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高速列車車輪用鋼與飛機(jī)起落架用鋼有何不同？

2022-01-13 13:48:25 作者：中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng) 來源：中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng) 分享至：

起落架是航空器械下部用于起飛、降落或者滑行的支撐部位。飛機(jī)的起落架是飛機(jī)總體結(jié)構(gòu)的重要部分，主要用于支撐機(jī)身和起降。它是飛機(jī)不可缺失的一部分；沒有它，飛機(jī)便不能移動。

高速列車是我國戰(zhàn)略性高端裝備之一，高速車輪承受巨大動載荷和熱負(fù)荷，易發(fā)生各類疲勞損傷，也是世界上公認(rèn)的技術(shù)要求最高、生產(chǎn)難度最大的尖端車輪產(chǎn)品。

那么高速列車車輪用鋼與飛機(jī)起落架用鋼有何不同呢？

國內(nèi)外高速列車車輪材料的研究

1 前言

在當(dāng)下科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的啟發(fā)下，世界范圍內(nèi)鐵路科學(xué)技術(shù)日新月異，各國都投入了大量的人力物力財力對鐵路運(yùn)輸進(jìn)行大量研究。我國目前鐵路也進(jìn)行了大提速，目標(biāo)也朝著早上出發(fā)晚上歸來，晚上出發(fā)早上就可以到達(dá)方向發(fā)展。目前基本可以和發(fā)達(dá)國家相媲美甚至超過某些發(fā)達(dá)國家。高速列車的車輪作為列車不可或缺的一部分將直接影響列車的安全性和穩(wěn)定性，隨著列車的大提速，車輪踏面的剝離、裂損等對車輪的材料提出了很高的要求，各國對車輪材料研究進(jìn)行了大量研究并取得了一定的進(jìn)展。

2 車輪及其損傷

2.1 車輪

車輪主要有在列車中所起的作用是：（1）啟動和制動列車運(yùn)行；（2）支撐列車的重量；（3）列車在制動時車輪可以吸收摩擦熱，而且還可以散熱。車輪從材料方面講，既要求高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性，因為在車輪制動時，除與鐵軌接觸而產(chǎn)生摩擦而造成磨損和擦傷，還會產(chǎn)生熱裂紋。中高碳鋼是各國生產(chǎn)車輪的主要材料（如表1） , 里邊還添加了點微量元素像Mn、Si等。

表1 我國輾鋼客車輪標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)對比

對于車輪來說，損傷是很常見的，但是也分好幾種類型，像剝離、磨損塑性變形、車輛裂紋以及幅板裂紋等。踏面剝離是高速列車車輪常見損傷。研究結(jié)果認(rèn)為，造成這些損傷的因素是多方面的，有材料的潔凈度、車輪的使用環(huán)境、材料的性能因素相關(guān)。

3 鐵路的高速化

鐵路運(yùn)輸和其他運(yùn)輸方法相比有著明顯的特征。首先，鐵路運(yùn)輸運(yùn)量大，節(jié)省燃料。其次，對環(huán)境污染較少。所以世界范圍內(nèi)，尤其發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展本國鐵路事業(yè)。1964年10月左右，日本東海道新干線高速鐵路通車最高時速達(dá)210km/h。在這之后，德國的ICE、法國的TVG、西班牙的AVE以及英國的ART列車相繼投放市場。1990年前后，日本的新干線X300進(jìn)行高速試驗，試驗最高時速達(dá)到443km/h。

最近幾年來，我國高速鐵路事業(yè)蓬勃發(fā)展，在國際外交儼然成為一張耀眼名片，在國內(nèi)試驗屢屢刷新紀(jì)錄，在國際市場上簽回好多大單，截止到2007年4月18日，我國進(jìn)行了第六次大提速。

4 國內(nèi)外高速列車車輪新材料的開發(fā)

