助力航空航天，金屬材料有多重要
核心提示：在役的航空航天結(jié)構(gòu)材料中，金屬結(jié)構(gòu)材料仍為主導(dǎo)。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在研究、制造、評(píng)價(jià)、應(yīng)用等方面占據(jù)世界領(lǐng)
在役的航空航天結(jié)構(gòu)材料中，金屬結(jié)構(gòu)材料仍為主導(dǎo)。美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在研究、制造、評(píng)價(jià)、應(yīng)用等方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位，通過材料計(jì)算和性能預(yù)測(cè)、數(shù)字模擬和應(yīng)用評(píng)價(jià)、組織性能與多場(chǎng)耦合環(huán)境壽命評(píng)估等關(guān)鍵技術(shù)的成熟應(yīng)用，已形成了完善的材料技術(shù)體系，擁有龐大系統(tǒng)性數(shù)據(jù)庫(kù)。
鈦合金是二十一世紀(jì)最有價(jià)值的戰(zhàn)略金屬材料，是航空、航天領(lǐng)域發(fā)展必不可少的“脊柱”之一。鈦合金切削過程中刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差、加工效率低等問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。研究鈦合金切削過程中刀具磨損及加工表面質(zhì)量的形成機(jī)理、優(yōu)化合理的鈦合金切削參數(shù)對(duì)航空、航天等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。
20世紀(jì)中葉，國(guó)內(nèi)外軍用飛機(jī)開始進(jìn)入超聲速時(shí)代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)隨之轉(zhuǎn)化為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，鋼、鋁結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求而逐漸被淘汰。與此同時(shí)，鈦合金以其優(yōu)良的性能快速的進(jìn)入了航空航天領(lǐng)域且成為該領(lǐng)域主要的結(jié)構(gòu)材料之一?？梢郧宄目吹?，在現(xiàn)役飛機(jī)的機(jī)體上，鈦合金所占的比重在迅速增大。
在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上，鈦合金所占的比重通常保持在20%以上且呈遞增的趨勢(shì)。但鈦合金固有的難加工屬性造成的刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差、加工成本高等特點(diǎn)已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。
除此以外，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在金屬結(jié)構(gòu)材料研究、制造、評(píng)價(jià)、應(yīng)用等方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位，已形成了完整的材料體系和完善的選材技術(shù)體系，擁有龐大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。相比之下，我國(guó)金屬結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)正處在上升期，迫切需要品種創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。
1、高溫合金
我國(guó)變形高溫合金從引進(jìn)吸收逐步形成體系化和規(guī)?；壳耙鸦緦?shí)現(xiàn)材料的自主可控，下圖展示了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)盤鍛件用變形高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)。650 ℃以下使用的GH4169合金冶金質(zhì)量和用量持續(xù)提升，成為“一材多用”的典范，支撐了三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備的批產(chǎn)應(yīng)用；承溫700～750 ℃的GH4169D、GH4065A、GH4096 等新一代合金研制成功并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，支撐了四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制；GH4720Li、GH7438 等合金在多種中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中得到批量應(yīng)用；艦用燃汽輪機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與應(yīng)用帶動(dòng)了GH4698、GH4742、GH4202 等牌號(hào)的發(fā)展；為了滿足更高代次發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求，近期正在研制承溫能力800 ℃以上的GH4151、GH4975 等合金，形成服役溫度在600～900 ℃之間較完整的時(shí)效強(qiáng)化型變形高溫合金體系。
隨著制造工藝的創(chuàng)新，鑄造高溫合金由等軸晶、定向鑄晶發(fā)展到單晶，通過一步步消除晶界使鑄造高溫合金承溫能力逐漸提高。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主要材料，鑄造高溫合金的發(fā)展也成就了航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，下表列出了各代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片選用材料的發(fā)展歷程。隨著對(duì)高溫合金性能要求的不斷提高，合金的成分設(shè)計(jì)空間變得越來(lái)越小，基于材料計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段開展合金成分設(shè)計(jì)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，通過模擬仿真優(yōu)化工藝參數(shù)已經(jīng)逐漸成為通用的高溫合金零部件生產(chǎn)制備方法。
