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