4.1 日本

日本新干線列車車輪用的材料為STY80的高碳鋼，其中含碳量為0.6%-0.75%, 在高速行駛時，抗裂損性能不夠。為了解決這個問題，日本科研工作者又研發(fā)出了V2鋼即SVTY75-ZR, 這種低碳加V鋼成分見表2。

表2 V2鋼車輪的規(guī)格

從表中數(shù)據(jù)可以看出V2鋼將碳的含量由原來0.65%降到了0.55%。經(jīng)過試驗此種鋼的拉伸特性與STY80沒有明顯變化，但是可以明顯提高斷裂韌性和沖擊特性。法國Valdunes公司于1998年又研制出了一種新的鋼種，強(qiáng)度最大值為886MP而RST的強(qiáng)度極限范圍為860-980MP, 沖擊功為24比RST的沖擊功15要大許多。而且研究結(jié)果也得出，一旦鋼中含碳量達(dá)到0.42%, 車輪的的壽命就可以延長3年。

4.2 中國

隨著列車速度一個一個被打破，我國對車輪材料也進(jìn)行了大量研究。2000年西安交通大學(xué)與馬鋼技術(shù)中心聯(lián)合研制了微合金車輪。這種剛含碳量比原來剛種降低，另外添加了合金元素，并用V進(jìn)行微合金化，試驗表明，此種鋼各項性能都優(yōu)于原有鋼種。

各種鋼的化學(xué)成分

4.3 歐洲

歐洲很早就提出用低碳微合金材料作為用鋼，并且制定了標(biāo)準(zhǔn)碳的含量，用于時速200km/h的車輪是1類鋼像ER7和ERS, 這兩類鋼是被應(yīng)用最廣泛的。

5 結(jié)語

綜上所述，鐵路運(yùn)輸?shù)闹匾考痪褪擒囕啠?但是近年來經(jīng)濟(jì)、社會、信息日新月異，對解決車輪磨損提出的挑戰(zhàn)屢屢創(chuàng)新高，所以必須開發(fā)出一種質(zhì)量過硬的車輪材料才是王道。

當(dāng)然各國都在這方面進(jìn)行研究，而且都認(rèn)為只有提高材料的韌性才有助于提高材料的抗損傷性能，而提高材料韌性有必須適當(dāng)降低材料的含碳量，并且進(jìn)行微合金化。這樣在保證或者略微降低材料強(qiáng)度和硬度的情況下，大幅度提高車輪材料的韌性，從而可以提高車輪的抗損傷性能。這一思路對開發(fā)新材料是一種啟發(fā)。

飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

作者：趙博，許廣興，賀飛，楊旭

沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所，沈陽1 1 0 0 3 5

起落架是飛機(jī)在起飛和著陸過程中無可替代的裝置，極大地影響飛機(jī)的使用與安全，但在飛機(jī)起飛后則不參與機(jī)體的結(jié)構(gòu)和性能，對飛行無任何貢獻(xiàn)。因此，起落架的設(shè)計思想和選材等方面與機(jī)體結(jié)構(gòu)不同，希望得到最大的比強(qiáng)度和比剛度，并且體積盡可能小。鋼具有高強(qiáng)度、良好的疲勞性能、耐磨性能、較低的裂紋擴(kuò)展速率和加工工藝性能，同時鋼制零件體積小、穩(wěn)定性好，因此一直是設(shè)計制造起落架的主要用材，尤其是下沉速度較大的軍用飛機(jī)的首選材料。當(dāng)今世界上95% 以上的飛機(jī)起落架都是采用超高強(qiáng)度鋼制造[1]。隨著航空技術(shù)的發(fā)展和材料制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類軍用、民用飛機(jī)起落架越來越向輕量、長壽命、高可靠性方向發(fā)展。目前，世界上包括我國在內(nèi)的航空業(yè)發(fā)達(dá)國家均已形成了起落架材料體系。現(xiàn)代飛機(jī)中，起落架用鋼占全機(jī)用鋼量的60% 以上，超高強(qiáng)度鋼主要用于設(shè)計制造主承力構(gòu)件和關(guān)鍵連接件：主承力構(gòu)件有外筒、活塞桿、扭力臂、輪軸等；連接部件有轉(zhuǎn)軸、扭力臂鉸點連接軸等。

