（ 5 ）耐腐蝕優(yōu)良；

 

    （ 6 ）熱穩(wěn)定性好，有較好的耐熱性；

 

    （ 7 ）良好的加工成型性（適用于激光束焊接、攪拌摩擦焊接、時(shí)效成形）；

 

    （ 8 ）更高的性價(jià)比。
 

 

 

 

 

    3.3鋁鋰合金的應(yīng)用

 

    3.3.1鋁鋰合金的航空應(yīng)用

 

    Al-Li合金已經(jīng)在軍用飛機(jī)、民用客機(jī)和直升飛機(jī)上使用或試用，主要用于機(jī)身框架、襟翼翼肋，垂直安定面、整流罩、進(jìn)氣道唇口、艙門、燃油箱等等。

 

    早在20世紀(jì)50年代，美國就開發(fā)了x2020鋁鋰合金后來用來取代7075用于RA-SC預(yù)警機(jī)。美國一公司將C-155鋁鋰合金用于波音777和空中客車A330/340飛機(jī)的垂尾和平尾，該合金比普通鋁合金有更好的抗疲勞性能和高的強(qiáng)度。其中A330/340飛機(jī)每架使用Al-Li合金650kg，可使飛機(jī)減重達(dá)4250kg，可以提高有效載荷及降低燃料消耗。麥道公司的C-17運(yùn)輸機(jī)使用了鋁鋰合金板材和擠壓型材制造貨艙的地板梁、襟翼副翼蒙皮等結(jié)構(gòu)，用量達(dá)2.8t，比用普通鋁合金減重208kg，法國幻影式戰(zhàn)斗機(jī)上也大量應(yīng)用鋁鋰合金，其成本低于熱固塑料和金屬基復(fù)合材料。在1988年的時(shí)候，洛克希德·馬丁戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)系統(tǒng)公司、洛克希德·馬丁航空系統(tǒng)公司和雷諾茲金屬公司就開始AA2l97合金研制的聯(lián)合計(jì)劃，為軍用殲擊機(jī)隔板和艙壁生產(chǎn)重載厚板。1996年6月，雷諾茲金屬公司開始售出第一批AA2l97合金板材，用于取代其它材料制造美國空軍F－16飛機(jī)的后部隔板（艙壁）和其它零件。歐洲試驗(yàn)型戰(zhàn)斗機(jī)EFA其前部所有薄板狀零件皆由8090薄板制成，占所有材料的9%，駕駛艙內(nèi)使用了不少A1-Li合金，其中用A1-Li超塑成形工藝制造的電子設(shè)備室的蓋板長達(dá)1.5m。英、意合作生產(chǎn)的大型直升機(jī)EH101上，其機(jī)身框架、蒙皮和內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用了相當(dāng)多的A1－Li合金板材和鍛件，每架質(zhì)量減輕200kg。而據(jù)估計(jì)，直升機(jī)在整個(gè)服役期間每減輕1kg增加經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)3000英鎊。

 

    在航空鋁鋰合金的研究和應(yīng)用方面，前蘇聯(lián)及俄羅斯也一直處于世界的領(lǐng)先地位，比較有代表性的有01420、01421（含鈧）、01423（含鈧）、01430、01440、01450等。早在20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)就將鋁鋰合金用于制造雅克－36飛機(jī)的主要構(gòu)件，包括機(jī)身蒙皮、尾翼、翼肋等，該飛機(jī)在惡劣的海洋氣候條件下使用，性能良好。20世紀(jì)90年代初又在米格－29和米格－31飛機(jī)上采用1420合金焊接結(jié)構(gòu)，使減重效果進(jìn)一步提高。米格－29使用了1420合金薄板、模鍛件、擠壓壁板等制造機(jī)身、駕駛員座艙、油箱等，每架飛機(jī)鋁鋰合金用量達(dá)3.8t。采用焊接油箱后減重達(dá)24%，其中12%是由于材料比重的降低，12%是由于焊接結(jié)構(gòu)減少了鉚釘、螺釘、密封劑和搭接部分而達(dá)到的。1420合金在其它飛機(jī)，如運(yùn)輸機(jī)、客機(jī)、直升機(jī)上用量也相當(dāng)可觀。安－124用量近8t，圖－204用量2.7t，米－26用量1.8t，還有伊爾－86、安－72等也都采用了A1-Li合金。近年來，Al-Li合金也大量用在蘇－27、蘇－35、蘇－37等戰(zhàn)斗機(jī)上，以及遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭殼體等。
 

 

 

    2.3.2鋁鋰合金的航天應(yīng)用

 

    對(duì)于航天飛行器結(jié)構(gòu)，質(zhì)量的減輕可增加有效載荷，而有效載荷每增加1kg可帶來4,400～110,000美元的效益。因此，由于Al-Li合金密度低、性能好的特點(diǎn)，在很多航天飛行器中都采用Al-Li合金結(jié)構(gòu)。

 

