**航天超高強(qiáng)度鋼的研究現(xiàn)狀

摘要：室溫條件下抗拉強(qiáng)度大于1400MPa、屈服強(qiáng)度大于1200MPa的鋼被稱為超高強(qiáng)度鋼，通常還要求具有良好的塑韌性、優(yōu)異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能。超高強(qiáng)度鋼是應(yīng)用范圍很廣的一類重要鋼種，大量應(yīng)用于**發(fā)動機(jī)殼體、飛機(jī)起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域。按其物理冶金學(xué)特點，超高強(qiáng)度鋼大體可以分為低合金超高強(qiáng)度鋼、二次硬化超高強(qiáng)度鋼和馬氏體時效鋼。目前，典型的低合金超高強(qiáng)度鋼是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高強(qiáng)度鋼是HY180 和AF1410。

    關(guān)鍵字：**航天；超高強(qiáng)度鋼；研究現(xiàn)狀。

1. 引言

 隨著**工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強(qiáng)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(fā)展方向。以往的通過改變合金成分來提高超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度和韌性已很困難，所以要想有所突破，就要從開發(fā)新工藝、新技術(shù)方向著手，為此就很有必要深入學(xué)習(xí)超高強(qiáng)度鋼的研究發(fā)展歷程以及其制造工藝。

2. 超高強(qiáng)度合金鋼材料的研究進(jìn)展

2.1低合金超高強(qiáng)度鋼  

   AISI4340是*早出現(xiàn)的低合金超高強(qiáng)度鋼，也是低合金超高強(qiáng)度鋼的典型代表。美國從20世紀(jì)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(qiáng)度達(dá)到1600~1900MPa。1955年4340鋼開始用于F-104飛機(jī)起落架。

300M鋼在1966年后作為美國的軍機(jī)和主要民航飛機(jī)的起落架材料而獲廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)-15、F-16、DC-10、MD-11等**戰(zhàn)斗機(jī)都采用了300M鋼，此外波音747等民用飛機(jī)的起落架及波音767飛機(jī)機(jī)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(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度，但它們的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力都比較差，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。美國于60年代初開始研制D6AC，由AISI4340鋼改進(jìn)而成，被廣泛用于制造戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)殼體及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。到了70年代中期，D6AC逐漸取代了其它合金結(jié)構(gòu)鋼，成為一種制造固體**發(fā)動機(jī)殼體的專用鋼種。美國新型地空導(dǎo)彈“愛國者”，小型導(dǎo)彈“紅眼睛”，大中型導(dǎo)彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等，美國航天飛機(jī)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(jī)的起落架和機(jī)翼軸等。

蘇聯(lián)開始研制低合金超高強(qiáng)度鋼的時間大體上與美國同步，具有自己的鋼種體系，*有代表性的是30XГCH2A和40XH2CMA（ЭИ643）鋼。40XH2CMA是在40XH2MA基礎(chǔ)上發(fā)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(jīng)濟(jì)型的低合金超高強(qiáng)度鋼35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1ФA(BKC-9)，其抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)到1800~2000MPa和1950~2150MPa。

我國低合金超高強(qiáng)度鋼的研究開始于20世紀(jì)50年代，一是仿制國外已有的牌號，五六十年代主要以仿制前蘇聯(lián)的鋼種為主，如30CrMnSiNi2A，70年代開始以仿制美國的鋼種為主，如4340、300M、D6AC 等。二是根據(jù)我國的資源情況和工程的需要，自主開發(fā)研制了具有我國特點的低合金超高強(qiáng)度鋼，如406鋼等。我國成功仿制了一系列國外鋼種，在許多重大工程中發(fā)揮了很大作用。*早研制的30CrMnSiNi2A是仿制前蘇聯(lián)30XГCH2A鋼生產(chǎn)的。70年代開始仿制美國的鋼種，**代表性的有40CrNi2MoA鋼，是仿4340鋼研制而成的[FS:PAGE]；40Si2Ni2CrMoVA鋼是仿美國的300M鋼研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC鋼研制的。 

50年代，我國立足國內(nèi)資源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金鋼種，無鎳鉻的35Si2Mn2MoVA，不含鎳的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4)，含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA等。406鋼是我國自行設(shè)計、自行研制*成功的典范，它是為解決航天固體**發(fā)動機(jī)殼體材料而研制的超高強(qiáng)度鋼。為了提高材料的韌性又開發(fā)了D406A。 

2.2二次硬化超高強(qiáng)度鋼

二次硬化超高強(qiáng)度鋼特點是在480~550℃范圍回火(或時效)后，析出合金碳化物產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)，強(qiáng)度和硬度明顯提高，具有硬化峰值，表現(xiàn)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(fā)出來的優(yōu)良高韌性超高強(qiáng)度鋼，其化學(xué)成分(重量百分比)為：0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo，應(yīng)用于深海艦艇殼體，海底石油勘探裝置等，但它一直未能在**航天結(jié)構(gòu)上獲得應(yīng)用，其原因在于該鋼的比強(qiáng)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**航天器對超高強(qiáng)度鋼的高強(qiáng)韌性的要求。  