起落架的使用壽命考核指標(biāo)是起降次數(shù)，現(xiàn)代飛機(jī)要求起落架的使用壽命和飛機(jī)的額定起降次數(shù)相同，即起落架與飛機(jī)同壽。起落架的首翻期不小于安全設(shè)計壽命的1/4。

本文介紹飛機(jī)起落架用鋼的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，分析討論國內(nèi)外的應(yīng)用差距及應(yīng)用前景，指出我國飛機(jī)起落架用鋼的發(fā)展方向。

1 飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展和應(yīng)用歷程

飛機(jī)起落架用鋼的發(fā)展過程與飛機(jī)設(shè)計思想、設(shè)計需求和材料制造技術(shù)的前進(jìn)是同步的。起落架承受靜載荷、動載荷以及重復(fù)載荷，核心設(shè)計思想是保證安全使用的前提下盡可能減輕其重量和縮小其尺寸，具體的設(shè)計原則不斷完善進(jìn)步。

（1 ）早期飛機(jī)采用靜強(qiáng)度設(shè)計，我國20世紀(jì)50年代飛機(jī)設(shè)計即強(qiáng)調(diào)靜強(qiáng)度設(shè)計。結(jié)構(gòu)的安全性主要通過選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)來保證，一般取材料的抗拉強(qiáng)度除以安全系數(shù)即為使用強(qiáng)度。起落架制造材料強(qiáng)調(diào)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，并具有優(yōu)良的塑性以及沖擊韌性。起落架主承力構(gòu)件主要由1175 MPa級高強(qiáng)度鋼4130，30CrMnSiA等材料，經(jīng)手工電弧焊等方法制造[2]。

（2）隨著各國采用靜強(qiáng)度設(shè)計的飛機(jī)相繼出疲勞破壞事故，在靜強(qiáng)度基礎(chǔ)上發(fā)展了對飛機(jī)疲勞強(qiáng)度的要求，即強(qiáng)調(diào)安全壽命設(shè)計。第二代戰(zhàn)斗機(jī)開始全面采用安全壽命設(shè)計。安全壽命就是假定結(jié)構(gòu)不存在初始裂紋或損傷。對制造材料S-N曲線，依據(jù)損傷累計理論，根據(jù)估算裂紋形成壽命或根據(jù)實驗獲得裂紋形成實驗壽命，再用裂紋形成壽命除以分散系數(shù)即為使用壽命。起落架的安全使用壽命通常取起落架實驗壽命的1/4 ~ 1/6。安全壽命設(shè)計尤其適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高的起落架主承力結(jié)構(gòu)，如起落架外筒、活塞桿、輪軸等。因此，此時起落架制造用鋼不僅要求具有較高的強(qiáng)度和剛度，還要有優(yōu)異的抗疲勞特性。較高的強(qiáng)度有利于獲得較高的裂紋形成壽命，同時高強(qiáng)度/ 剛度可以減重和提高機(jī)體內(nèi)空間利用率。隨著超高強(qiáng)度鋼技術(shù)的發(fā)展，超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造大型飛機(jī)起落架主承力構(gòu)件成為必然的選擇。

起落架主承力件采用強(qiáng)度更高的1580~1760 MPa級超高強(qiáng)度鋼 30CrMnSiNi2A，4330M ,4340等，采用焊接方法制造[2]。蘇聯(lián)主要采用30CrMnSiNi2A 鋼，是在30CrMnSiA的基礎(chǔ)上，加入1.4% ~1.8% 的N i和適量的Mn，增加了馬氏體過飽和度、相變應(yīng)變和位錯密度，同時提高了馬氏體基體的韌性，并降低點，提高淬透性。30CrMnSiNi2A 鋼的 C 含量為0.27% ~ 0.34% ，容易產(chǎn)生焊接裂紋，因此需要焊前預(yù)熱和焊后回火，多層焊時控制層間溫度，焊接接頭強(qiáng)度不低于母材的90% 。

