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航空航天超高强度钢的研究现状

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摘要：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。按其物理冶金学特点，超高强度钢大体可以分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢和马氏体时效钢。目前，典型的低合金超高强度钢是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高强度钢是HY180 和AF1410。

关键字：航空航天；超高强度钢；研究现状。

1. 引言

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)、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。以往的通过改变合金成分来提高超高强度钢的强度和韧性已很困难，所以要想有所突破，就要从开发新工艺、新技术方向着手，为此就很有必要深入学习超高强度钢的研究发展历程以及其制造工艺。

2. 超高强度合金钢材料的研究进展

2.1低合金超高强度钢

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。

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-15、F-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**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**“爱国者”，小型**“红眼睛”，大中型**“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。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。

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，70年代开始以仿制美国的钢种为主，如4340、300M、D6AC 等。二是根据我国的资源情况和工程的需要，自主开发研制了具有我国特点的低合金超高强度钢，如406钢等。我国成功仿制了一系列国外钢种，在许多重大工程中发挥了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A是仿制前苏联30XГCH2A钢生产的。70年代开始仿制美国的钢种，最具代表性的有40CrNi2MoA钢，是仿4340钢研制而成的[FS:PAGE]；40Si2Ni2CrMoVA钢是仿美国的300M钢研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC钢研制的。

50年代，我国立足国内资源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金钢种，无镍铬的35Si2Mn2MoVA，不含镍的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4)，含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA等。406钢是我国自行设计、自行研制最成功的典范，它是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢。为了提高材料的韧性又开发了D406A。

2.2二次硬化超高强度钢

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。

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。

2.3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。

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。

3. 铝合金的制造工艺研究进展

3.1低合金超高强度钢

低合金超高强度钢合金元素含量少（

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。

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。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。

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。

3.2二次硬化超高强度钢

H—11钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢。钢的含碳量约0.40％，含铬5％。钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件下即可获得马氏体组织。经500C回火时，析出M2C(M表金属元素)和V4C3，产生二次硬化效应，钢的强度达到1962MPa以上。该类钢具有较高的中温强度，除用于制做热作模具外还制做飞机发动机后框架等，在400～500℃工作条件下能承受较高的应力。 9Ni-4Co系列钢是高韧性超高强度钢，按照强度级别含碳量范围0.20～0.45％，通常使用的有HP9—4—20和HP9—4—30，含碳量分别为0.20％和0.30％。该类钢经820℃加热后油淬，450～550℃回火，抗张强度为1400～1600MPa，断裂韧度达到90MPa√m以上。

AFl410钢近年来受到了航空和航天部门的极大重视，该类钢含有M、Co、Cr和Mo等合金元素(表2·12．2)，经固溶和油淬处理形成高位错密度板条马氏体，在板条边界分布有少量残留奥氏体。时效处理析出弥散分布的合金碳化物，从而

获得高强度和高韧性。从表2·12·2看出，钢中琉、磷含量控制到极低的水平，氮和氧分别为3ppm和7ppm。因此，AFl410钢必须选用低硫、磷精料，采用真空感应和真空自耗重熔双联工艺，获得超纯净钢。经油淬和时效处理，抗拉强度为1620MPa，断裂韧度达到190 MPa·m。加入稀土金属可改变非金属夹杂物的形态和分布，进一步提高钢的韧性。AFl410钢不仅强度高，韧性好，可焊性好，并且具有较高的抗应力腐蚀性能。

3.3马氏体时效钢

该类钢含碳量极低，含有18～25％Ni。从820～840℃固溶处理冷却到室温时，转变成微碳Fe-Ni马氏体组织，其韧性较Fe-C马氏体为高，通过450～480℃时效，析出部分共格金属间化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),达到较高的强度。镍可使钢在高温下得到单相奥氏体，并在冷却到室温时转变为单相马氏体，而具有较高的塑性。同时镍也是时效强化元素。钴能使钢的马氏体开始转变温度升高，避免形成大量残留奥氏体。Co在钢中的作用是提高Ms点，减少残留奥氏体量，降低Mo在马氏体中的固溶度，增加Mo的沉淀强化效应。马氏体时效钢经固溶和时效处理，析出金属间化合物Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3A1等产生弥散强化效应。其中性能好，使用最广泛的是18Ni马氏体时效钢。根据Mo和Ti含量不同，可获得几种强度级别的钢种(表2．12·3)。

马氏体时效钢在固溶处理后为超低碳马氏体组织，加工硬化指数低，冷加工成型性好。在固溶状态下可焊性好，采用钨极氩气保护焊不需要预热和后热。热处理时零件变形小，尺寸稳 定。但合金元素含量高致使钢的成本增高。马氏体时效钢具有独特的优点，在较高的强度条件下使用安全可靠性好，固体火箭发动

机壳体用18Ni马氏体时效钢，使用强度为1750MPa，浓缩铀离心分离机旋转简体用马氏体时效钢，使用强度达到2450MPa。

4. 结束语

当今世界国与国之间科技、经济实力的竞争集中体现在航空航天，军事上的竞争。而轻金属和超高强度钢作为航空航天，军事装备的重要结构材料往往对其发展起着至关重要的作用。如果轻金属与超高强度钢的发展上不去将严重制约我国在航空航天及军事领域的发展，所以可以预见到轻金属与超高强度钢将具有极其广阔的发展前景和应用。

参考文献

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