粉末高溫合金在軍、民用先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤中得到了廣泛應(yīng)用。綜合來(lái)看，鎳基粉末高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)具有“三高一低”的特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高工作溫度、高組織穩(wěn)定性和低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。歐美國(guó)家率先研制成功第一代650 ℃高強(qiáng)型粉末高溫合金，如René95 等；第二代750 ℃損傷容限型粉末高溫合金，如René88DT 等，以及第三代高強(qiáng)損傷容限型粉末高溫合金，如ME3等。
第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎(chǔ)上，通過成分調(diào)整和工藝優(yōu)化來(lái)獲得更高的工作溫度，使其具有高強(qiáng)度、高損傷容限和高工作溫度的特點(diǎn)，如ME501 等。我國(guó)目前已研制出以FGH4095為代表的第一代、FGH4096 為代表的第二代粉末高溫合金，第三代及第四代仍在研制探索中。
近年來(lái)，我國(guó)高溫合金體系以需求牽引為主、技術(shù)推動(dòng)為輔，在研制與應(yīng)用領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。然而，高溫合金涉及學(xué)科眾多，部件制造要求高，容錯(cuò)空間小，其成熟應(yīng)用是建立在對(duì)研發(fā)和制造體系全面深入理解和長(zhǎng)期積累的基礎(chǔ)之上，因此未來(lái)需持續(xù)加強(qiáng)。
2、超高強(qiáng)度鋼
超高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度超過1380 MPa 的高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，在航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色，航天航空領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景有飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)軸、齒輪軸承、框、梁、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。飛機(jī)起落架典型材料主要有300M 和Aermet 100 鋼，兩者均具有1930 MPa 以上的超高強(qiáng)度。300M 為低合金超高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用于客機(jī)、大型軍用運(yùn)輸機(jī)和殲擊機(jī)起落架；AerMet 100 鋼為已成熟應(yīng)用的強(qiáng)韌性匹配最佳的超高強(qiáng)度鋼，因其兼具優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞抗力，已應(yīng)用于F22、F18E/F 等軍機(jī)起落架。
此外，F(xiàn)e-Ni 基馬氏體時(shí)效鋼，因在時(shí)效過程中析出納米級(jí)金屬間化合物而擁有優(yōu)越的強(qiáng)韌性能，其典型鋼種為18Ni 型C250 和C300 鋼，多應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等部件[46]。裝備性能提升和高承載、低成本、減重設(shè)計(jì)的要求，將飛機(jī)起落架和主軸材料推向2200 MPa 以上強(qiáng)度水平，GE和Leep 發(fā)動(dòng)機(jī)主軸采用2100～2300 MPa 的GE1014和ML340 鋼，國(guó)內(nèi)開發(fā)出強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到2400 MPa的GC-24 鋼。航空軸承齒輪鋼代表高強(qiáng)度滲碳不銹鋼CSS-42L，最高使用溫度達(dá)430 ℃。
在研的超強(qiáng)耐熱滲碳鋼CH2000 屬第四代航空軸承齒輪鋼，滲碳及熱處理后表層硬度達(dá)65～68HRC，心部抗拉強(qiáng)度在2000 MPa 以上，使用溫度可達(dá)450 ℃，適用于新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)高功率密度傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸承和傳動(dòng)軸等傳動(dòng)構(gòu)件。
超高強(qiáng)度鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能也是各國(guó)研究關(guān)注的重點(diǎn)。美國(guó)Ques Tek 公司通過材料基因工程研發(fā)出新型二次硬化超高強(qiáng)度不銹鋼FerriumS53，該鋼兼具良好的斷裂韌度，已成功應(yīng)用于美國(guó)空軍A-10 攻擊機(jī)的起落架部件。我國(guó)自主研發(fā)的10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE 超高強(qiáng)度不銹鋼，已成功應(yīng)用在直升機(jī)起落架結(jié)構(gòu)件，該鋼的強(qiáng)度、韌性均優(yōu)于FerriumS53 鋼，為現(xiàn)今強(qiáng)度級(jí)別最高的超高強(qiáng)度不銹鋼，在航空航天裝備制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