隨后相繼開發(fā)了1800~1900MPa級的H11，D6AC，300M等超高強(qiáng)度鋼，H11是最早的中合金二次硬化超高強(qiáng)度鋼。300M鋼是1952年美國國際鎳公司在4340鋼的基礎(chǔ)上，添加了1.6% 的Si和0.1%的V，增加強(qiáng)度和回火抗力，提高回火溫度而研制開發(fā)的1900 MPa級超高強(qiáng)度鋼，與H11，D6AC，4340鋼相比，具有更加優(yōu)異的沖擊性能和綜合性能。因此，1964年美國C-5A大型軍用運(yùn)輸機(jī)起落架首次使用300M 鋼制造后，推廣到各型飛機(jī)起落架，成為目前應(yīng)用最廣泛的起落架用超高強(qiáng)度鋼，美國現(xiàn)役各型飛機(jī)90%以上的起落架采用300M鋼制造。300M鋼焊接性較低，所有300M鋼制起落架均采用整體鍛件設(shè)計制造。2 0世紀(jì)70年代，美國在300M 鋼的基礎(chǔ)上降低C含量，增加S含量，開發(fā)了HP31 0鋼，當(dāng)抗拉強(qiáng)度提高到2100MPa級時，韌性過低而未獲應(yīng)用[3]。

我國在20世紀(jì)60年代自主開發(fā)研制了無Ni少Cr型抗拉強(qiáng)度1860MPa的低合金超高強(qiáng)度鋼40CrMnSiM〇VA（GC-4）鋼，GC-4 鋼具有良好的工藝性能和綜合力學(xué)性能，可以采用焊接結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)80年代，我國研制了雙真空冶煉300M鋼，與GC-4相比強(qiáng)度相當(dāng)，但橫縱向性能一致性、沖擊性能、疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕性能更加優(yōu)異。由于采用精煉脫硫原材料，通過雙真空冶煉，鋼中S，P含量分別降低到0.002%~0.003%和0.005% ~0.008%，比GC-4鋼降低1 倍以上，使材料疲勞裂紋形成壽命顯著提高。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)雙真空300M鋼的特性，開發(fā)了起落架外筒和活塞桿鍛件整體鍛造、真空淬火、大長細(xì)比深孔加工、孔擠壓強(qiáng)化、低氫脆鍍鎘鈦表面處理等完整的抗疲勞制造技術(shù)體系，1990年300M鋼制起落架首次應(yīng)用，實現(xiàn)了起落架安全使用壽命與機(jī)體相同[2]。隨后我國飛機(jī)起落架廣泛采用300M鋼制造。

（ 3 ）自1969年以來，美國F-lll，F(xiàn)-4等飛機(jī)雖然通過了全機(jī)疲勞實驗，但在安全使用壽命期內(nèi)仍舊發(fā)生了疲勞斷裂事故，美國提出了飛機(jī)損傷容限設(shè)計思想，即考慮結(jié)構(gòu)中存在的微小初始缺陷對使用壽命的影響，并于1974年頒布了飛機(jī)損傷容限設(shè)計要求MIL-A-83444。F-16是率先貫徹?fù)p傷容限設(shè)計要求的美國軍機(jī)，但該設(shè)計要求指出損傷容限設(shè)計適用于飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)，不完全適用于起落架結(jié)構(gòu)。我國1985年頒布的飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范中也規(guī)定，現(xiàn)階段飛機(jī)設(shè)計應(yīng)采用安全壽命與損傷容限相結(jié)合的設(shè)計原則。起落架主結(jié)構(gòu)為單傳力路線靜定結(jié)構(gòu)，如果強(qiáng)調(diào)損傷容限設(shè)計，那么必須設(shè)計成緩慢裂紋擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，著重考慮起落架的疲勞損傷、斷裂破壞和安全使用壽命，即用裂紋形成實驗壽命確定使用壽命，用裂紋緩慢擴(kuò)展實驗壽命確定起落架的翻修周期。

