不锈钢管在航空航天业应用特点解析

不锈钢管在航空航天业应用特点解析
时间: 2012-7-11 16:05:22责任编辑: (AU053) 【打印】
神9发射成功，标志着国航天航空事业的腾飞，也给不锈钢管行业带来了思考，本人阐述了不锈钢管在航空航天业应用特点分析，供业内同仁参考。

（一）航空航天设备分类及材料选用
1.航天科技：运载火箭、战略导弹、固体动力火箭发动机、液体动力火箭发动机、卫星及载人航天制造、飞船、各类导航仪器、制导设备、惯性系统、航天用传感器等。

2.国际民航组织将通用航空定义为：除公共运输航班客、货运输活动外的所有使用民用航空飞行器的活动。

通用飞机主要分为四大类：直升机、活塞飞机、涡桨飞机和喷气飞机大飞机一般是指起飞总重超过100吨的运输类飞机，包括军用、民用大型运输机，也包括150座以上的干线客机。

目前世界上只有美国、欧洲四国和俄罗斯有制造打飞机的能力，而占领国际市场的只有美国的波音和欧洲的空客。

为此，发展大飞机是国家战略。

大飞机项目列入中长期发展规划16个重大专项。

2006年2月，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，大型飞机与新一代宽带无线移动通信、载人航天与探月工程等并列16个重大专项。

而且大飞机项目是16个重大专项中最早获国务院原则性通过的项目。

大飞机包含的部位为：航电系统、机电系统、标准件、刹车系统、机体制造等。

（二）不锈钢管应用的主要设备及特点
随着我国飞机制造业的不断发展和飞机综合性能的快速提高，不锈钢精密管的需求量将会有较大幅度的增加，需要使用的不锈钢管大体包括：精密不锈钢管和高温合金管、波纹金属软管等，年使用量大约5000吨左右。

主要是高镍合金不锈钢管和600系不锈钢管，如630/631材质等。

纳入我国新机研制中应用的国产化新型高性能结构钢不锈钢材料，包括16Co14Ni10Cr2Mo、23Co14Ni12Cr3Mo、TM210A、
16Cr3NiWMoVNb、0Cr13Ni8Mo2Al、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr15Ni5Cu2Ti、0Cr16Ni6、0Cr14Ni6Cu2MoNbTi。

我国航空制造技术的不断发展进步，尤其是新一代飞机对结构材料性能提出了更高、更苛刻的要求。

高强、高韧、高疲劳性能、高纯洁度的结构钢不锈钢新材料在新机中得到大量应用。

近十年来，通过预研和型号研究，我国已经研/仿制了AF1410AerMet100、PH13–8Mo、18Ni（300）、16Х3НВФМБ、13Х15Н4АМ3－Ш等多个航空用高性能结构钢不锈钢。

与普通钢相比，航空用新型高性能结构钢和不锈钢在技术水平上明显上升了一个台阶，其标准的特点及先进性非常值得研究、分析和借鉴。

高性能结构钢和不锈钢的设计要求和应用特点
1.设计要求
从超音速战斗机诞生之日起，钢就是不可缺少的重要材料，用途广、牌号多，大量用于关键部位。

但是由于比重较大，随着新型航空材料（如钛合金、先进复合材料）的使用，钢在战斗机机体上的应用比例一直在下降，从第二代飞机占结构重量的20％～30％，第三代飞机占8％～20％，到新一代飞机占5％～10％。

但是，钢以其高强度和高刚度结合的优势，在未来一段时间内，高性能结构钢和不锈钢仍然是超音速战斗机的诸如起落架、大应力接头以及高应力紧固件等关键承力件的主要候选材料。

现代战斗机要求结构钢和不锈钢的强度大幅度提高，并具有良好的塑性和韧性，小的缺口敏感性、高的疲劳抗力、高的应力腐蚀抗力、高的抗氢滞后破坏力、高的蠕变抗力、小的各向异性和良好的工艺性能。

提高钢的纯洁度和均匀性是航空用钢的重要发展方向，提高钢的纯洁度、控制非金属夹杂物的形态、分布以及保证钢材在整个截面上
具有均匀的成分和性能是提高钢制零件使用可靠性和延长使用寿命的重要手段。

