六合联盟铁基航空合金的新需要,二种适用于飞

Carpenter 技术公司James M. Dahl博士进入新世纪,民用与军用飞机合金的选择设计标准发生了巨大变化。过去的设计标准主张追求更高、更快和更远的目标而不计成本,已不适应时代的发展。新的设计要求包括:一是减少瑕疵、增加使用寿命和降低维修和飞行成本;二是寻求更廉价的零件与部件,以降低产品生命周期成本;三是对更环保的"绿色"部件的需求,如淘汰需要以铬和镉进行表面处理的部件。这些要求使得H-11和300M等一些标准合金失宠,尽管这些合金异常坚硬,但却易产生应力腐蚀断裂。本文介绍了五种新型合金,这五种合金具有延长使用寿命和降低寿命周期成本的优点。它们可用作曾用于起落装置(占飞机空载重量的5%~15%)、机身部件和发动机(占发动机重量的20%)的铁基合金的替代品。起落装置大多数起落装置故障是因为应力腐蚀断裂或韧度不足而出现的。为解决这个问题,Carpenter公司开发了AerMet 100 合金,它是第一种兼具两种级别的合金,曾经加热处理至超高强度,用于起落装置部件及其他飞机零件。这种合金具备异乎寻常的高强度、高硬度和断裂韧度,以及良好的延展性及抗应力腐蚀断裂性。它的最大拉伸强度达2069 MPa,而最小断裂韧度 仅为110 MPa √M。该合金已被用于美国海军F/A-18 E/F战斗机的前起落架和主起落架,并且由于其独特的性能,这种超高强度钢材也被用于其他领域(如制动钩的锚杆、紧固件和各种结构零件),以取代300M、AF 1410、AISI 4340或其他低合金钢。与广泛使用的300M相比,AerMet 100合金具备多个重要优点: 断裂韧度比300M高三倍(不会因起落装置断裂导致飞机失事); 临界裂缝仅约6.35mm(从而降低了检验成本); 生锈和凹陷速度缓慢(从而延长了服务疲劳寿命); 强大的防弹性(被撞击也不会断裂或破碎); 在过时效处理条件下进行热处理不会改变合金尺寸(表示精加工机械成本将降低);最高工作温度达400°C ,且经3000小时的暴露后,其特性基本不变。在AerMet 100基础上发展的新一代产品名为Carpenter AerMet 310 合金,它比AerMet 100合金的强度高10%,且其延展性或抗应力腐蚀断裂性也毫不逊色。比较一直以来用于起落装置的标准合金而言,这两种合金具备更出色的高温性能。AerMet 310合金不仅具有史无前例的高比强度,而且在材料高强度下兼具异乎寻常的高韧度和延展性,这使它成为下一代起落装置和其他飞机部件的极佳选材。比如,使用AerMet 310合金可以使大型飞机起落装置的体积更小,并且使用普通油漆就可以,不需要使用因政府关注环保而禁用的铬或镉涂层。Carpenter AerMet 310合金可达到的最大拉伸强度为2170 MPa;比强度高达27.5 km,高于其他合金(包括因具备高比强度而为人所知的钛);韧度值为4340;经双真空熔炼,其纵向断裂韧度达71 Mpa √m。大量测试表明,该类合金具有极理想的KIC/YS比率(断裂韧度与屈服强度的比率)。这一特性使得设计师能够利用该合金的高强度制造出更多耐磨损的零件。机身部分机身零件和部件一直以来都以4130或4330型合金钢制成,但这些合金易生锈,必须作涂层或电镀处理,而新型合金Carpenter Custom 465 不锈钢却无需进行任何表面处理。这种不锈钢集高强度、高断裂韧度、高耐蚀性以及高抗应力腐蚀断裂性于一身,性能无与伦比。Custom 465型不锈钢的强度与广泛用于机身部件的传统合金钢相差无几。然而,Custom 465型不锈钢凭借其良好的耐蚀性,有望降低产品寿命周期成本(这对于传统合金钢而言是一个困扰已久的问题)。Custom 465型不锈钢顶时效处理后的最大拉伸强度为1790 MPa 。