此時對于起落架制造用鋼提出了較小裂紋擴(kuò)展速率和較高斷裂韌度的新要求，強(qiáng)調(diào)材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。高斷裂韌度有利于獲得高動態(tài)斷裂韌度。由于起落架用超高強(qiáng)度鋼一直強(qiáng)調(diào)強(qiáng)韌性匹配，而較高的強(qiáng)韌性匹配可以獲得較小裂紋擴(kuò)展速率和較高斷裂韌度，所以以第3 代戰(zhàn)斗機(jī)為代表的各型飛機(jī)起落架仍舊沿用之前的材料。蘇聯(lián)的蘇-27等系列飛機(jī)起落架仍就采用30CrMiSiNi2A鋼；法國的“幻影”、“協(xié)和號”等飛機(jī)起落架采用35NCD16鋼[4];由于300M鋼在所有低合金超高強(qiáng)度鋼中具有小裂紋擴(kuò)展速率和高斷裂韌度，因此截至目前，以F-15，F(xiàn)-16，F(xiàn)-18A/B/C/D 型為代表的大部分軍民用飛機(jī)起落架仍舊采用300M 鋼。300M鋼不屬于損傷容限型材料，隨著對疲勞斷裂理解的深入，在原有指標(biāo)基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)了斷裂韌度的要求，不低于55MPa?m1/2。隨著二次硬化高合金鋼理論和高純凈冶煉技術(shù)的成熟，在H11鋼、AF1410鋼的技術(shù)基礎(chǔ)上，美國在20世紀(jì)90年代初開發(fā)了1900MPa級的AerMetlOO超高強(qiáng)度合金鋼[5]，完成了飛機(jī)起落架用鋼由低合金超高強(qiáng)度鋼向高合金超高強(qiáng)度鋼的跨越。AerMetlOO鋼是第一款損傷容限型起落架用超高強(qiáng)度鋼，斷裂韌度、沖擊性能、疲勞性能和耐腐蝕性能均顯著優(yōu)于300M鋼：斷裂韌度提高1倍以上，不低于110MPa?m1/2;沖擊性能提高50% ;K=1時疲勞裂紋形成壽命提高20% ;K=2時疲勞裂紋形成壽命相當(dāng)。美國的F-22和F-35飛機(jī)起落架為了實現(xiàn)不低于6000個起落的安全使用壽命，保證返修周期，采用AerMet100鋼制造。雖然Aer-Met100鋼具有優(yōu)良的焊接性能，但為了保證Aer-Met100鋼起落架的安全使用壽命，突出高合金鋼的損傷容限優(yōu)勢，采用整體鍛件設(shè)計制造。

我國突破了超純凈冶金、大錠型成分精確控制、大規(guī)格棒材開坯鍛造等關(guān)鍵技術(shù)，完成了超大規(guī)格23Co14Nil2Cr3MoE（A-100）鋼的研制，鋼材純凈度國內(nèi)首次達(dá)到99. 995%，確保斷裂韌度等力學(xué)性能全面不低于Aermet100鋼。起落架用鋼強(qiáng)調(diào)強(qiáng)韌性匹配，均含有一定量薄膜狀均勻分布的奧氏體，疲勞裂紋擴(kuò)展速率差別不大，A-100鋼和300M鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率對比如圖1 所示。并根據(jù)A-100鋼損傷容限特性，突破了大型復(fù)雜模鍛件成形成性、大型復(fù)雜零件精密熱處理[6]、超音速火焰噴涂、復(fù)合噴丸強(qiáng)化[7]、低氫脆鍍鎘鈦、低應(yīng)力無燒蝕磨削[8]等關(guān)鍵技術(shù)，形成了起落架用高合金超高強(qiáng)度鋼的抗疲勞制造技術(shù)體系。

