高强度不锈钢在国产大飞机中的应用
发布时间：2017-09-04 责任编辑：力源不锈钢网 来源：冶金信息
力源不锈钢网讯：高强度不锈钢0CT17Ni7Al（17-7PH）OCr15Ni7Mo2Al（PH15-7Mo）0Cr12Mn5Ni4Mo3Al0Crl7Ni4Cu4Nb（17-4PH）0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo）0Crl5Ni25Ti2Mo1VA100Crl6Ni5Al00Crl5Ni6Nb00Crl1Nil0Mo2Al00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A100Crl1Nil0Mo2Til00Cr12Co12Ni4Mo4Ti00Cr12Ni8Cu2AlNb00Crl2Ni11MolTi1.65（Cust0m465）00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl（Custom475）00Cr26Ni6Mo4Cu1Ti
所谓大飞机，是指起飞总重量超过100 t的运输类飞机，包括军用和民用大型运输机，也包括150座以上的干线客机。它是民航使用最广泛的主力机型。
2007年3月，国家正式确立了国产大飞机项目，总投资约2000亿元。中国的大飞机很多零部件也将面向国内外招标，而作为国家战略，国产大飞机将会优先采购国产配件。这将会带动我国多个相关产业的发展，其中就包括新材料行业，不锈钢在飞机上应用相当广泛，而且有很多是异于常规不锈钢的，它必须具备高强度、耐疲劳等特殊性能。本文就高强度不锈钢在大飞机上的应用发展作一个阐述。一、高强度不锈钢航空科技的发展一再证明飞机及航空发动机性能的改进大部分要依靠材料性能的提高来实现。尽管在飞机制造中钢的比重不断下降，但由于钢的高强度、高韧性、高耐应力腐蚀开裂以及良好的抗冲击性能，飞机的一些关键承力结构件如起落架、大梁、大应力接头、高应力紧固件等仍在继续使用高强度钢。飞机向长寿命、高可靠性方向的发展，对材料耐腐蚀性能的要求越来越高，采用高强度不锈钢制作某些重要零部件已成为主要发展趋势，这使得高强度不锈钢材料成为航空产品达到高性能、长寿命与高可靠性的重要物质与技术基础。通常把抗拉强度高于800 MPa，屈服强度高于500 MPa的不锈钢称为高强度不锈钢，把屈服强度高于1 380 MPa的不锈钢称为超高强度不锈钢。自1958年起，钢铁研究总院等科研院所与各特殊钢厂先后开展了沉淀硬化不锈钢的研究，上世纪60年代开始了马氏体时效不锈钢的研究，80年代又开始了铁素体时效不锈钢的研究，近几年又在超级马氏体时效不锈钢领域进行了研究，所研制的系列钢种基本满足了我国国防建设和国民经济各方面的需要。
1 沉淀硬化不锈钢
1.1 半奥氏体沉淀硬化不锈钢
这类钢的特点是可以在奥氏体状态进行切削加工、冷变形和焊接，随后通过调整处理及时效处理控制马氏体转变与析出硬化，获得不同的强韧性配合；耐腐蚀性能良好，特别是抗应力腐蚀性能优越。因此该类钢特别适用于制造不同要求的耐蚀承力结构件。在540 ℃，特别是480 ℃以下使用，热强性能良好。其主要缺点是对钢的化学成分区间要求十分严格，热处理工艺复杂，对热处理温度的控制要求十分精确（±5 ℃）；钢的加工硬化趋向性大，进行深变形冷加工时常需进行多次中间退火。该类钢的典型代表是0CT17Ni7Al（17-7PH）、OCr15Ni7Mo2Al（PH15-7Mo）、0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。该类钢主要用于航空工业中在400 ℃以下工作的耐蚀承力结构件，如各种管道、管接头、弹簧、紧固件等。产品有板、管、带、丝、棒、铸件、锻件等。
1.2 马氏体沉淀硬化不锈钢钢