低密度高強(qiáng)度鋼是近年來(lái)提出的新概念，其成分設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是高Al 含量，同時(shí)添加奧氏體化元素，使其具有良好的塑性，例如最常見的Fe-Mn-Al-C四元體系。為了達(dá)到飛行器減重增程的目標(biāo)并兼顧經(jīng)濟(jì)性，我國(guó)研發(fā)了DT510 低密度鋼，在降低材料密度的同時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性，與傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A 相比，DT510 密度降低13.4%，屈服強(qiáng)度提高19.3%。
文章來(lái)源： 熱加工論壇，凹臉的外星人
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_550022.html
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著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
鈦合金是二十一世紀(jì)最有價(jià)值的戰(zhàn)略金屬材料，是航空、航天領(lǐng)域發(fā)展必不可少的“脊柱”之一。鈦合金切削過程中刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差、加工效率低等問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。研究鈦合金切削過程中刀具磨損及加工表面質(zhì)量的形成機(jī)理、優(yōu)化合理的鈦合金切削參數(shù)對(duì)航空、航天等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。
20世紀(jì)中葉，國(guó)內(nèi)外軍用飛機(jī)開始進(jìn)入超聲速時(shí)代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)隨之轉(zhuǎn)化為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，鋼、鋁結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求而逐漸被淘汰。與此同時(shí)，鈦合金以其優(yōu)良的性能快速的進(jìn)入了航空航天領(lǐng)域且成為該領(lǐng)域主要的結(jié)構(gòu)材料之一?？梢郧宄目吹?，在現(xiàn)役飛機(jī)的機(jī)體上，鈦合金所占的比重在迅速增大。
在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上，鈦合金所占的比重通常保持在20%以上且呈遞增的趨勢(shì)。但鈦合金固有的難加工屬性造成的刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量差、加工成本高等特點(diǎn)已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸。
除此以外，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在金屬結(jié)構(gòu)材料研究、制造、評(píng)價(jià)、應(yīng)用等方面占據(jù)世界領(lǐng)先地位，已形成了完整的材料體系和完善的選材技術(shù)體系，擁有龐大的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。相比之下，我國(guó)金屬結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)業(yè)正處在上升期，迫切需要品種創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。
1、高溫合金
我國(guó)變形高溫合金從引進(jìn)吸收逐步形成體系化和規(guī)?；壳耙鸦緦?shí)現(xiàn)材料的自主可控，下圖展示了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)盤鍛件用變形高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)。650 ℃以下使用的GH4169合金冶金質(zhì)量和用量持續(xù)提升，成為“一材多用”的典范，支撐了三代航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備的批產(chǎn)應(yīng)用；承溫700～750 ℃的GH4169D、GH4065A、GH4096 等新一代合金研制成功并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，支撐了四代航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制；GH4720Li、GH7438 等合金在多種中小型發(fā)動(dòng)機(jī)中得到批量應(yīng)用；艦用燃汽輪機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與應(yīng)用帶動(dòng)了GH4698、GH4742、GH4202 等牌號(hào)的發(fā)展；為了滿足更高代次發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求，近期正在研制承溫能力800 ℃以上的GH4151、GH4975 等合金，形成服役溫度在600～900 ℃之間較完整的時(shí)效強(qiáng)化型變形高溫合金體系。
隨著制造工藝的創(chuàng)新，鑄造高溫合金由等軸晶、定向鑄晶發(fā)展到單晶，通過一步步消除晶界使鑄造高溫合金承溫能力逐漸提高。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的主要材料，鑄造高溫合金的發(fā)展也成就了航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷提高，下表列出了各代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片選用材料的發(fā)展歷程。隨著對(duì)高溫合金性能要求的不斷提高，合金的成分設(shè)計(jì)空間變得越來(lái)越小，基于材料計(jì)算、高通量實(shí)驗(yàn)、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段開展合金成分設(shè)計(jì)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，通過模擬仿真優(yōu)化工藝參數(shù)已經(jīng)逐漸成為通用的高溫合金零部件生產(chǎn)制備方法。