在此条件下,它仍保持着较其他级别PH钢材更高的缺口拉伸强度和断裂韧度。在H950条件下进行过时效处理时,其最大拉伸强度为1775 MPa。这是一种精炼的马氏体时效硬化合金,与其他高强度PH不锈钢相比,加工参数限制较低。其相对较低的退火后屈服强度和低加工硬化率,使该合金成为制造紧固件和小直径线材的理想选材。这种钢材的冷拉收缩率可超过90%,且无需中途退火。这种合金经拉伸和时效处理后,强度可达到2070 MPa 以上。在H1000条件下进行时效处理时,Custom 465 不锈钢的断裂韧度超过110 MPa √m,而Custom 455 不锈钢约为77 MPa √m。Custom 465 不锈钢的耐蚀性与Custom 455不锈钢和PH 13-8 Mo不锈钢相当,并接近304型不锈钢,但其强度却大大超出其他三类不锈钢。在最大拉伸强度为1517~1655 MPa下进行过时效处理后,其抗应力腐蚀断裂性跟其他两种PH不锈钢在最大拉伸强度为1310 MPa下的抗应力腐蚀断裂性相差无几。另一种常用于机身部件的合金是15Cr-5Ni PH不锈钢。同其他等级的PH不锈钢一样,对15Cr-5Ni切削稍有难度。近期商用飞机的需求量很高,而许多机械厂却不具备大量生产15Cr-5Ni零件的能力,难以满足机身制造商的定购需求。如今,具有良好切削性的新合金产品已经问世,即Carpenter Project7000 15Cr-5Ni 不锈钢。这种不锈钢符合AMS 5659的所有要求,并可被认为是替代标准等级合金的新产品,其切削性大为改善。初步试验结果为:多重操作制造设施的生产力提高了145%;走刀速度快三倍、走刀量快三倍、铣削操作时的切削深度大五倍,而切削刀具并无出现锻烧;工具使用寿命翻一番,车削走刀量和速度各增长20%。该合金的应用可提高生产力,延长工具使用寿命,降低原始设备制造商 的零件成本。发动机燃气涡轮喷气发动机的性能好坏,关键在于高压压缩机的气流控制紧密与否,尤其是温度超过650°C 的发动机尾部。从压缩机叶片向前或向后渗出的气流将影响燃料消耗和空气动力的稳定性。设计师的目标在于使旋转的压缩机叶片末端与压缩器内环箱固定部件之间的间隙尽量窄小,维持所有温度变化下的最小间隙,对优化发动机推力、效率、燃料经济性、飞行范围以及零件寿命至关重要。Carpenter Greek Ascoloy是一种可硬化的铬镍钨马氏体合金,它和受控膨胀超耐热合金(如Carpenter CTX-3 和CTX-909)均可用于制造高压压缩机机箱。Greek Ascoloy的膨胀系数相对较高,而另两种受控膨胀合金在高温下均需覆以涂层,方可长期抗氧化。Thermo-Span 合金是新型受控膨胀超耐热合金,比上述主要合金具有更多优势。除机械特性与718型合金相似外,当Thermo-Span合金处于室温与其320°C 的居里温度或转变温度(即热膨胀系数随温度的升高而增大的临界点)之间时,其热膨胀系数较低且基本不变。这一居里温度以及低热膨胀系数使正常飞行状态的压缩机达致最佳效率。当发动机处于高推力状态下,该合金在超出居里温度时具备较高的膨胀性,其性能可发挥得淋漓尽致。Thermo-Span合金具备较高的高温抗氧化性,无需涂层即可在温度接近676°C 下使用。与传统受控膨胀合金相比,Thermo-Span合金具有更优越的耐蚀性、更高的热稳定性、良好的拉伸特性,以及加工成精细颗粒时的良好耐氢脆化性。此外,在采用该合金的发动机压缩机的整个运行过程中,它还提供卓越的耐蠕变性和微结构稳定性。总之,这种新型合金将向发动机制造商提供更佳的性能、更长的部件使用寿命和更低的寿命周期成本。