这类钢的强度是通过马氏体相变和沉淀硬化处理来实现的，优点是强度较高，同时由于低碳、高铬、高钼和／或高铜，其耐蚀性一般不会低于18Cr-8Ni奥氏体不锈钢；易切削，易焊接，焊后一般不需局部退火，热处理工艺也比较简单。缺点主要是即使在退火态其组织仍然是低碳马氏体，因此难以进行深变形冷加工。该类钢的代表钢种是0Crl7Ni4Cu4Nb（17-4PH）与0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），用于制造在400 ℃以下工作的高强耐蚀承力构件，如发动机承力件、紧固件等。后者在航空承力耐蚀中温结构件方面应用十分广泛。
1.3 奥氏体沉淀硬化不锈钢
这类钢实际上属于Fe-Ni基高温合金，在高强度不锈钢中具有600～700 ℃范围内最高的高温强度，650 ℃下的屈服强度与室温的相差不多；超低温韧性极好，基本没有低温脆性；沉淀强化作用显著，制作大断面部件时力学性能均匀；冷变形和耐蚀性能十分优越。缺点主要是室温及中温强度较低，可焊性差。代表钢种0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1，用于制造喷气发动机涡轮、叶片、机身、紧固件、高强弹簧等。
2 时效不锈钢
马氏体时效不锈钢是20世纪60年代中期发展起来的新型高强度不锈钢。该类钢既具有高强度和超高强度，又克服了马氏体沉淀硬化不锈钢低温韧性差和在350～400 ℃长期使用时脆化倾向大的缺点；在固溶态是超低碳马氏体组织，加工硬化指数低，易于冷加工；固溶态的焊接性能好；热处理简单，工件尺寸稳定；与其他高强度不锈钢相比，在同等强度下塑性和韧性较好；由于碳含量低，耐蚀性优于同等铬含量的马氏体沉淀硬化不锈钢。缺点主要是由于碳含量低导致耐磨性较差，需要进行表面处理以提高耐磨性和疲劳强度。马氏体时效不锈钢的研究已成为高强度不锈钢研究的重点之一。
1) 以00Crl6Ni5Al（700～1 100 MPa），该钢含有部分铁素体，对锻造有一定的要求；强韧配合良好，深冲及弯曲性能较好，相当于Crl8Ni8不锈钢；焊接性能好，焊前不需预热，焊后不需热处理，焊接效率在90%以上。
2) 以00Crl5Ni6Nb（1 000～1 200 MPa），该钢具有良好的塑性、韧性和耐蚀性，深冲性能良好，切削性能优良，在软化、固溶、时效状态下都能切削，不粘刀。特别是焊接性能优良，可以用与母材成分相同的焊丝进行焊接且焊接效率较高，接头强度与母材基本一致。在航空工业可以用来代替大量使用的1Crl8Ni9不锈钢，且强度较高。
3) 以00Crl1Nil0Mo2Al（1 200～1 300 MPa）、00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A1（1 300～1 500 MPa）、00Crl1Nil0Mo2Til（1 600～1 700 MPa）为代表。这一系列钢种以Mo、A1、Ti为主要强韧化元素，这类钢在固溶态具有良好的冷加工性，可进行较为复杂的冲压加工。具有良好的耐蚀性，高的冲击韧性和断裂韧度，可用焊接不锈钢的任何一种方法进行焊接。可用于制造航空工业中的弹簧、紧固件、承力结构件等部件。
4) 以00Cr12Co12Ni4Mo4Ti（1 200～1 600 MPa），该钢的Co、Mo复合强化使得强化作用更为明显，因为Co可以降低Mo在基体中的溶解度，还可提高钢的弹性模量。在420 ℃时效的耐蚀性最好；热加工性能良好，固溶态时易于冷加工；焊前不需预热，焊后如要求高的强韧性可进行固溶+时效处理。该钢强韧配合较好，抗疲劳性和弹性模量也很高，用于制造要求耐蚀承力且要求高抗弹性衰减性的部件。
5) 以00Cr12Ni8Cu2AlNb（1 500～1 700 MPa），该钢在具有高强度的同时还具有足够的韧性，耐应力腐蚀性较好；最高使用温度450 ℃，瞬时使用温度800 ℃；特定热处理条件下疲劳性能接近于Custom455；钢的冷作硬化倾向较小，一般不需进行中间软化处理；易于焊接，工艺简单，大断面焊缝强度系数达85%以上。主要用于制造耐蚀承力部件，高性能的轴、齿轮、弹簧等。
6) 以00Crl2Ni11MolTi1.65（即Cust0m465，l 300～1 800 MPa），该钢为Carpenter公司的专利钢种，在峰值时效（H900）状态下强度可达1 820 MPa，且仍有优良的缺口强度和断裂韧性。在长期热暴露情况下仍具有较高强度，耐蚀性能与AISI304钢相近。热处理引起的尺寸变化较小，可在固溶态及不同机加工状态进行冷加工。
