏽鋼的研究，上世紀60年代開始了馬氏體時效不鏽鋼的研究，80年代又開始了鐵素體時效不鏽鋼的研究，近幾年又在超級馬氏體時效不鏽鋼領域進行了研究，所研製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、 沉澱硬化不鏽鋼

1.1 半奧氏體沉澱硬化不鏽鋼

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，隨後透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；耐腐蝕效能良好，特別是抗應力腐蝕效能優越。因此該類鋼特別適用於製造不同要求的耐蝕承力結構件。在540℃，特別是480℃以下使用，熱強效能良好。其主要缺點是對鋼的化學成分割槽間要求十分嚴格，熱處理工藝複雜，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 0Cr17Ni7Al （17-7PH）、0Cr15Ni7Mo2Al （PH15-7Mo）、0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。該類鋼主要用於航空工業中在400℃以下工作的耐蝕承力結構件，如各種管道、管接頭、彈簧、緊韌體等。產品有板、管、帶、絲、棒、鑄件、鍛件等。

1.2 馬氏體沉澱硬化不鏽鋼

鋼的強度是透過馬氏體相變和沉澱硬化處理來實現的，優點是強度較高，同時由於低碳、高鉻、高鉬和/或高銅，其耐蝕性一般不會低於18Cr-8Ni奧氏體不鏽鋼；易切削，易焊接，焊後一般不需區域性退火，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0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）與 0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），用於製造在400℃以下工作的高強耐蝕承力構件，如發動機承力件、緊韌體等。後者在航空承力耐蝕中溫結構件方面應用十分廣泛。

1.3 奧氏體沉澱硬化不鏽鋼

該類鋼實際上屬於Fe-Ni基高溫合金，在高強度不鏽鋼中具有600~700℃範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；沉澱強化作用顯著，製作大斷面部件時力學效能均勻；冷變形和耐蝕效能十分優越。缺點主要是室溫及中溫強度較低，可焊性差。代表鋼種0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1，用於製造噴氣發動機渦輪、葉片、機身、緊韌體、高強彈簧等。

2、時效不鏽鋼

2.1 馬氏體時效不鏽鋼

馬氏體時效不鏽鋼是20世紀60年代中期發展起來的新型高強度不鏽鋼。該類鋼既具有高強度和超高強度，又克服了馬氏體沉澱硬化不鏽鋼低溫韌性差和在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，易於冷加工；固溶態的焊接效能好；熱處理簡單，工件尺寸穩定；與其他高強度不鏽鋼相比，在同等強度下塑性和韌性較好；由於碳含量低，耐蝕性優於同等鉻含量的馬氏體沉澱硬化不鏽鋼。缺點主要是由於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。馬氏體時效不鏽鋼的研究已成為高強度不鏽鋼研究的重點之一。

(1) 00Cr16Ni5Al(700~1100MPa)

，

該鋼含有部分鐵素體，對鍛造有一定的要求；強韌配合良好，深衝及彎曲效能較好，相當於Crl8Ni8不鏽鋼；焊接效能好，焊前不需預熱，焊後不需熱處理，焊接效率在90%以上。

(2) 00Crl5Ni6Nb(1000~1200MPa)

，

該鋼具有良好的塑性、韌性和耐蝕性，深衝效能良好，切削效能優良，在軟化、固溶、時效狀態下都能切削，不粘刀。特別是焊接效能優良，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不鏽鋼，且強度較高。

(3)

00Cr11Nil0Mo2Al (1200~1300MPa), 00Cr11Ni10Mo2Ti0.6Al (1300~1500MPa)， 00Cr11Ni10Mo2Ti(1600~1700MPa)等。

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，可進行較為複雜的衝壓加工。具有良好的耐蝕性，高的衝擊韌性和斷裂韌度，可用焊接不鏽鋼的任何一種方法進行焊接。可用於製造航空工業中的彈簧、緊韌體、承力結構件等部件。

(4) 00Cr12Co12Ni4Mo4Ti(1200~1600MPa)

，該鋼的Co、Mo複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；熱加工效能良好，固溶態時易於冷加工；焊前不需預熱，焊後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，用於製造要求耐蝕承力且要求高抗彈性衰減性的部件。

(5) 00Cr12Ni8Cu2AlNb(1500~1700MPa)

，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效能接近於Custom455；鋼的冷作硬化傾向較小，一般不需進行中間軟化處理；易於焊接，工藝簡單，大斷面焊縫強度係數達85%以上。主要用於製造耐蝕承力部件，高效能的軸、齒輪、彈簧等。

(6) 00Cr12Ni11Mo1Ti1.65(即Cust0m465，1300~1800MPa)