以起落架用材为例，起落架用材要求高的比强度及高的绝对强度和疲劳强度。

因为起落架对飞机飞行而言属于“寄生”乘客，未来隐形战斗机的设计要求武器和动力装置全内置，飞机的内部有效空间极其珍贵，因此要求提高材料的绝对强度以缩小起落架的尺寸，节省有效空间。

当前二次硬化型超高强度钢的强度可高达2 000 MPa，其比强度甚至超过了钛合金，如AerMet310钢比强度为27.9，AerMet100钢比强度为25.7，而Ti-6Al-4V比强度仅为25.4。

起落架用材要求复杂应力条件下的疲劳性能，因此特别重视材料的强韧性和组织的均匀性。

为提高舰载飞机起落架的耐蚀性，需开展1900MPa超高强不锈钢的研制。

为降低材料成本，应开发应用节钴型二次硬化超高强度钢。

2.应用特点
高性能结构钢和不锈钢在应用方面的特点主要表现为：具有高的强度和韧性，优良的焊接性能、疲劳性能和抗应力腐蚀性能，对缺口和氢脆不敏感。

例如：如AF1410钢是高合金二次硬化超高强度钢，在抗拉强度大于1 620 MPa的情况下，断裂韧度KⅠC大于143MPa ，焊接接头强度系数大于0.9。

AF1410钢是迄今唯一能够用于损伤容限设计的钢种，已用做飞机平尾大轴；AerMet100钢是在AF1410钢的基础上调整合金成分开发成功的，抗拉强度大于1 930 MPa，是目前强韧性配合最好的钢，已成功应用于F/A18舰载机、F22和F35飞机的起落架，科曼奇武装直升机的装甲防护、航空黑匣子壳体等，是国内新一代飞机起落架的首选材料。

PH13－8Mo钢是马氏体型沉淀硬化不锈钢，是现有沉淀硬化不锈钢中强度最高的，主要用于要求屈服强度高达1 515MPa、塑性好、性能无各向异性的大截面尺寸构件。

自“东方红”卫星上天到“神舟”飞船遨游太空，空间技术通过空间应用转化为社会生产力，民用航天在促进经济增长、推动科技进步和人类社会文明进程等方面起到了重要作用。

最近几年，我国卫星应用蓬勃发展，民用卫星已广泛应用于对地观测、通信广播和导航定位等诸多领域，取得了显著的社会效益和经济效益。

中国现已建立了卫星通信、卫星气象、卫星资源普查、卫星导航定位、卫星微重力试验、空间科学研究等卫星应用系统。

相信这些领域的发展，都将对不锈钢管的发展起到强大的促进作用。

太钢、宝钢及浙江嘉上公司等生产的不锈钢管也被应到“神舟”飞船行业。

（三）美、俄航天航空行业用新型高性能结构钢不锈钢标准分析
1.概况
美国航空用高性能结构钢不锈钢标准（AMS）基本上是一个牌号、一种状态编一个标准。

标准在修订时，有些技术要求是有变化的，而有些技术要求是一成不变的，有些技术要求在标准修订时加严了，而有些技术要求在标准修订时放宽了。

俄罗斯航空用高性能结构钢不锈钢材料标准（ТУ）多为单个牌号的标准，这一点与美国AMS标准类似。

此外美国标准的修改，一般均通过修订换版来进行，俄罗斯标准的修改多以更改单的形式进行，有些更改还常有反复。

2.熔炼方法
对于航空用高性能结构钢不锈钢的熔炼方法，美国标准基本上均规定为真空感应＋真空电弧重熔，而俄罗斯标准则多规定为电渣重熔或个别为真空电弧重熔，较少有双真空钢。