18Ni類超高強(qiáng)度馬氏體時效鋼，雖然也可以通過二次強(qiáng)化達(dá)到1800 MPa以上，并具有較高的斷裂韌度，但是這類超高強(qiáng)度鋼由于采用金屬間化合物強(qiáng)化，所以沖擊性能和疲勞性能較低，缺口敏感性較高。高屈強(qiáng)比也不利于抑制裂紋擴(kuò)展，因此這類超高強(qiáng)度鋼沒有用于起落架制造。

圖1 A - 1 0 0 鋼和3 0 0 M 鋼疲勞裂紋擴(kuò)展速率

Fig. 1 Fatigue crack growth rates of A -100 steel and 300M steel

（4）飛機(jī)結(jié)構(gòu)開裂失效表明，不僅僅是載荷的作用，環(huán)境（腐蝕、摩擦/磨損等）也是影響結(jié)構(gòu)開裂的重要因素，因此美國在1975年又提出了耐久性設(shè)計思想。耐久性就是結(jié)構(gòu)在規(guī)定時間期限內(nèi)，抵抗開裂（含i t 力腐蝕開裂等）、腐蝕、熱退化、磨損和外界損傷的能力，即要求采用載荷-環(huán)境譜進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)濟(jì)壽命大于設(shè)計目標(biāo)壽命s 我國在2 0 0 8年頒布的飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范中，也明確提出采用耐久性和損傷容限設(shè)計原則，在繼承安全壽命設(shè)計的思想上，強(qiáng)調(diào)了經(jīng)濟(jì)壽命。

然而，對于起落架制造材料性能而言，耐久性的核心是強(qiáng)調(diào)材料耐環(huán)境的要求。不僅僅考慮初始裂紋條件下的材料裂紋擴(kuò)展性能，還要考慮在載荷和外界環(huán)境共同作用下的材料裂紋萌生和擴(kuò)展性能。這種設(shè)計理念最直接體現(xiàn)在艦載機(jī)強(qiáng)調(diào)抗應(yīng)力腐蝕設(shè)計，此時材料技術(shù)指標(biāo)不再是簡單考慮表面防護(hù)層下面基材初始裂紋的擴(kuò)展速率和斷裂韌度，而是在表面防護(hù)層破損后的材料抗應(yīng)力腐蝕性能，包括腐蝕速率、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率、應(yīng)力腐蝕斷裂韌度、腐蝕疲勞等。目前艦載機(jī)發(fā)生的嚴(yán)重事故均為腐蝕導(dǎo)致，這也驗證了艦載機(jī)起落架設(shè)計制造材料強(qiáng)調(diào)耐環(huán)境的必要性。美國F-18艦載機(jī)20世紀(jì)90年代初發(fā)生艦上300M 鋼起落架腐蝕斷裂事故，2002年F-14艦載機(jī)前起落架外筒發(fā)生腐蝕斷裂，導(dǎo)致機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故的發(fā)生，造成156架該型飛機(jī)全面停飛[9];因此美國海軍將300M 鋼列為海上有限使用材料，提出用耐腐蝕更高的超高強(qiáng)度鋼來制造艦載機(jī)起落架。美國20世紀(jì)90年代初發(fā)生F-18飛機(jī)300M鋼起落架應(yīng)力腐蝕斷裂事故后，F(xiàn)-18E/F及F-35艦載型起落架均采用抗應(yīng)力腐蝕性能更加優(yōu)異的AerMet100鋼制造[10]。AerMet100鋼的KISCC是300M鋼的2 倍以上，3.5% NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低50%以上，鹽霧環(huán)境下AerMet100鋼的腐蝕速率僅為300M 鋼的10%。

2 飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度鋼展望

同時提高超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌性、損傷容限性能和耐久性對起落架設(shè)計的吸引力是毋庸置疑的，但是必須基于新的超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)韌化理論，因此在一段時間內(nèi)很難改變強(qiáng)度升高，塑性韌性降低的現(xiàn)狀。結(jié)合飛機(jī)起落架的設(shè)計使用需求，起落架用超高強(qiáng)度鋼有以下幾個發(fā)展方向。