，該鋼為Carpenter公司的專利鋼種，在峰值時效（H900）狀態下強度可達1820MPa，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，耐蝕效能與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) 00Cr11Ni8Co8.5Mo5AI1(即Custom475, 1600~2100MPa)

，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2030MPa，時效前不進行應變強化，時效後即可達1960MPa，而退火屈服強度只有1000MPa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。

除上述鋼種之外，還研發了一種擁有自主智慧財產權的成分為（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系高潔淨度、細晶組織馬氏體時效不鏽鋼，抗拉強度1900MPa以上，伸長率10%以上，具有較好的強韌性配合，是製造耐蝕承力件的良好材料。

2.2 鐵素體時效不鏽鋼

沉澱硬化不鏽鋼及馬氏體時效不鏽鋼雖然強度很高，強韌性配合良好，但由於含鉻量較低，鎳含量也受到限制，因而在強腐蝕介質中難以使用。為此研製了00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti鐵素體時效不鏽鋼，其抗拉強度約1100MPa（屈服強度880MPa），由於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，耐點蝕及縫隙腐蝕效能大大優於AISI316而屈服強度卻為AISI3l6的2~3倍，成為在海水中最有使用前途的高強度不鏽鋼之一。

二、高強度不鏽鋼在飛機上的應用

以上提到的各類不鏽鋼有些已經在飛機上得到廣泛應用，有些不鏽鋼的應用正在逐漸擴大。下面作簡要介紹。

1、在飛機起降裝置上的應用

用於製造飛機起落架的結構材料為30CrMnSiNi2A、4340、300M、Aermet100等。對於在海洋性氣候下使用的飛機的起落架、緊韌體等則多使用沉澱硬化不鏽鋼製造，如17-4PH用於F-15飛機的起落架，其改進型15-5PH用於B-767飛機的起落架，PH13-8Mo鋼由於抗應力腐蝕效能比同級別沉澱硬化不鏽鋼好而有望代替17-4PH、15-5PH以及17-7PH、PH15-7Mo等鋼種。

美國自上世紀8O年代起對馬氏體時效與沉澱硬化不鏽鋼的強韌化做了進一步的深入研究，如HSL180和Custom465鋼等。它們的強度都超過1600MPa，其中HSL180是在淬火、低溫處理後，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以上的強度；美國Carpenter公司開發的Custom465 （00Crl2Nil1MolTi0。6） 在H1000過時效狀態可以提供比其他高強度不鏽鋼（如NCustom455或PHI3-8Mo）更高的強度、韌性和抗應力腐蝕性的組合，但尚未見到大尺寸截面鋼材的力學效能報道。正在研究具有接近2000MPa的高強度特性的不鏽鋼。

2、在飛機軸承上的應用

德國的FAG公司開發了新增氮的馬氏體不鏽鋼Cronidur30（0。31%C-0。38%N-15%Cr-l%Mo）。它作為比SUS440更耐腐蝕的材料，是透過高壓氮氣氣氛下進行電渣重熔的PESR工藝生產的高氮完全硬化型高溫不鏽鋼。但因其是完全硬化型的，不適於高DN值（D：軸承內徑/mm，N：軸轉數/arin），然而用同樣的Cronidur30透過高頻淬火，就可以DN400萬的值同時滿足殘餘壓縮應力以及斷裂韌性值。但是回火溫度低於15O℃，就不能承受引擎關閉後熱衝擊造成的軸承溫度上升。

3、在飛機承力結構件上的應用

飛機承力結構件中的高強不鏽鋼主要有15-5PH，17-4PH，PH13-8Mo等，並在軍用飛機上應用以替代傳統的30CrMnSiA等高強度合金鋼。其零件形式有艙蓋鎖閂、高強度螺栓、彈簧等各類零配件。民用飛機將此類高強度不鏽鋼用於機翼樑上，如波音737-600型機翼梁用15-5PH鋼；A340-300型機翼梁用PH13-8Mo鋼。

在要求高強度和高韌性，特別對橫向效能有特殊要求的部位，如機身框架，使用了PH13-8Mo。最近由於要求提高韌性和耐應力腐蝕性，試用了Custom465等。Custom465是carpenter公司在Custom450和Custom455的基礎上發展起來的，用於製造飛機的襟翼導軌、縫翼導軌、傳動裝置、引擎支架等。該鋼目前已納入MMPDS-02，AMS5936和ASTMA564技術規範中。使用HSL180高強度不鏽鋼（0。21C-12。5Cr-1。0Ni-15。5Co-2。0Mo）製造飛機結構體，該鋼兼有與4340等低合金鋼相當的1800MPa的強度，與SUS630等沉澱硬化不鏽鋼同等的耐腐蝕性和韌性。