Two Advantage PH Stainless Steels for Aerospace Parts 西奥多·科萨、大卫E·沃特/Theodore Kosa,David E. Wert析出硬化不锈钢越来越多地应用于航空领域,原因是这种产品具有时效硬化性能,适用于各种高强度水平和极端恶劣的环境。本文介绍两种先进的PH不锈钢合金,它们能符合航空零部件制造商严苛而又各自不同的需要。Carpenter Custom 465 不锈钢Carpenter Custom 465不锈钢(以下简写为Custom465)是一种优质熔炼的马氏体不锈钢,与Custom 455不锈钢或PH 13-8 Mo不锈钢等其他高强度PH不锈钢合金相比,更好地结合了高强度、断裂韧度及耐应力腐蚀破裂等性能。Custom 465不锈钢被视为合金钢零部件的改良材料,可取代目前需要镀镉或镀铬的制品。此外,它还可取代目前以15Cr-5Ni或Custom 630 PH不锈钢制造的部件,使其强度更高、尺寸更小及/或重量更轻。Carpenter公司开发的这种产品,旨在满足航空业对于能确保飞机飞行长达30年或更长时间、同时毋需太多保养的高可靠性材料的持续需要。由于其高性能特点,这种改良合金可用于制造襟翼导轨、传动装置、发动机挂架、起落架金属设备等构件。Custom465不锈钢的特点包括:强度高。Custom 465不锈钢是所有商用PH不锈钢合金中强度最高的产品,在H900顶时效处理条件下,具有约1795 兆帕的最大拉伸强度,同时还可保持高缺口拉伸强度及断裂韧度。一般而言,这种钢材对加工参数的敏感度较其它高强度PH不锈钢弱。由于退火后的屈服强度相对较低,加上冷加工硬化率较低,使得这种合金适于制造紧固件及小直径线材。Custom 465不锈钢可通过冷拉方式达到超过90%的缩减量,且毋需中途退火。另外,这种材料冷拉及时效处理后可达到2070 兆帕的强度。Custom 465长期暴露于高温时,具备优异热稳定性。耐蚀性好。Custom 465不锈钢的一般耐蚀性接近304型不锈钢。在温度为35℃、浓度为5%的中性盐水喷雾中(按ASTM B117)暴露200小时后,这种不锈钢仅会少量生锈或不会生锈。如按室温在浓度为3.5%的NaCl溶液中进行双悬臂梁测试,结果显示:Custom 465不锈钢在过时效条件下仍然具备良好的耐应力腐蚀破裂度,而且这种性能会随着时效温度的升高而进一步改善(即 KIscc增加)。Custom 465合金的耐应力腐蚀破裂度与PH 13-8 Mo及Custom 455不锈钢相当,不过其强度更高,若在同等强度下,则优于其他两种产品。作为航空选材,Custom 465不锈钢可在510℃或更高温度的时效处理下,产生显著的抗氯化物应力腐蚀破裂性能。这种性能使之强度水平远远超过其他PH不锈钢可能具有的强度水平。实际上,在H900至H1150范围中的任何时效条件下,新合金的最大拉伸强度均高于其他商用PH不锈钢。因此建议多数场合使用H900至H1000时效条件,以充分利用这种合金的高强度性能。如逐步增加时效温度直至621℃,可获得其他特性组合。Carpenter Project 70 15Cr-5Ni 合金在正常的航空制造周期中,制造厂如使用传统合金制造部件,经常发生由于材料切削性较差无法满足生产进度的问题。Carpenter 生产的Project 70 15Cr-5Ni 合金(以下简写为Project 70合金),就是基于航空业和其他行业对增强切削性的特别需要开发的新型合金产品。Project 70合金是一种经真空回熔、析出硬化的马氏体不锈钢,制造厂在切削这种合金时,可增加走刀速度与走刀量。与数十年来一直广泛用于航空部件的传统15Cr-5Ni不锈钢相比,Carpenter公司通过谨慎调整合金的组成以及处理化学与现代钢铁加工方法之间的微妙关系,使新产品的切削性得到提高,更适用于对切削生产效率有更高要求的部件的生产,具有可减少部件加工成本、缩短生产周期并提高生产率的作用。