隨著**工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強(qiáng)度高(1586?1724MPa)、斷裂韌性好(125MPa·m1/2)、可焊接性好的新型材料成為發(fā)展方向。為了達(dá)到**構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，在對Fe10Ni系合金鋼進(jìn)行的研究基礎(chǔ)上，對HY180進(jìn)行了改進(jìn)，1978年開發(fā)了AF1410超高強(qiáng)度合金鋼，該鋼經(jīng)830℃油淬+510℃時效后，σ0.2≥1517MPa，KIC≥154MPa·m1/2。因此該鋼以極高的強(qiáng)韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受**界歡迎的一種新型高強(qiáng)度鋼。  

在保持AF1410超高強(qiáng)度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高其強(qiáng)度及在海水環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，1992年Carpenter公司開發(fā)出Aermet100超高強(qiáng)度合金鋼。該鋼與AF1410鋼相比，強(qiáng)度有了進(jìn)一步提高(σb≥1930MPa)，但韌性稍有下降(KIC≥110MPa·m1/2)。Aermet100是目前綜合性能**的超高強(qiáng)度鋼，是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的**材料，美國己成功地將其應(yīng)用在**進(jìn)的F/A-22戰(zhàn)斗機(jī)起落架和F-18艦載機(jī)的起落架上。   

我國目前已經(jīng)成功地研制出具有我國特色的二次硬化超高強(qiáng)度鋼。G99是由鋼鐵研究總院、長城特殊鋼公司、航天部703所、東北大學(xué)共同承擔(dān)研制的，該鋼的σb>1520MPa，KIC>124MPa·m1/2，與國外應(yīng)用*廣的AF1410相當(dāng)，成功用于神舟系列飛船的黑匣子殼體。鋼院牽頭組織攻關(guān)研制了16Co14Ni10Cr2Mo(F206)鋼，并成功用于某飛機(jī)平尾軸。我國從“九五”期間開始研制Aermet100鋼，超高純凈鋼材提純技術(shù)取得重大進(jìn)展，有害元素S、P、O、N、H控制在ppm量級，總和小于40ppm。撫順特殊鋼公司的試制產(chǎn)品達(dá)到了美國Aermet100鋼實物水平，將用于我國四代機(jī)和艦載機(jī)的起落架。

2.3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(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼。具有工業(yè)應(yīng)用價值的馬氏體時效鋼，是20世紀(jì)60年代初由**鎳公司(INCO)首先開發(fā)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(qiáng)度分別達(dá)到1400、1700、1900MPa的18Ni(200)、18Ni(250)和18Ni(300)鋼，并首先將18Ni(200）和18Ni(250)應(yīng)用于**發(fā)動機(jī)殼體。

我國從20世紀(jì)60年代中期就開始研制馬氏體時效鋼，目前已形成1700~2500MPa不同級別十余個鋼種，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。*初以仿制18Ni(250)和18Ni(300)為主，到70年代中期又開始研究強(qiáng)度級別更高的鋼種和無鈷或節(jié)鎳鈷馬氏體時效鋼。80年代開發(fā)出用于濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用的超高純、高強(qiáng)高韌的CM-1鋼，高彈性的TM210鋼。90年代以來研制了C300、C350馬氏體時效鋼。

18Ni馬氏體時效鋼含9%的貴重鈷元素，而我國鈷資源缺乏，80年代以來**市場鈷價不斷上漲，因此國內(nèi)大型固體**發(fā)動機(jī)殼體一般不選用這種材料。近十幾年來國外無鈷馬氏體時效鋼的開發(fā)取得了很大進(jìn)展。90年代，國內(nèi)在18Ni馬氏體時效鋼的基礎(chǔ)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(xué)性能為:σb~1760MPa、  σ_0.2>1655MPa、KIC>80MPam^1/2，是制造我國固體發(fā)動機(jī)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(lián)合攻關(guān)，成功試制出直徑為1200mm的T250鋼固體發(fā)動機(jī)殼體，已用于某航天型號。