    美國洛克希德導(dǎo)彈和空間公司（LMSC）制造的飛行器使用低密度、中等強(qiáng)度和高剛度的材料，因此大量采用Al-Li合金產(chǎn)品。從20世紀(jì)80年代中期開始，大量選用8090及普通加工方法生產(chǎn)各種鍛件、厚板、薄板與擠壓件。LMSC在大力神有效載荷轉(zhuǎn)接器上使用8090板材，減輕質(zhì)量180kg。該公司使用AA2195合金生產(chǎn)的新的航天飛機(jī)“超輕型油箱”，長達(dá)47m，直徑達(dá)8.4m，用于盛裝低溫燃料和液態(tài)氫。AA2195合金的使用使油箱減輕5%（減重近3400kg），強(qiáng)度提高30%，有效地增加了有效載荷，節(jié)約成本約7500萬美元。麥道空間系統(tǒng)公司采用2090－T81板材制成直徑2.44m，長3.05m的低溫箱，用于三角翼火箭盛放燃料和液氧的容器，質(zhì)量減輕15%。美國通用動(dòng)力空間公司在阿特拉斯和半人馬運(yùn)載火箭上的三個(gè)部件采用2090合金，總量達(dá)70kg，質(zhì)量較2024減輕8%。1997年12月的美國“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)外貯箱采用2195代替2219，運(yùn)載能力提高了3.4t。

 

    Al-Li合金在俄羅斯的航天業(yè)中也有很多的應(yīng)用。俄羅斯在1450合金基礎(chǔ)上添加0.20%的Sc元素研制出1460合金，有更優(yōu)良的性能，將其應(yīng)用于大型運(yùn)載火箭“能源號(hào)”的結(jié)構(gòu)件上。此外，還用在其它火箭、“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)和空間站的結(jié)構(gòu)件上。

 

    4.超高強(qiáng)度鋼

 

    室溫條件下抗拉強(qiáng)度大于1400 MPa、屈服強(qiáng)度大于1200 MPa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)用于火箭發(fā)動(dòng)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。
 

    典型超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

 

    4.1低合金超高強(qiáng)度鋼

 

    AISI 4340是最早出現(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。通過淬火和低溫回火處理，AISI 4130、4140、4330或4340鋼的抗拉強(qiáng)度均可超過1500MPa，而且缺口沖擊韌性較高。

 

    為了抑制低合金超高強(qiáng)度鋼回火脆性，1952 年美國國際鎳公司開發(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。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 等軍用戰(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AISI 4340 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(dòng)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，成為一種制造固體火箭發(fā)動(dòng)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)具有自己的鋼種體系，最有代表性的是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。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。
 

 

    406鋼是我國自行設(shè)計(jì)、自行研制低合金超高強(qiáng)度鋼最成功的典范。它是為解決大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料而研制的超高強(qiáng)度鋼，1966年由冶金部和七機(jī)部聯(lián)合下達(dá)研制任務(wù)，1980年11月定型生產(chǎn)。采用406鋼制造的巨浪一號(hào)兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，使用強(qiáng)度>1715 MPa，KIC＞72 MPa·m1/2，相當(dāng)于美國“北極星A2”導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體所用的D6AC鋼。
 

 

    為了提高大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，又在406鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了D406A鋼，通過降低碳含量和采用VIM+VAR冶煉技術(shù)，提高了純凈度。D406A鋼的強(qiáng)度稍有下降，但提高了韌性（σb＞1620MPa，KIC＞87 MPa·m1/2）。1993年通過技術(shù)鑒定，已成功用于東風(fēng)和巨浪系列導(dǎo)彈一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。

 

    4.2二次硬化超高強(qiáng)度鋼

 

    二次硬化超高強(qiáng)度鋼特點(diǎn)是在 480~550℃范圍回火（或時(shí)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(shí)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，但它一直未能在航空航天結(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(duì)低溫高壓深水潛艇使用要求，但尚不能滿足航空航天器對(duì)超高強(qiáng)度鋼的高強(qiáng)韌性的要求。

 

    隨著航空工業(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。為了達(dá)到航空構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，在對(duì)Fe10Ni 系合金鋼進(jìn)行的研究基礎(chǔ)上，對(duì)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(shí)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航空界歡迎的一種新型高強(qiáng)度鋼。

 

    在保持AF 1410 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Aermet 100 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≥1930 MPa），但韌性稍有下降（KIC≥110MPa·m1/2）。Aermet 100是目前綜合性能最高的超高強(qiáng)度鋼，是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料，美國己成功地將其應(yīng)用在最先進(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。
 

    以Aermet 100為材料的F/A-22起落架

    以Aermet 100為材料的F/A-22起落架
 

    4.3 馬氏體時(shí)效鋼

 

    馬氏體時(shí)效鋼以無碳（或微碳）馬氏體為基體的，時(shí)效時(shí)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(jià)值的馬氏體時(shí)效鋼，是20世紀(jì)60年代初由國際鎳公司（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(shí)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)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。

 