同时,它符合航空业对成份、耐蚀性及机械特性的所有要求。根据公司进行的螺纹切削机测试结果表明,在采用高速钢刀具,按固定走刀速度及走刀量不停制造标准部件,直至因刀具磨损而终止测试的状况下,在达到预定的工具磨损量之前,用Project 70不锈钢能比用传统15Cr-5Ni合金提高部件生产率11倍。在H1025和H1150条件下,用Project 70不锈钢能较商品合金提高部件生产率3.5倍及2倍。成功应用的范例位于康涅狄格州的从事武器生产的工厂,最初曾经采用传统15Cr-5Ni不锈钢生产一种新型左轮手枪的枪管,尽管这种合金在强度及耐蚀性方面确实符合所有的设计要求,但它的最大缺点是不易切削。这家公司生产这种枪管的步骤是,以0.71 IPM的缓慢速率在外径为3.175厘米、长为48.26厘米的钢棒上钻一个直径1.176厘米的孔(然后在心轴上以锤锻造,切割为三个长18.375厘米的枪管),用传统的15Cr-5Ni不锈钢材料时,整个过程耗时28分钟。采用从15Cr-5Ni合金改良而成的Project 70不锈钢后,不仅大大提高了工具的寿命,还将钻孔周期缩短20%。由于具有优良的横向机械特性,这种新型合金能承受由超大弹药筒产生的高应力。结果该公司生产出全球威力最大的商用左轮手枪。应用于航空领域的结果同样十分惊人。某部件制造商在切削一种需涉及铣削、钻探、车削、钻孔及搓丝等多道工序的部件时,将生产率提高了145%。另一家从事简单车削操作的公司,周期缩短了1/3 ,并使工具使用寿命延长了50%。又比如另一家部件生产商,在铣削这种改良合金时,走刀速度和走刀量可以提高3倍,并且切削深度增加了5倍,同时切割刀具又不会受到任何磨损。主要适用场合Project 70不锈钢可广泛用于航空业的各类应用中。由于这种合金具备高强度及硬度,加上卓越的耐蚀性,因而成为生产杆端轴承、传动装置、起落架结构及发动机零件(例如支架及反推力装置部件)等航空结构部件的理想选择。此外,这种合金还可视为传统15Cr-5Ni不锈钢经改良切削性之替代品,用于枪管、阀门零件、装备、紧固件、轴、齿轮及加工设备等各类工业应用中。无论是测试还是实际工作经验都显示,合金条的尺寸对这种材料的切削性无任何影响。除切削性得到改善外,Project 70不锈钢合金还可镦造、滚压及透过冷加工形成其他形状。此外,可对这种合金进行锻造,还可通过屏蔽熔炼及电阻焊接对合金进行焊接。耐蚀性好。Project 70不锈钢的整体耐蚀性接近304型不锈钢,并与Carpenter 15Cr-5Ni及Custom 630 不锈钢的耐蚀性相似。通过以552°C及更高温度进行时效硬化处理,该不锈钢具备良好的耐应力腐蚀破裂度。在接近593°C温度下,这种改良合金展示卓越的抗氧化性能。与传统15Cr-5Ni合金相似,经固溶退火或在482℃至 621℃的温度下进行时效硬化处理后,Project 70不锈钢即使暴露在ASTM B117盐雾测试中200小时,也很少或不会生锈。不过,要获得最佳耐蚀性,还需经过化学钝性处理,使用硝酸及柠檬酸皆可。机械特性好。由于Project 70不锈钢的机械特性与其基础合金15Cr-5Ni相当,因此可作为后者的直接替代品。两种合金的机械特性、成份及微结构都符合AMS 5659规格。值得注意的是,在H925条件下,Project 70不锈钢不仅可达到通常规定的1242兆帕~1380兆帕最大拉伸强度要求,同时仍可保持良好的纵向及横向断裂韧度。时效温度越高,不锈钢的韧度及延展性也会改善,而强度性能也会随之降低。由于Project 70不锈钢产品具有同质性,其纵向及横向特性之间的差别非常微小。(美国Carpenter Technology公司供稿)

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