（1） 2200 MPa級以上超高強(qiáng)度鋼

如果能將超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度級別由現(xiàn)在的1900MPa級提高到2200 MPa級以上，即強(qiáng)度提高15%以上，對于起落架設(shè)計的減重效果還是較為明顯的，對飛機(jī)設(shè)計師的吸引力更大。為此美國于2003年開始，公布了2100~2300MPa航空用超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)方案，進(jìn)一步研究高比強(qiáng)度超高強(qiáng)度鋼。相繼研發(fā)了 AerMet310鋼（2100MPa級）和AerMet340鋼（2300MPa級），但 AerMet310鋼斷裂韌度實測值為73MPa ?V1/2, AerMet340 鋼斷裂韌度實測值為37MPa ?V1/2[12-13];由于強(qiáng)韌性匹配較低，所以目前沒有實際應(yīng)用。國內(nèi)目前也采用M2C、金屬間化合物等沉淀強(qiáng)化理論，開展了2100~2300MPa超高強(qiáng)度鋼的研制工作[14]。

2200 MPa級以上超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用關(guān)鍵是要在保證強(qiáng)度的前提下，塑性、韌性、疲勞性能、裂紋擴(kuò)展速率和抗應(yīng)力腐蝕等綜合性能優(yōu)于廣泛應(yīng)用的300M鋼水平，才能體現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢。

（2 ）超高強(qiáng)度不銹鋼

艦載機(jī)在整個壽命期內(nèi)隨艦船在海洋環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，長期暴露于高溫、高濕、高鹽的嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境中。除了 F-18和F-14艦載機(jī)起落架發(fā)生腐蝕斷裂外，EA-6B“徘徊者”電子戰(zhàn)飛機(jī)也發(fā)生過起落架腐蝕問題。因此，艦載機(jī)起落架要求采用抗應(yīng)力腐蝕性能更高的超高強(qiáng)度鋼設(shè)計制造。2002年美國QuesTek新技術(shù)有限責(zé)任公司承擔(dān)美國防部戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計劃（SERDP）污染防止項目，該項目要求設(shè)計新型飛機(jī)起落架材料，開發(fā)研制出新型超高強(qiáng)度不銹鋼Ferrium S53,用以代替AerMetlOO等超高強(qiáng)度鋼[15]。FerriumS53抗拉強(qiáng)度達(dá)到1800MPa級，屈服強(qiáng)度1500 MPa級，應(yīng)力腐蝕斷裂韌度測試值不低于50 MPa ·m1/2。美國采用Ferrium S53鋼試制了 A-10艦載攻擊機(jī)起落架，進(jìn)行了考核驗證，2010年12月首次在T-38型教練機(jī)應(yīng)用。

2002年以來，我國成功研制出新型的超高韌性與超高強(qiáng)度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，典型代表是鋼鐵研究總院的F863鋼、USS122G 鋼和北京航空材料研究院的S280鋼。這些鋼是我國自主研發(fā)并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Cr-Ni-Co-Mo系馬氏體時效不銹鋼，其強(qiáng)度不低于1900MPa，屈服強(qiáng)度不低于1500MPa，斷裂韌度不低于90MPa應(yīng)力腐蝕斷裂韌度測試值不低于70 MPa·m1/2[16]。

目前研發(fā)的超高強(qiáng)度不銹鋼與AerMet100鋼相比，屈強(qiáng)比和斷裂韌度略低，應(yīng)力腐蝕斷裂韌度提高30%以上，鹽霧環(huán)境下腐蝕速率降低10%以上。根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度規(guī)范要求，在使用載荷作用下，不超過材料的屈服強(qiáng)度；在設(shè)計載荷作用下不超過材料的抗拉強(qiáng)度。設(shè)計載荷除以使用載荷稱為安全系數(shù)，通用的安全系數(shù)多為1.5。即要求起落架用鋼的屈強(qiáng)比要大于0.67。超高強(qiáng)度不銹鋼的屈強(qiáng)比為0.75~0.8，可以滿足起落架設(shè)計要求。略低的屈服強(qiáng)度有利于通過塑性變形來降低裂紋擴(kuò)展速率，提高裂紋臨界長度，提高起落架的安全性；但是低的屈強(qiáng)比容易產(chǎn)生疲勞裂紋，不利于獲得高的安全壽命。考慮到艦載機(jī)起落架的失效模式主要為應(yīng)力腐蝕斷裂，因此略低的斷裂韌度不應(yīng)該成為阻礙其應(yīng)用的理由，進(jìn)一步提高屈服強(qiáng)度更有吸引力。