粉末高溫合金在軍、民用先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤中得到了廣泛應(yīng)用。綜合來(lái)看，鎳基粉末高溫合金的發(fā)展趨勢(shì)具有“三高一低”的特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高工作溫度、高組織穩(wěn)定性和低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。歐美國(guó)家率先研制成功第一代650 ℃高強(qiáng)型粉末高溫合金，如René95 等；第二代750 ℃損傷容限型粉末高溫合金，如René88DT 等，以及第三代高強(qiáng)損傷容限型粉末高溫合金，如ME3等。
第四代粉末高溫合金是在第三代的基礎(chǔ)上，通過成分調(diào)整和工藝優(yōu)化來(lái)獲得更高的工作溫度，使其具有高強(qiáng)度、高損傷容限和高工作溫度的特點(diǎn)，如ME501 等。我國(guó)目前已研制出以FGH4095為代表的第一代、FGH4096 為代表的第二代粉末高溫合金，第三代及第四代仍在研制探索中。
近年來(lái)，我國(guó)高溫合金體系以需求牽引為主、技術(shù)推動(dòng)為輔，在研制與應(yīng)用領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。然而，高溫合金涉及學(xué)科眾多，部件制造要求高，容錯(cuò)空間小，其成熟應(yīng)用是建立在對(duì)研發(fā)和制造體系全面深入理解和長(zhǎng)期積累的基礎(chǔ)之上，因此未來(lái)需持續(xù)加強(qiáng)。
2、超高強(qiáng)度鋼
超高強(qiáng)度鋼是指屈服強(qiáng)度超過1380 MPa 的高比強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，在航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色，航天航空領(lǐng)域的主要應(yīng)用場(chǎng)景有飛機(jī)起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)軸、齒輪軸承、框、梁、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等。飛機(jī)起落架典型材料主要有300M 和Aermet 100 鋼，兩者均具有1930 MPa 以上的超高強(qiáng)度。300M 為低合金超高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用于客機(jī)、大型軍用運(yùn)輸機(jī)和殲擊機(jī)起落架；AerMet 100 鋼為已成熟應(yīng)用的強(qiáng)韌性匹配最佳的超高強(qiáng)度鋼，因其兼具優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞抗力，已應(yīng)用于F22、F18E/F 等軍機(jī)起落架。
此外，F(xiàn)e-Ni 基馬氏體時(shí)效鋼，因在時(shí)效過程中析出納米級(jí)金屬間化合物而擁有優(yōu)越的強(qiáng)韌性能，其典型鋼種為18Ni 型C250 和C300 鋼，多應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)主軸和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等部件[46]。裝備性能提升和高承載、低成本、減重設(shè)計(jì)的要求，將飛機(jī)起落架和主軸材料推向2200 MPa 以上強(qiáng)度水平，GE和Leep 發(fā)動(dòng)機(jī)主軸采用2100～2300 MPa 的GE1014和ML340 鋼，國(guó)內(nèi)開發(fā)出強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到2400 MPa的GC-24 鋼。航空軸承齒輪鋼代表高強(qiáng)度滲碳不銹鋼CSS-42L，最高使用溫度達(dá)430 ℃。
在研的超強(qiáng)耐熱滲碳鋼CH2000 屬第四代航空軸承齒輪鋼，滲碳及熱處理后表層硬度達(dá)65～68HRC，心部抗拉強(qiáng)度在2000 MPa 以上，使用溫度可達(dá)450 ℃，適用于新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和直升機(jī)高功率密度傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸承和傳動(dòng)軸等傳動(dòng)構(gòu)件。
超高強(qiáng)度鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能也是各國(guó)研究關(guān)注的重點(diǎn)。美國(guó)Ques Tek 公司通過材料基因工程研發(fā)出新型二次硬化超高強(qiáng)度不銹鋼FerriumS53，該鋼兼具良好的斷裂韌度，已成功應(yīng)用于美國(guó)空軍A-10 攻擊機(jī)的起落架部件。我國(guó)自主研發(fā)的10Cr13Co13Mo5Ni3W1VE 超高強(qiáng)度不銹鋼，已成功應(yīng)用在直升機(jī)起落架結(jié)構(gòu)件，該鋼的強(qiáng)度、韌性均優(yōu)于FerriumS53 鋼，為現(xiàn)今強(qiáng)度級(jí)別最高的超高強(qiáng)度不銹鋼，在航空航天裝備制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
低密度高強(qiáng)度鋼是近年來(lái)提出的新概念，其成分設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是高Al 含量，同時(shí)添加奧氏體化元素，使其具有良好的塑性，例如最常見的Fe-Mn-Al-C四元體系。為了達(dá)到飛行器減重增程的目標(biāo)并兼顧經(jīng)濟(jì)性，我國(guó)研發(fā)了DT510 低密度鋼，在降低材料密度的同時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性，與傳統(tǒng)超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A 相比，DT510 密度降低13.4%，屈服強(qiáng)度提高19.3%。
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