3. 鋁合金的制造工藝研究進(jìn)展

3.1低合金超高強(qiáng)度鋼

低合金超高強(qiáng)度鋼合金元素含量少（<5%），經(jīng)濟(jì)性好，強(qiáng)度高，屈強(qiáng)比低，但韌性相對較低。此類鋼是通過淬火和低溫回火處理獲得較高的強(qiáng)度和韌性，鋼的強(qiáng)度主要取決于鋼中馬氏體的固溶碳濃度。含碳量增加，鋼的強(qiáng)度升高；而塑性和韌性相應(yīng)降低。因此，在保證足夠強(qiáng)度的原則下，盡可能降低鋼中含碳量，一般含碳量在0.30~0.45%。鋼中合金元素總量約在5%左右，Cr、Ni和Mn在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性，以保證較大的零件在適當(dāng)?shù)睦鋮s條件下獲得馬氏體組織，Mo，W和V的主要作用是提高鋼的抗回火能力和細(xì)化晶粒等。

為了抑制低合金超高強(qiáng)度鋼回火脆性，1952年美國**鎳公司開發(fā)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。盡管以4340和300M鋼為代表的低合金超高強(qiáng)度鋼具有高強(qiáng)度，但它們的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力都比較差，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。

蘇聯(lián)開始研制低合金超高強(qiáng)度鋼的時間大體上與美國同步，具有自己的鋼種體系，*有代表性的是30XГCH2A和40XH2CMA（ЭИ643）鋼。30XГCH2A是在30XГC基礎(chǔ)上加入1.4~1.8%的鎳而得到的低合金超高強(qiáng)度鋼，由于鎳的加入提高了鋼的強(qiáng)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。

3.2二次硬化超高強(qiáng)度鋼

  H—11鋼是*早研制成功和使用的中合金超高強(qiáng)度鋼。鋼的含碳量約0.40％，含鉻5％。鋼的淬透性高，一般零件在空氣冷卻條件下即可獲得馬氏體組織。經(jīng)500C回火時，析出M2C(M表金屬元素)和V4C3，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，鋼的強(qiáng)度達(dá)到1962MPa以上。該類鋼具有較高的中溫強(qiáng)度，除用于制做熱作模具外還制做飛機(jī)發(fā)動機(jī)后框架等，在400～500℃工作條件下能承受較高的應(yīng)力。

   9Ni-4Co系列鋼是高韌性超高強(qiáng)度鋼，按照強(qiáng)度級別含碳量范圍0.20～0.45％，通常使用的有HP9—4—20和HP9—4—30，含碳量分別為0.20％和0.30％。該類鋼經(jīng)820℃加熱后油淬，450～550℃回火，抗張強(qiáng)度為1400～1600MPa，斷裂韌度達(dá)到90MPa√m以上。

。加入稀土金屬可改變非金屬夾雜物的形態(tài)和分布，進(jìn)一步提高鋼的韌性。AFl410鋼不僅強(qiáng)度高，韌性好，可焊性好，并且具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能。

3.3馬氏體時效鋼 

該類鋼含碳量極低，含有18～25％Ni。從820～840℃固溶處理冷卻到室溫時，轉(zhuǎn)變成微碳Fe-Ni馬氏體組織，其韌性較Fe-C馬氏體為高，通過450～480℃時效，析出部分共格金屬間化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),達(dá)到較高的強(qiáng)度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，并在冷卻到室溫時轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體，而具有較高的塑性。同時鎳也是時效強(qiáng)化元素。鈷能使鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。Co在鋼中的作用是提高Ms點，減少殘留奧氏體量，降低Mo在馬氏體中的固溶度，增加Mo的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)。馬氏體時效鋼經(jīng)固溶和時效處理，析出金屬間化合物Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3A1等產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效應(yīng)。其中性能好，使用*廣泛的是18Ni馬氏體時效鋼。根據(jù)Mo和Ti含量不同，可獲得幾種強(qiáng)度級別的鋼種(表2．12·3)。

馬氏體時效鋼在固溶處理后為超低碳馬氏體組織，加工硬化指數(shù)低，冷加工成型性好。在固溶狀態(tài)下可焊性好，采用鎢極*氣保護(hù)焊不需要預(yù)熱和后熱。熱處理時零件變形小，尺寸穩(wěn) 定。但合金元素含量高致使鋼的成本增高。馬氏體時效鋼具有獨特的優(yōu)點，在較高的強(qiáng)度條件下使用安全可靠性好，固體**發(fā)動機(jī)殼體用18Ni馬氏體時效鋼，使用強(qiáng)度為1750MPa，濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)簡體用馬氏體時效鋼，使用強(qiáng)度達(dá)到2450MPa。

4. 結(jié)束語

當(dāng)今世界國與國之間科技、經(jīng)濟(jì)實力的競爭集中體現(xiàn)在**航天，軍事上的競爭。而輕金屬和超高強(qiáng)度鋼作為**航天，軍事裝備的重要結(jié)構(gòu)材料往往對其發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。如果輕金屬與超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展上不去將嚴(yán)重制約我國在**航天及軍事領(lǐng)域的發(fā)展，所以可以預(yù)見到輕金屬與超高強(qiáng)度鋼將具有極其廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用。 

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