7) 以00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl（即Custom475，l 600～2 100 MPa），同样为Carpenter公司的专利钢种，此钢能达到最高的强度水平。峰值时效（524 ℃时效）强度可达2 030 MPa，时效前不进行应变强化，时效后即可达1 960 MPa，而退火屈服强度只有1 000 MPa左右。加工硬化速率较低，可顺利进行冷加工，切削特性与其他高镍马氏体时效钢类似。具有较好的耐大气腐蚀性。
所谓大飞机，是指起飞总重量超过100 t的运输类飞机，包括军用和民用大型运输机，也包括150座以上的干线客机。它是民航使用最广泛的主力机型。
2007年3月，国家正式确立了国产大飞机项目，总投资约2000亿元。中国的大飞机很多零部件也将面向国内外招标，而作为国家战略，国产大飞机将会优先采购国产配件。这将会带动我国多个相关产业的发展，其中就包括新材料行业，不锈钢在飞机上应用相当广泛，而且有很多是异于常规不锈钢的，它必须具备高强度、耐疲劳等特殊性能。本文就高强度不锈钢在大飞机上的应用发展作一个阐述。一、高强度不锈钢航空科技的发展一再证明飞机及航空发动机性能的改进大部分要依靠材料性能的提高来实现。尽管在飞机制造中钢的比重不断下降，但由于钢的高强度、高韧性、高耐应力腐蚀开裂以及良好的抗冲击性能，飞机的一些关键承力结构件如起落架、大梁、大应力接头、高应力紧固件等仍在继续使用高强度钢。飞机向长寿命、高可靠性方向的发展，对材料耐腐蚀性能的要求越来越高，采用高强度不锈钢制作某些重要零部件已成为主要发展趋势，这使得高强度不锈钢材料成为航空产品达到高性能、长寿命与高可靠性的重要物质与技术基础。通常把抗拉强度高于800 MPa，屈服强度高于500 MPa的不锈钢称为高强度不锈钢，把屈服强度高于1 380 MPa的不锈钢称为超高强度不锈钢。自1958年起，钢铁研究总院等科研院所与各特殊钢厂先后开展了沉淀硬化不锈钢的研究，上世纪60年代开始了马氏体时效不锈钢的研究，80年代又开始了铁素体时效不锈钢的研究，近几年又在超级马氏体时效不锈钢领域进行了研究，所研制的系列钢种基本满足了我国国防建设和国民经济各方面的需要。
1 沉淀硬化不锈钢
1.1 半奥氏体沉淀硬化不锈钢
这类钢的特点是可以在奥氏体状态进行切削加工、冷变形和焊接，随后通过调整处理及时效处理控制马氏体转变与析出硬化，获得不同的强韧性配合；耐腐蚀性能良好，特别是抗应力腐蚀性能优越。因此该类钢特别适用于制造不同要求的耐蚀承力结构件。在540 ℃，特别是480 ℃以下使用，热强性能良好。其主要缺点是对钢的化学成分区间要求十分严格，热处理工艺复杂，对热处理温度的控制要求十分精确（±5 ℃）；钢的加工硬化趋向性大，进行深变形冷加工时常需进行多次中间退火。该类钢的典型代表是0CT17Ni7Al（17-7PH）、OCr15Ni7Mo2Al（PH15-7Mo）、0Cr12Mn5Ni4Mo3Al等。该类钢主要用于航空工业中在400 ℃以下工作的耐蚀承力结构件，如各种管道、管接头、弹簧、紧固件等。产品有板、管、带、丝、棒、铸件、锻件等。
1.2 马氏体沉淀硬化不锈钢钢
这类钢的强度是通过马氏体相变和沉淀硬化处理来实现的，优点是强度较高，同时由于低碳、高铬、高钼和／或高铜，其耐蚀性一般不会低于18Cr-8Ni奥氏体不锈钢；易切削，易焊接，焊后一般不需局部退火，热处理工艺也比较简单。缺点主要是即使在退火态其组织仍然是低碳马氏体，因此难以进行深变形冷加工。该类钢的代表钢种是0Crl7Ni4Cu4Nb（17-4PH）与0Cr13Ni8Mo2Al（PH13-8Mo），用于制造在400 ℃以下工作的高强耐蚀承力构件，如发动机承力件、紧固件等。后者在航空承力耐蚀中温结构件方面应用十分广泛。
1.3 奥氏体沉淀硬化不锈钢