3.化学成分及其偏差
美国标准对杂质元素的要求比俄罗斯严。

对于所分析的航空用高性能结构钢不锈钢，美国标准对S、P含量的最松要求均为0.010％，而俄罗斯标准对S、P含量的最严要求才分别为0.015％和0.020％。

当然这也与所分析的俄材料不属超高强度
钢有关。

关于化学成分允许偏差，美国标准对于S、P、O、N等杂质元素规定不允许有偏差，其它元素的偏差一般引用相关标准AMS 2248或AMS 2259的规定。

而俄罗斯标准一般在化学成分条款中直接规定允许偏差，对于P元素通常允许有+0.005％的分析偏差。

4.力学性能
美国标准对力学性能的要求一般为纵向和横向拉伸性能、硬度，一般没有冲击韧性的要求。

只有
AF1410钢规定，对于不能切取断裂韧度试样的小规格棒材，允许用V型缺口冲击功代替断裂韧度。

另外，对于像AF1410和AerMet100这样的高强高韧钢还要求断裂韧度。

同时，美国标准一般还规定测定了横向性能可免测纵向性能。

而俄罗斯标准对力学性能的要求一般为纵向拉伸性能、纵向冲击韧性、硬度，较少有横向拉伸性能的要求，对于横向拉伸性能多规定为积累数据，不作为验收依据。

当同时有拉伸性能和硬度要求时，美国标准一般均规定若拉伸性能满足要求，则硬度不作为判定依据，而俄罗斯标准一般无此规定。

对于断后伸长率，美国标准规定的为δ4，而俄罗斯标准规定的断后伸长率为δ5。

美国标准规定的冲击试样的缺口型式为V型，而俄罗斯标准规定的冲击试样的缺口型式为U型。

美国标准规定的力学性能均为直接切取性能，而俄罗斯标准对于φ100 mm以上的棒材，多规定在改锻成φ90mm的坯料上测定。

5.最终热处理制度
美国材料标准规定的检验力学性能的最终热处理制度即为零件的最终热处理制度，而俄罗斯材料标准规定的检验力学性能的最终热处理制度多与零件的最终热处理制度不一致。

6.低倍组织
美国标准一般规定暗斑、白斑、径向偏析、环状花样4种缺陷的级别分别为A、A、B、B（PH13-8Mo 钢例外，为A、A、A、B），评级方法按ASTM A604。

俄罗斯标准一般规定，点状不均匀性、中心疏松、方形偏析不超过1级，层状结晶和光亮环不超过3级，评级方法按ГОСТ10243－75。

相对来说，美国标准对低倍要求比俄罗斯标准严格。

7.晶粒度
美国标准无论是对结构钢还是不锈钢，一般都有晶粒度的要求，而俄罗斯标准对于不锈钢一般没有晶粒度的要求。

8.非金属夹杂物
美国标准按非金属夹杂物的形态，将非金属夹杂物分为A、B、C、D四类。

而俄罗斯标准将非金属夹杂物分为6类，即点状氧化物、条状氧化物、脆性硅酸盐、塑性硅酸盐、不变形硅酸盐、硫化物、氮化物，这里既有按形状分类（如点状、条状），又有按性质分类（如氧化物、硅酸盐、硫化物、氮化物），评级比较困难，不如美国标准完全按夹杂物的形态进行分类简单明了。

对于航空用高性能结构钢，美国标准一般均有非金属夹杂物的要求，如AF1410钢既有级别要求又有视场数要求，但其它的钢一般只有级别要求而无视场数要求。

而对于高性能不锈钢（如PH13－8Mo），美国标准没有非金属夹杂物的要求。

俄罗斯标准对于某些沉淀硬化不锈钢（如08Х15Н5Д2Т和07Х16Н6）有非金属夹杂物的要求，但只有级别要求而无视场数要求。

9.发纹（纯洁度）
美国标准中没有发纹检验这个词，与之对应的是磁粉检验，用以检查钢的纯洁度。

美国标准要求磁粉检验在原材料上进行。

俄罗斯标准通常规定发纹检查由需方在成品零件上进行，有些材料如08Х15Н5Д2Т、06Х14Н6Д2МБТ和16Х3НВФМБ钢，标准中没有发纹检查要求。

10.超声波探伤
美国标准中没有超声波探伤的要求，而俄罗斯标准中对于直径较大的棒材一般均要求进行超声波探伤，但超声波探伤的要求比较低，采用的探伤标块的平底孔为3.0 mm或2.5 mm。

