国家钢铁质检中心

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为“雄鹰”提供强力支撑——我国飞机起落架用钢发展轨迹探析

信息来源:中国冶金报 发布日期:2019年11月19日  

 

    1111日,中国人民解放军空军成立70周年。70年来,伴随人民空军的发展壮大,我国主战装备不断升级换代,从20世纪50年代就开始生产出了国产歼5战斗机及其涡喷5发动机,后来又相继生产强-5、歼-6、歼-7、歼-8、轰-6、歼轰-7、歼-10、歼-15、歼-16、歼-20、歼-31、运-20等战机。

  我国航空工业的发展一直秉承着“一代材料,一代飞机”的理念。作为主要的承力结构材料,飞机起落架用钢与飞机的设计理念和材料的制备技术是并行发展的。

  飞机起落架是飞机在起飞和着陆过程中无可替代的装置,会对飞机的使用和安全性产生极大的影响。现代先进飞机中,起落架用钢占全机用钢量的60%以上。因此,具有优异比强度和比刚度的超高强度钢成为制造飞机起落架的首选材料。70年来,我国研制的航空用超高强度钢材料性能的不断提高,有力保障了我国军用飞机型号的设计发展要求。

  我国的起落架用钢大致可以分为三代。

  第一代起落架用钢。我国20世纪50年代飞机设计强调静强度设计。结构的安全性主要通过选取适当的安全系数来保证,一般用材料的抗拉强度除以安全系数即为使用强度。起落架制造材料强调抗拉强度、屈服强度,并具有优良的塑性和冲击韧性。起落架主承力构件主要由1175MPa级高强度钢413030CrMnSiA等材料经手工电弧焊等方法制造。

  但是,随着各国采用静强度设计的飞机相继出现疲劳破坏事故,在静强度基础上发展出了对飞机疲劳强度的要求,战斗机开始全面采用安全寿命设计。起落架主承力件采用强度更高的1580MPa~1760MPa级超高强度钢30CrMnSiNi2A4330M4340等。

  第二代起落架用钢。我国在20世纪60年代自主开发研制了无NiCr型抗拉强度1860MPa的低合金超高强度钢40CrMnSiMoVAGC-4)钢。该钢具有良好的工艺性能和综合力学性能,曾一度用于歼-8和强-5飞机上,但是由于冶金质量等原因逐渐退出在起落架上的应用。

  20世纪80年代,我国成立了钢铁研究总院、北京航空材料研究院、抚顺特钢联合攻关组,赵振业院士等老一辈科学家研制并成功应用了双真空冶炼300M钢。它与GC-4相比强度相当,但横纵向性能一致性、冲击性能、疲劳性能、抗应力腐蚀性能更加优异。由于采用精炼脱硫原材料技术,通过双真空冶炼,钢中SP含量分别降低到0.002%~0.003%0.005%~0.008%,它比GC-4钢降低1/2以上,使材料疲劳裂纹形成寿命显著延长。

  1990年,300M钢制起落架在我国首次应用,实现了起落架安全使用寿命与机体相同。随后,我国飞机起落架广泛采用300M钢制造。

  第三代起落架用钢。随着飞机设计逐渐转变为损伤容限设计,对起落架材料的强韧性匹配和疲劳性能提出了更高的要求。我国1985年颁布的飞机强度设计规范规定,现阶段飞机设计应采用安全寿命与损伤容限相结合的设计原则。此时对于起落架制造用钢提出了较小裂纹扩展速率和较高断裂韧度的新要求,强调材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

  从“十一五”开始,钢铁研究总院首席专家王春旭教授所带领的团队,联合抚顺特钢、沈阳飞机设计研究所、北京航空材料研究院,经过10年的艰苦技术攻关,突破了超纯净冶金、大锭型成分精确控制、大规格棒材开坯锻造等关键技术,研制出具有国际先进水平的第三代航空超高强度钢A-100,强度达到2000MPa左右,具有超高强度和高断裂韧性、优良的塑韧性、抗疲劳性能、抗应力腐蚀性和抗冲击载荷性能,成为我国舰载机、新一代战机的起落架首选材料。该成果获得2015年度国防科技进步奖一等奖。A-100钢使我国航空超高强度钢的研制跻身世界先进水平,其综合性能与美国先进战机所用的超高强度钢AerMet100相当,美国AerMet100钢已广泛应用于F-22F-35F/A-18E/F等战斗机起落架。

  此外,钢铁研究总院在30多年军用起落架双真空300M钢的研制基础上不断突破,成功研制出民机用单真空冶炼工艺超大尺寸300M钢,支撑了C919大飞机“中国制造”。300M钢是我国C919大型客机起落架主体材料,其国产化是C919“中国制造”的重要标志。钢铁研究总院和宝钢特钢(现为宝武特冶)、抚顺特钢组成的攻关团队,在中国商飞的支持下,按照“国际标准、国际工艺、国际质量、国际成本、国际认证”技术原则,先后突破了40吨电炉超纯净冶炼技术、大规格电极浇铸技术、Φ810mm和Φ920mm锭型真空自耗均匀化熔炼技术、Φ400mm超大尺寸棒材精细组织锻造技术,填补了国内空白,实现了大型客机用300M钢的“中国制造”。

  大型客机用单真空300M钢的研制成功对我国大型客机国产化产业的实现具有重大意义,特别是根据国内民航的发展趋势,国内民机300M钢将形成需求超千吨、产值过亿元的重要高端航空特殊钢产业,同时使我国具备民用航空主力特殊钢跻身国际市场的能力,真正形成国内大飞机产业能力,为我国制造业的产业升级做出贡献。