綜合考慮超高強(qiáng)度不銹鋼的綜合性能，可以作為下一代艦載飛機(jī)起落架的備選材料。

（3）低成本超高強(qiáng)度鋼

低成本已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計制造中的一個重要指標(biāo)，采用低成本、高性能材料是措施之一。降低起落架用超高強(qiáng)度鋼成本的方法主要有2 種：一種是通過降低貴合金元素含量來降低成分成本，如降低Co等金屬含量；另一種是通過非真空冶煉的方式，降低制造工序成本。

美國在2013年基于“材料基因組”技術(shù)開發(fā)了新型Co-Ni二次硬化超高強(qiáng)度鋼— FerriumM54鋼，目標(biāo)是降低成本，代替AerMet100鋼。FerriumM54鋼通過降低Co含量，提高C，Mo含量，增加W，Nb等強(qiáng)化元素，來實現(xiàn)高強(qiáng)度、低成本。FerriumM54鋼已經(jīng)納入到MMPDS手冊，并獲得美國汽車工程師學(xué)會頒發(fā)的材料規(guī)范AMS6516[10]。根據(jù)AMS 6516 和 AMS 6532（AerMet100鋼規(guī)范）標(biāo)準(zhǔn)對比，二者的強(qiáng)度KIC相當(dāng)，F(xiàn)errium M54鋼的Kiscc顯著提高。然而，實測值對比顯示，二者總體性能相當(dāng)，F(xiàn)errium M5 4 鋼的KIC略低，KISCC略高，并不像規(guī)范中規(guī)定的那樣存在較大的性能差距。目前試制了小350mm的棒材，美國采用Ferrium M54 鋼試制了T-45艦載教練機(jī)攔阻鉤桿和F-18E/F艦載機(jī)的攔阻鉤頭。從現(xiàn)有公布的資料可以認(rèn)定，F(xiàn)errium M54鋼是一款具有損傷容限特性、優(yōu)良耐蝕性的低成本超高強(qiáng)度合金鋼，具有較高的性價比，可以用于飛機(jī)起落架制造，但以目前公布的性能不足以全面代替AerMet100鋼。

隨著純凈化冶煉以及成分精確控制技術(shù)的提高，單真空冶煉的超高強(qiáng)度鋼沖擊性能、疲勞性能以及斷裂韌度接近雙真空冶煉的水平，但是成本大幅降低。這類超高強(qiáng)度鋼可以用于制造下沉速度較低或者使用壽命較低的飛機(jī)起落架，如民用飛機(jī)、大型無人機(jī)等。

3 結(jié)束語

飛機(jī)起落架用鋼已經(jīng)形成了低合金超高強(qiáng)度鋼和高合金超高強(qiáng)度鋼并用的材料體系；基于各型超高強(qiáng)度鋼的特性，建立了完整的抗疲勞制造技術(shù)體系。我國起落架用超高強(qiáng)度鋼的研制和應(yīng)用處于國際先進(jìn)水平。300M鋼和AerMet100鋼目前應(yīng)用最為廣泛，一段時期內(nèi)很難出現(xiàn)性能全面超越300M鋼或AerMet100鋼的同類起落架用超高強(qiáng)度鋼。因此，起落架用超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展必須與各型飛機(jī)的特定需求相結(jié)合，才能發(fā)揮出最大的技術(shù)優(yōu)勢。

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