11. 质量保证规定
美国AMS标准的质量保证规定分为检验责任、试验分类、取样和试验、报告、重复取样和重复试验5部分。

实际上，“取样和试验”与“重复取样和重复试验”的规定完全一样，二者均引用相同的质量保证取样标准。

俄罗斯ТУ标准的质量保证规定通常包括组批规则、取样部位和数量、重复试验和判定规则。

对于只含一个牌号的材料标准，其质量保证规定既有直接规定的，也有引用某个通用标准加上补充规定。

对于重复取样和重复试验（含判定规则）的要求，美标规定每一个不合格的试样应取3倍数量的试样进行重复试验，重复试验结果有一个不合格，产品应拒收。

这里所指的力学性能，主要是指拉伸性能。

美国标准规定
3倍取样与我国标准规定的双倍取样，表面上看起来有一些差异，但实际上差别不大，因为美国标准规定的拉伸试样的取样数量为1个，而我国通常规定为2个。

俄罗斯材料标准通常规定：当某项试验结果不合格时，允许用双倍数量的试样对不合格项目进行重复试验（白点不允许重复试验）。

重复试验结果即使只有1个试样不合格，整批判不合格。

对于判不合格的一批钢材，允许供方100％检验，合格者允许重新提交验收。

美国标准对低倍、纯洁度（磁粉检验）、非金属夹杂物的重复试验没有次数限制。

因此我国标准和俄罗斯标准规定重复试验只允许进行一次，重复试验结果为最终结果，重复试验不合格整批判为不合格还是比较科学合理的。

（四）我国航空用新型高性能结构钢不锈钢纳标建议和编制方案
1.纳标建议
建议制定下列4项国军标：航空用二次硬化型高合金超高强度钢棒规范、航空用超高强度马氏体时效钢棒规范、航空用高强度沉淀硬化不锈钢棒、航空用高性能齿轮钢棒规范。

纳入我国新机研制中应用的国产化新型高性能结构钢不锈钢材料，包括16Co14Ni10Cr2Mo、23Co14Ni12Cr3Mo、TM210A、
16Cr3NiWMoVNb、0Cr13Ni8Mo2Al、1Cr15Ni4Mo3N、0Cr15Ni5Cu2Ti、0Cr16Ni6、0Cr14Ni6Cu2MoNbTi。

2.编制方案
（1）关于标准中的主要技术要求
总的来说，高性能结构钢不锈钢标准中的技术要求基本上按照相应美国标准或俄罗斯标准或国内企标的规定，但是部分技术内容应根据有关研究结果进行适当的修改，主要是在低倍和非金属夹杂物的要求方面。

对于航空用二次硬化型高合金超高强度钢棒规范，16Co14Ni10Cr2Mo和23Co14Ni12Cr3Mo钢的夹杂物要求，既不完全按美国AF1410钢的要求，也不按AerMet100钢的要求，而应统一为A、B、C、D四类夹杂物（不论粗、细）均不大于1.0级，并增加超声波探伤的要求。

对于航空用超高强度马氏体时效钢棒规范，TM210A钢低倍组织的要求不按原企标（BZ）-44-1017B-O 一般疏松、中心疏松、方形偏析均不大于1.5级的规定，而应按美国高性能结构钢的通常要求，规定为暗斑、白斑、径向偏析、环状花样的合格级别分别为A、A、B、B。

因为一般疏松、中心疏松、方形偏析主要是针对单熔炼钢的，而TM210A钢为真空电弧重熔钢。

对于航空用高强度沉淀硬化不锈钢棒规范，
0Cr13Ni8Mo2Al钢的技术要求全部按美国PH13-8Mo钢的要求。

1Cr15Ni4Mo3N和0Cr15Ni5Cu2Ti钢的热处理制度和力学性能指标应按某国产化飞机图样的要求，使原材料的要求与零件的要求一致起来。

1Cr15Ni4Mo3N、0Cr15Ni5Cu2Ti、0Cr16Ni6和0Cr14Ni6Cu2MoNbTi钢的低倍组织要求不按俄罗斯标准点状不均匀性、中心疏松和方形偏析不超过1级、层状结晶不超过3级的规定，而应按型号相关材料标准规定为暗斑、白斑、径向偏析、环状花样的合格级别分别为A、A、B、B（1Cr15Ni4Mo3N钢为B、B、B、B）。

