航空航天范围所用的不锈钢种类主要包含马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
1、马氏体不锈钢(martensiticstainlesssteel)马氏体不锈钢以马氏体为基体,既具备基本的耐蚀性,又能通过热处置强化,因而具备好的力学性能,广泛用于制造紧固件、结构件、轴承、汽轮机叶片等。410不锈钢是低碳马氏体不锈钢,在淬火、高温回火后用,强度在500MPa以上,强度、塑性和韧性配合较好。在飞 机上可用于制造承力紧固件,还可以用于制造汽轮机叶片、水压机阀等。431不锈钢是在410不锈钢的基础上提升了C和Cr元素含量,并添加了2%的Ni。在淬火、回火后抗拉强度达到1200MPa以上,最 高用温度能达到400℃,可用于飞 机发动机的压气机转子叶片、整流叶片、压气机机匣、内外环、承力螺栓和吊挂等。在410不锈钢的基础上,进一步合金化,进步了马氏体热强不锈钢。这种钢强度高,耐热温度可达550℃,主要用于航空发动机的压气机盘和叶片。海外此类型型的不锈钢有美国的419、422,英国的H46、HGT4,俄罗斯的ЭИ736、ЭИ961等。国内自上世纪60年代起开始革新研制GX-8热强不锈钢是在俄罗斯ЭИ961钢的基础上,适合调整W、Mo、V强化元素的含量,并用Nb补充强化。GX-8钢比ЭИ961钢具备更高的室温强度、耐热性和耐腐蚀性,用于航空发动机的转子叶片、静子叶片和颈轴等部位。
在航天航空工业中所用的马氏体不锈钢的代表性的钢号为1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18Mo等。其中1Cr13、1Cr17Ni2用以制作具备好强度和韧性的零件,发动机周围排气通路等零件,火 箭燃料贮罐(如图1所示)。2Cr13和9Cr18Mo用于制造硬度零件,如杆、销钉等。9Cr18Mo也用来制作高温周期运动零件盒油压零件、紧固件等。
2、奥氏体不锈钢(austeniticstainlesssteel)奥氏体不锈钢因为含有较高的铬(Cr)和镍(Ni),因此具备优良的耐腐蚀性和抗氧化性与较高的高温蠕变强度,广泛的被应用于各类导管、垫片与铆钉等。
301、302、303、304、316、321不锈钢均是18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢。301不锈钢具备好的抗氧化性和冷成形性,用于飞 机机体上相对于铝合金来讲工作环境温度过高的面板、加大片、垫板等零件。因为Cr、Ni合金元素含量最少,301不锈钢奥氏体稳定性差,但冷作硬化能力较强。302不锈钢与301不锈钢相比抗拉强度稍低但耐蚀性能较好。303不锈钢在18Cr-8Ni基础上添加了硫以改变机械加工性能,其主要用于高温螺母、丝杆及三通管等。304不锈钢减少了
碳含量并适合提升了Cr、Ni元素含量,耐蚀性得到进一步提升。316不锈钢在18Cr-8Ni的基础上添加了2%-3%的Mo,耐蚀性和高温下的抗拉强度得到了提升,主要用于航空器材的发动机零件和排气管等部位(如图2所示)。
3、沉淀硬化不锈钢(Precipitationhardeningstainlesssteel)沉淀硬化不锈钢是20世纪40年代 进步起来的一类超高强度不锈钢。沉淀硬化不锈钢是通过添加Mo、Ti、Al、Nb、Cu等元素,在时效过程中析出金属间化合物和某些碳化物以提升强度。沉淀硬化不锈钢既维持了奥氏体不锈钢的优良的焊接性、冷加工成型性和耐蚀性,又比马氏体不锈钢具备更高的强度。其在航天航空范围主要被用于制造舱盖锁闸、高强度螺栓、弹簧等各类零配件。
在航天航空工业中所用的沉淀硬化不锈钢的代表性的钢号为牌号有17-7PH、PH15-7Mo、17-4PH、PH13-8Mo、15-5PH、AM350、Custom455、Custom465、Custom475等。如“阿波罗”人造卫 星后遮板用PH14-8Mo,宇宙飞 机的紧固件用A-286,XB-70大型飞 机的翼桁用15-5PH。
17-7PH是控制相变型沉淀硬化不锈钢,该不锈钢在固溶处置冷却至室温时,仍保留奥氏体组织,因而易于加工成形,在经过适合处置最后转变为马氏体组织,达到优良的力学性能水平。17-7PH不锈钢既有高的强度,又有好的耐蚀性,而且焊接性能好,可用于350℃以下长期工作的结构件,海外广泛用于航空薄壁结构件、压气机盘与各类容器、导管、弹簧等。PH15-7Mo是17-7PH的进步型,是用2%Mo代替了2%Cr,从而获得了更高的强度。上世纪70年国内研制了控制相变型沉淀硬化不锈钢69111,其各项性能与海外的17-7PH、PH15-7Mo钢相似,但Cr、Ni元素含量比PH15-7Mo钢低20%-30%,现在用于制造航空器材液压系统的三通、四通、弯管嘴等零件与座舱结构件、发动机吊挂螺栓等。
17-4PH钢是马氏体沉淀硬化不锈钢,具备较高的强度、耐蚀性、抗氧化性和焊接性能。其强化成效源于马氏体相变和富铜相的沉淀强化。适用于制造工作温度400℃以下的高强度耐蚀零件,如飞 机、导 弹的紧固件、发动机机匣的前后安装边与发动机反推装置中的加大板、支架、接头等。
PH13-8Mo钢是20世纪50年代末海外研制的超高强度沉淀硬化不锈钢,具备超高强度、高硬度与优秀的耐蚀性和抗应力腐蚀能力,允许大尺寸零件热处置空冷,适合制造大截面尺寸零件。PH13-8Mo钢用于F-16飞 机发动机机架、F111起落架接头与C-17飞 机装卸货用销子、航空用固定销、轴类件等部位。
Custom455、Custom465、Custom475是马氏体时效不锈钢,是沉淀硬化不锈钢的一种,其使用了低碳板条马氏体和时效强化机理,是不锈钢中强度水平最 高的。Custom475钢在H950状况下的抗拉强度可达1979MPa,但此类不锈钢的屈强比过高,零件一旦过载容易忽然断裂,不利于事故的预防。现在,马氏体时效不锈钢已应用于航空高强度紧固件、螺栓、齿轮、飞 机起落架(如图3所示)等部位。
4、结语航天航空工业的进步,尤其是新型飞 机的进步需要强度高、韧性好、耐蚀性好的结构材料。虽然不断出现各类新材料,但不锈钢材料在弹性模量、冲击韧性和强度等方面依旧具备非常大的优势,在今天和可预见的将来,仍将是一种不可替代的重要材料之一。




