300M飞机起落架外筒锻件生产过程中关键技术研究_国内外飞机起落架

1.2 国内外飞机起落架生产及研究现状

1.2.1 飞机起落架简介

起落架是飞机四大关键部件（发动机、机翼、机身、起落架）之一[17]。飞机起落架是飞机在地面停放、滑行、起飞、着陆时用于支撑飞机重力，承受相应载荷的装置[18]。图1-1为波音777的主起落架，飞机起落架是关系飞机安全运行的重要功能部件，概括起来，起落架的主要作用有以下四个[18-21]：(1)承受飞机在地面停放、滑行、起飞、着陆时的重力； (2)消耗和吸收飞机在着陆与地面运动时的撞击和颠簸能量；(3)提供滑跑与滑行时的制动；(4)滑跑与滑行时操纵飞机。

图1-1 波音777飞机主起落架

飞机的安全性能对起落架的主体材料有高要求，既要求有较高的抗拉强度和足够的韧性，又要求能承受较大的冲击载荷，还要求有良好的抗疲劳和抗腐蚀性能[22]。低合金超高强度钢因其良好的综合性能、低廉的生产成本、简单的生产工艺，而广泛应用于起落架的生产工艺中。目前我国飞机起落架的主体材料广泛采用300M钢整体锻件、钛合金整体锻件制造技术，300M钢抗拉强度高达到1860MPa，断裂韧性高。300M钢与同强度的低合金超高强钢相比，300M钢的抗疲劳性能明显优于4340、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoV A等钢种，同时介质中裂纹扩展速率显著降低，这些特点使得300M钢成为飞机起落架的主导应用材料 [21]。

1.2.2 国内外飞机起落架的发展与研究现状

飞机起落架形状复杂，结构不对称。同时主起落架、前起落架等均为飞机的主要承力构件，既要求起落架锻件整体、精密、流线随形和表面少、无损伤，也要求

起落架长寿命、高可靠、结构轻和经济性。国外在飞机起落架研发设计、生产、制造等发面处于国际领先水平，起落架的制造技术已达到高度专业化，飞机起落架的制造产业也非常成熟 [23-25]。国外起落架用材料主要有超高强度合金结构钢和高强高韧钛合金，如300M、35NCD16、AerMetl00等钢，以及Ti-1023、Ti6Al4V等钛合金均为高纯度的原材料，能够保证锻件在锻造过程中晶粒可控。国外起落架锻造设备先进，起落架锻件既有在锤上模锻的，也有在液压机或螺旋压力机上模锻的，同时先进的制坯技术使得终锻过程金属变形的流线随形，同时避免折叠、裂纹等缺陷。这是西方发达国家起落架锻件品质优良、价格昂贵且供不应求的技术诀窍。

20世纪50年代起，我国开始研制飞机起落架，经过60余年不断探索，国产起落架已装备了多种类型飞机[17]。在八五期间，超高强度合金300M起落架研制与应用研究课题中，将抗疲劳制造技术理念贯穿于课题研究全过程，从改善起落架低应力集中细节设计入手，提高原材纯净度，首次将焊接结构起落架更改设计成整体结构锻件，着力于从整体锻件制坯技术上获得整体锻件具有良好的均匀细晶组织和包络流线。通过查找相关国内文献发现[26-31]，对飞机起落架的研究主要集中在起落架建模与仿真、着陆动态仿真、滑行性能分析、断裂损伤分析、结构疲劳寿命预测。随着有限元软件及计算机硬件基础的迅速发展以及实际生产的需求，对于起落架的生产研究也逐渐增多，陈春利用有限元仿真平台制订了起落架锻造成形工艺的不同路线，研究了不同工艺参数对起落架成形的影响规律，建立了起落架主体材料的锻造成形过程中微观组织演变模型，分析了不同工艺参数对锻件微观组织的影响[32]。

与西方发达国家相比，我国的起落架制造技术还比较薄弱，主要表现在[21,31-32]: (1)起落架寿命短，现阶段我国自主生产的民用起落架寿命只能达到2万次起落，而西方发达国家生产的起落架起落寿命可达6万次。(2)起落架使用性能差，受材料领域发展的制约，材料制备工艺的稳定性差，材料的纯净度相对较低，材料的流线以及晶粒难以控制，使得飞机起落架很难承使用过程的高冲击载荷。(3)质量稳定性不高，设计方法和生产工艺普遍落后于国外的起落架现代设计技术，导致起落架的合格率较低。(4)生产周期长，生产成本较高。我国起落架的研制及生产周期高达5-10年，而西方发达国家的研制生产周期仅为2-3年，较长的周期相对的延长，导致生产的成本居高不下。以上这些因素影响了我国的飞机自主研发技术的发展，也大大的制约着我国航空航事业的发展。

受制于设备条件和技术能力不足，现阶段国内大部分起落架只能采用对击锤或

模锻锤设备经多火次锻造方法生产。起落架锻件外廓形状复杂且非对称，为保证终

锻成形，在预锻制荒坯时材料不得不留有足够大的余量，因此终锻后的锻件材料利

用率低。锻件表面质量差，氧化皮厚，金属流线不随形且个别部位甚至紊乱，经机

械加工切削掉多余金属后，相当一部分的金属流线被切断而外漏。

1.3 起落架用300M钢

1.3.1 300M钢简介

300M钢是一种典型的低合金超高强度钢。1952年美国国际镍公司在4340超高

强度钢的基础上研制开发的，该钢通过加入了1.5％硅和0.1％钒而发展起来的[33]。

300M钢采用真空感应熔炼和真空自耗重熔冶炼，经淬火、回火后的抗拉强度可高

达1930MPa～2100MPa[34-37]，被广泛应用于各种重要承力构件的制造，如飞机的平

尾大轴、机翼主梁、机身框架、飞机起落架等。我国于20世纪80年代开始仿制美

国的300M 钢，现已广泛应于飞机起落架和抗疲劳螺栓等关键零件的制造[38-43]。

300M钢具有较高的抗拉强度和足够的韧性，同时具有比强度（强度与密度之比）

大的特性，能够承受较大的冲击载荷，具有良好的抗疲劳性能。表1-1是300M钢

的力学性能。300M钢断裂韧性高，与同强度的低合金超高强钢相比，抗疲劳性能

明显优于其他钢种，同时300M钢在介质中裂纹扩展速度率也较低[14]。

表1-1 室温下300M的力学性能

σb/MPa σ0.2/MPa δ/% Ψ/% E/GPa

1963 1615 11.3 46.9 199 300M良好综合性能的获得，与所含合金元素有着密切关系，300M钢合金元素

的主要作用如下[44-49]：C通过间隙固溶强化以及碳化物沉淀强化使得300M钢获得

高强度，但如果含量过高，会增加钢的冷脆性和敏感性，降低钢的耐腐蚀能力；Si

在回火过程中提高了马氏体的回火稳定性，提高了钢的回火抗力，抑制了回火时ε-

碳化物的生长，使得在适当的温度回火而不发生回火马氏体脆化；Mn元素可以显

著提高钢的淬透性，在提高钢的强度与硬度的同时，使得钢拥有较高的韧性； Ni

元素可以提高钢淬透性、降低钢的Ms点；Cr是铁素体形成元素，溶入基体中形成

置换固溶强化，用以获得足够的淬透性，还能提高钢的耐蚀性、抗氧化性和耐磨性；

Mo元素可以增加钢淬透性，同时使得钢的晶粒得到细化，抑制钢在回火过程中而

引起的脆性，提高抗过敏感性和强韧性。