1Cr15Ni4Mo3N、0Cr15Ni5Cu2Ti、0Cr16Ni6和0Cr14Ni6Cu2MoNbTi。

对非金属夹杂物的要求，型号相关材料标准参照GJB 2294规定的，即塑性夹杂物≤2.0级、脆性夹杂物≤2.0级、塑性夹杂物＋脆性夹杂物≤3.5级。

如此规定给非金属夹杂物的评级带来很大的困难，与目前通行的按A、B、C、D四类夹杂物进行评级的作法不一致。

建议航空用高强度沉淀硬化不锈钢棒规范对上述4种钢的非金属夹杂物的要求按表1的
规定。

这种规定既满足GJB 2294的塑性夹杂物≤2.0级、脆性夹杂物≤2.0级、塑性夹杂物＋脆性夹杂物≤3.5级的要求，评级又完全是按照A、B、C、D四类进行评级。

对于航空用高性能齿轮钢棒规范草案，低倍组织按美国航空用高性能结构钢的通常要求规定暗斑、白斑、径向偏析、环状花样的合格级别分别为A、A、B、B。

非金属夹杂物按美国航空用高性能结构钢的较低要求规定为：A、B、C类细系夹杂物不大于1.5级，粗系夹杂物不大于1.0级；D类细系夹杂物不大于2.0级，粗系夹杂物不大于1.5级。

（2）关于标准中配套的理化试验方法
建议尽快立项制定与美国AMS 2300类似的磁粉检验方法标准和与美国ASTM A604类似的低倍检验标准，以完善我国理化检测标准体系。

除磁粉检验方法标准采用美国AMS 2300和低倍检验标准采用美国ASTM A604外，其余试验方法可采用我国相关标准。

●力学性能试验方法
涉及的力学性能试验方法标准有：拉伸试验方法、冲击试验方法、硬度试验方法、平面应变断裂韧度试验方法。

对于金属拉伸试验方法，可以采用我国标准GB/T 228，但应将断后伸长率δ4转化为δ5。

对于金属夏比缺口冲击、洛氏硬度、布氏硬度试、平面应变断裂韧度KⅠC验方法，可以分别等效采用我国标准GB/T 229、GB/T 230、GB/T 231、GB/T4161。

●低倍试验方法
由于我国的低倍评级标准GB/T 1979与美国标准ASTM A604和俄罗斯标准ГОСТ10243－75差别比较大，而美国标准与俄罗斯标准相比显得更为合理一些，因此在我国目前没有一个标准与美国标准ASTM A604相当的情况下，低倍试验方法标准应采用美国标准ASTM A604。

●非金属夹杂物检验方法
由于GB/T 10561－2004与美国标准ASTM E45中的D法等效，因此非金属夹杂物检验方法标准可以采用我国标准GB/T 10561。

●晶粒度试验方法标准
因为我国标准GB/T 6394与美国标准ASTME112等效，因此晶粒度试验方法标准可采用我国标准GB/T 6394。

●发纹检验
对于仿美材料，发纹检验标准应采用美国标准AMS 2300；对于仿俄材料，发纹检验标准可采用我国标准GB/T 10121。

●超声波探伤标准
由于美国材料标准中没有超声波探伤的要求，而我国国家标准GB/T 4162比俄罗斯的超声波探伤标准先进，因此超声波探伤标准可采用我国标准GB/T 4162。

●化学成分分析方法及其允许偏差
化学分析方法标准可采用我国相应标准GB/T223。

由于俄罗斯没有专门的化学成分允许偏差标准，而我国标准GB/T 222与美国标准AMS 2248和AMS 2259相当，因此化学成分允许偏差标准可采用GB/T 222。