这类钢实际上属于Fe-Ni基高温合金，在高强度不锈钢中具有600～700 ℃范围内最高的高温强度，650 ℃下的屈服强度与室温的相差不多；超低温韧性极好，基本没有低温脆性；沉淀强化作用显著，制作大断面部件时力学性能均匀；冷变形和耐蚀性能十分优越。缺点主要是室温及中温强度较低，可焊性差。代表钢种0Crl5Ni25Ti2Mo1VA1，用于制造喷气发动机涡轮、叶片、机身、紧固件、高强弹簧等。
2 时效不锈钢
马氏体时效不锈钢是20世纪60年代中期发展起来的新型高强度不锈钢。该类钢既具有高强度和超高强度，又克服了马氏体沉淀硬化不锈钢低温韧性差和在350～400 ℃长期使用时脆化倾向大的缺点；在固溶态是超低碳马氏体组织，加工硬化指数低，易于冷加工；固溶态的焊接性能好；热处理简单，工件尺寸稳定；与其他高强度不锈钢相比，在同等强度下塑性和韧性较好；由于碳含量低，耐蚀性优于同等铬含量的马氏体沉淀硬化不锈钢。缺点主要是由于碳含量低导致耐磨性较差，需要进行表面处理以提高耐磨性和疲劳强度。马氏体时效不锈钢的研究已成为高强度不锈钢研究的重点之一。
1) 以00Crl6Ni5Al（700～1 100 MPa），该钢含有部分铁素体，对锻造有一定的要求；强韧配合良好，深冲及弯曲性能较好，相当于Crl8Ni8不锈钢；焊接性能好，焊前不需预热，焊后不需热处理，焊接效率在90%以上。
2) 以00Crl5Ni6Nb（1 000～1 200 MPa），该钢具有良好的塑性、韧性和耐蚀性，深冲性能良好，切削性能优良，在软化、固溶、时效状态下都能切削，不粘刀。特别是焊接性能优良，可以用与母材成分相同的焊丝进行焊接且焊接效率较高，接头强度与母材基本一致。在航空工业可以用来代替大量使用的1Crl8Ni9不锈钢，且强度较高。
3) 以00Crl1Nil0Mo2Al（1 200～1 300 MPa）、00Cr11Ni10Mo2Ti0.6A1（1 300～1 500 MPa）、00Crl1Nil0Mo2Til（1 600～1 700 MPa）为代表。这一系列钢种以Mo、A1、Ti为主要强韧化元素，这类钢在固溶态具有良好的冷加工性，可进行较为复杂的冲压加工。具有良好的耐蚀性，高的冲击韧性和断裂韧度，可用焊接不锈钢的任何一种方法进行焊接。可用于制造航空工业中的弹簧、紧固件、承力结构件等部件。
4) 以00Cr12Co12Ni4Mo4Ti（1 200～1 600 MPa），该钢的Co、Mo复合强化使得强化作用更为明显，因为Co可以降低Mo在基体中的溶解度，还可提高钢的弹性模量。在420 ℃时效的耐蚀性最好；热加工性能良好，固溶态时易于冷加工；焊前不需预热，焊后如要求高的强韧性可进行固溶+时效处理。该钢强韧配合较好，抗疲劳性和弹性模量也很高，用于制造要求耐蚀承力且要求高抗弹性衰减性的部件。
5) 以00Cr12Ni8Cu2AlNb（1 500～1 700 MPa），该钢在具有高强度的同时还具有足够的韧性，耐应力腐蚀性较好；最高使用温度450 ℃，瞬时使用温度800 ℃；特定热处理条件下疲劳性能接近于Custom455；钢的冷作硬化倾向较小，一般不需进行中间软化处理；易于焊接，工艺简单，大断面焊缝强度系数达85%以上。主要用于制造耐蚀承力部件，高性能的轴、齿轮、弹簧等。
6) 以00Crl2Ni11MolTi1.65（即Cust0m465，l 300～1 800 MPa），该钢为Carpenter公司的专利钢种，在峰值时效（H900）状态下强度可达1 820 MPa，且仍有优良的缺口强度和断裂韧性。在长期热暴露情况下仍具有较高强度，耐蚀性能与AISI304钢相近。热处理引起的尺寸变化较小，可在固溶态及不同机加工状态进行冷加工。
7) 以00Crl1Ni8Co8.5Mo5AIl（即Custom475，l 600～2 100 MPa），同样为Carpenter公司的专利钢种，此钢能达到最高的强度水平。峰值时效（524 ℃时效）强度可达2 030 MPa，时效前不进行应变强化，时效后即可达1 960 MPa，而退火屈服强度只有1 000 MPa左右。加工硬化速率较低，可顺利进行冷加工，切削特性与其他高镍马氏体时效钢类似。具有较好的耐大气腐蚀性。
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