    馬氏體時(shí)效鋼在相同的強(qiáng)度級(jí)別韌性比低合金鋼要高，加工硬化指數(shù)低，沒有脫碳問題，熱處理工藝簡(jiǎn)單，冷加工成型性好。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用18Ni馬氏體時(shí)效鋼，使用強(qiáng)度為1750 MPa，濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用馬氏體時(shí)效鋼，使用強(qiáng)度達(dá)到2450MPa。但合金元素含量高致使馬氏體時(shí)效鋼的成本增高。90年代，國內(nèi)在18Ni馬氏體時(shí)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(shí)效鋼。T250馬氏體時(shí)效鋼力學(xué)性能為： σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2，是制造我國固體發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)殼體，已用于某航天型號(hào)。
 

 

    4.4Ferrium S53 超高強(qiáng)、高韌耐蝕不銹鋼

 

    FerriumS53是一種宇航結(jié)構(gòu)件用耐腐蝕超高強(qiáng)度不銹鋼，其力學(xué)性能等于或優(yōu)于傳統(tǒng)的超高強(qiáng)度不銹鋼，比如300M和SAE4340，而耐腐蝕性能類似于1.5-5PH。開發(fā)超高強(qiáng)度不銹鋼FerriumS53的目的是要淘汰有毒的金屬鍍層。

 

    FerriumS53不銹鋼的特點(diǎn)如下：

 

      耐蝕相當(dāng)于15-5PH H900

 

      強(qiáng)度與與300M（AMS 6257A）相當(dāng)或更好

 

      耐應(yīng)力腐蝕破裂：KIscc≥16.5 MPa

     具有最大耐疲勞的最佳顯微結(jié)構(gòu)特征

 

     對(duì)磨損和疲勞的表面可使硬度大于67 HRC

 

      高強(qiáng)度高韌性細(xì)條狀馬氏體基體

 

     細(xì)晶粒與極細(xì)金屬碳化物彌散分布，以提高耐磨性能和韌性

 

      通過回火使納米級(jí)金屬碳化物（M2C）彌散進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)避免其他碳化物，使強(qiáng)度、耐磨性能以及韌性最大化

 

     為了獲得最佳的耐腐蝕性能，形成了一種穩(wěn)定的鈍態(tài)氧化物薄膜
 

 

    目前飛機(jī)起落架選用的鋼材（如：300M、SAE4340）都要求進(jìn)行保護(hù)性的以氰化物為基礎(chǔ)的鍍鎘處理。鎘是大家熟知的一種致癌物，在最初的飛機(jī)制造和在飛機(jī)維修過程中都存在明顯的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了避免氫脆，鍍鎘工藝要求隨后進(jìn)行氫還原退火操作。在這些用途中用Ferrium53來取代其他材料就不需要鍍鎘和隨后的氫還原退火操作。而且該不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕斷裂性能（SCC）也優(yōu)于300M和SAE4340。另外，還有更高的可硬化性能。對(duì)于一個(gè)給定的截面尺寸，適合的淬火條件并不那么嚴(yán)格，因此，在熱處理過程中幾乎沒有變形。這種不銹鋼的處理工藝與其他淬火和回火的馬氏體二次硬化鋼的處理工藝類似。為了避免表面脫碳，推薦進(jìn)行真空熱處理和真空回火。淬火冷卻到室溫之后，再進(jìn)行低溫處理，以保證完全的馬氏體轉(zhuǎn)變。它有代表性的回火溫度是470℃，接近這個(gè)溫度時(shí)，這種不銹鋼有優(yōu)異的熱阻性能。這就允許采用更高的研磨速度而不會(huì)產(chǎn)生研磨燒傷的風(fēng)險(xiǎn)，因而使用中更加耐用。FerriumS53的一般耐腐蝕性能類似于有代表性的沉淀硬化不銹鋼，比如l7-4PH和15-5PH。線性極化試驗(yàn)測(cè)得的開路電位（OCP）大約是-0.30V，與室溫下在3.5％的氯化鈉溶液中的飽和Ag／AgCl參比電極相比較，年平均腐蝕速度為0.01mm。在3.5％氯化鈉溶液中它是不生銹的。

 

 

 

    （1）鋁鋰合金具有密度小，比強(qiáng)度高，比剛度大，疲勞性能良好，耐蝕性及耐熱性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天中的應(yīng)用越來越廣泛。

 

    （2）復(fù)合材料以其質(zhì)量輕，較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導(dǎo)熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫，獨(dú)特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設(shè)計(jì)性、制備的靈活性和易加工性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到飛機(jī)、雷達(dá)等多種航空航天領(lǐng)域。

 

    （3）鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能很好，成為航空航天中的重要材料，主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件

 

    （4）航空工業(yè)的發(fā)展， 特別是新型飛機(jī)的發(fā)展需要強(qiáng)度高、韌性好、耐蝕性好的結(jié)構(gòu)材料。雖然不斷出現(xiàn)各類新材料，但超高強(qiáng)度鋼在彈性模量、沖擊韌性和強(qiáng)度等方面依然具有很大的優(yōu)勢(shì)，在今天和可預(yù)見的未來，仍將是一種不可替代的關(guān)鍵材料之一。

 

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