4、在飛機零件上的應用

對於一些加工變形量大的零件，如飛機襟翼整流包皮，傳統上一般採用1Crl8Ni9Ti不鏽鋼，但該合金強度太低，在使用中，鉚釘孔處經常發生拉壞現象。鑑於上述情況，在新型號的設計中，對座艙鎖鉤、齒墊、發動機吊杆螺栓、液壓系統導管彎管接頭（鍛件）、無擴口管接頭、襟翼整流包皮等部位的零件採用了我國自行研製的半奧氏體沉澱硬化型不鏽鋼替代傳統不鏽鋼材料。另外，對於一些高強度螺栓，一般都是高強度結構鋼加工而成，表面鍍鉻進行防護。但在新型號設計中，這類零件均已採用0Cr12Mn5Ni4Mo3Al 不鏽鋼進行製造。

三、大型飛機用高強度不鏽鋼展望

我國高強度不鏽鋼在鋼種型別、強度級別、生產工藝、品種規格等方面都已經有了長足的進步，發展應用前景廣闊；但若將我國已有的系列高強度不鏽鋼在大飛機上進行良好地應用，還需要解決幾方面的問題。

1、我國高強度不鏽鋼發展中存在的問題

1.1 不鏽鋼的基礎理論和生產工藝研究

鋼的強度效能有其自身的客觀強度極限，不可能得到無限提高。例如，鋼的耐延遲破壞性以強度1500MPa為界限，如超過這一值，效能就會惡化，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、超細組織控制技術和高精度軋製技術等結合起來，發展良好強韌性、耐蝕性和工藝性結合的新材料是高強度不鏽鋼今後發展的主要方向。耐苛刻介質腐蝕高強度不鏽鋼，高韌性超高強度不鏽鋼，高耐磨性和高耐疲勞性馬氏體時效不鏽鋼，超低溫、無磁超高強度不鏽鋼，鐵素體時效不鏽鋼等新材料是今後研究開發的重點。透過對強韌化機理、耐腐蝕機理及耐磨損機理的研究，必將為新材料的研發奠定堅實的理論基礎。

1.2 不鏽鋼的生產技術研發和組織管理

雖然我國是一個鋼鐵生產大國，也是不鏽鋼生產大國，但受生產技術和質量管理水平等因素的限制，我國高階特殊鋼產量特別是質量尚不能完全滿足國內市場的需要；作為特殊鋼種的高強度不鏽鋼，效能還不穩定，品種規格尚不能完全滿足國家經濟和國防建設的需求；具有發展前途的鋼種亟待開發，能夠生產具有廣闊應用前景的超級不鏽鋼的廠家不多；已生產的高強度不鏽鋼實物質量與國外發達國家進口產品的實物質量相比還有相當的差距。

2、促進我國高強度不鏽鋼發展的措施

2.1 加強產學研結合，提高高強度不鏽鋼產品的實物質量

國外不鏽鋼產品與國內相應產品比較，不僅在內在潔淨度、組織均勻性和效能穩定性等方面較為優良，甚至在平整度、光潔度等外形和外觀質量上也有一定的優勢。這反映出國產高強度不鏽鋼產品在精料，冶煉，冷、熱加工及熱處理等方面均有待提高。這就需要結合產學研三方面的力量，大力協同，精益求精，將我國高強度不鏽鋼的整體生產製造工藝技術進行全面的改善和提高，儘快使國產不鏽鋼產品的實物質量達到發達國家先進水平。

2.2 加快品種工程化和標準化

鋼的標準化能促進鋼材質量穩定化，供貨批次化，豐富的鋼材標準使得在設計使用時有更多的選擇餘地。我國自上世紀50年代以來，仿製和自行研製的不鏽鋼鋼種約100多個，其中部分已納人標準，包括18個高強度不鏽鋼鋼種。但仍有大量未納標的鋼種在區域性使用，同樣有些標準中的鋼種生產量也很少。這就需要在品種引進和標準化方面進行大量的工作。

2.3 進行高強度不鏽鋼的可靠性研究

與其他方面的應用不同，大型飛機所使用的鋼鐵材料不僅要求具有一定的強度、韌性配合和耐蝕性，而且需要對材料使用的安全可靠性進行深入研究，以確保飛行安全，降低維修成本等。

在這方面，歐美國家對相關的飛機用鋼鐵材料進行了大量的爐、批次效能試驗和統計，在此基礎上制訂了材料適航標準；對機上關鍵部位用料（主要是特鋼和鋁合金）除了檢驗常規效能外，補充做了大量的疲勞試驗和S-N曲線，為材料和整機技術鑑定創造了條件。在這方面我國需要長期、大量、細緻的資料積累，才能為大型飛機的選材提供切實可用的資料基礎。