袁文明 金春玉
(1.北京航空材料研究院,北京 100095;
2.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150066)
直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼是指對力學(xué)性能指標(biāo)上下限范圍進(jìn)行嚴(yán)格控制,確保制件冶金質(zhì)量均勻和批次性能穩(wěn)定的一類材料。這類材料大部分用于直升機(jī)受力較大且受力情況較復(fù)雜的部位,大部分鍛件屬于關(guān)鍵件或重要件。直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼材料的驗(yàn)收要求非常嚴(yán)格,與國內(nèi)其它標(biāo)準(zhǔn)相比,高均質(zhì)性鋼材不僅強(qiáng)度和硬度有上下限控制,還通過100%超聲檢測來控制內(nèi)部缺陷,材料加工成零件后還通過100%均質(zhì)性檢驗(yàn)(包括硬度檢測等)來保證材料制件的性能均勻性。
直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼材的國外標(biāo)準(zhǔn)有法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲直升機(jī)公司標(biāo)準(zhǔn)。法國高均質(zhì)性鋼宇航標(biāo)準(zhǔn)主要為AIR。但是歐洲直升機(jī)公司從上世紀(jì)末開始,編制了一系列高均質(zhì)性鋼的公司級標(biāo)準(zhǔn)后,AIR標(biāo)準(zhǔn)就不再使用了。歐洲直升機(jī)公司高均質(zhì)性鋼鍛件通用標(biāo)準(zhǔn)為IGC,原材料專用標(biāo)準(zhǔn)為ASNA、IGC等,這些專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的冶煉方法是電渣重熔、真空重熔或更高級的熔煉方法,其技術(shù)要求除了5大力學(xué)性能指標(biāo)(σb、σp0.2、δ5、HB、AK)、金相(顯微組織、低倍、晶粒度、夾雜物)外,還有疲勞性能、超聲波和鍛件的批次均質(zhì)性要求。其中,σb和HB指標(biāo)都規(guī)定了上下限值,并且用硬度檢測鍛件的批次均質(zhì)性。與國內(nèi)的國軍標(biāo)和航標(biāo)相比,技術(shù)要求的項(xiàng)目多了很多項(xiàng),夾雜物指標(biāo)要求也高,這種嚴(yán)格控制對零件性能穩(wěn)定和疲勞壽命保證將起到重要作用。
從上個(gè)世紀(jì)90年代以來,我國直升機(jī)上已經(jīng)使用了多年高均質(zhì)性鋼材,該類材料在新型武裝直升機(jī)和通用直升機(jī)上的需求量有增加的趨勢,但是目前還沒有行業(yè)以上的高均質(zhì)性鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),目前,高均質(zhì)性鋼的生產(chǎn)和驗(yàn)收仍處于使用型號專標(biāo)、國外標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議的不規(guī)范狀態(tài)。因此急需編制統(tǒng)一規(guī)范的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),為新型直升機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。
直升機(jī)主要通過高速旋轉(zhuǎn)的旋翼提供升力、前進(jìn)力,通過變向變速傳遞渦軸動力,并靠尾槳實(shí)現(xiàn)平衡與方向操縱,機(jī)身結(jié)構(gòu)無氣動加熱,機(jī)身下部要求抗墜毀,使用環(huán)境條件惡劣多變,且要求具有高的使用可靠性和長的使用壽命,因此,與其他機(jī)械裝備相比,直升機(jī)對其所用材料要求非常嚴(yán)格。不僅要求較高的比強(qiáng)度、比剛度,承受各種拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和剪應(yīng)力等,保證直升機(jī)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求;還要求較好的疲勞性能,承受旋翼高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的各種疲勞、振動載荷,保證直升機(jī)動強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。
直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼設(shè)計(jì)要求如下:
一是具有高比強(qiáng)度(σb/ρ),高比剛度(E/ρ),以減輕直升機(jī)結(jié)構(gòu)重量,增加直升機(jī)運(yùn)載能力,提高其機(jī)動性,加大航程,減少燃油消耗;
二是旋翼與傳動系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動部件所用材料要具有高的抗疲勞性能,以防止直升機(jī)關(guān)鍵件疲勞斷裂失效;
三是起落架等部件用鋼應(yīng)滿足較高的抗應(yīng)力腐蝕及斷裂韌性要求,以保證其獲得高的抗墜、防腐性能和可靠性;
四是應(yīng)嚴(yán)格貫徹材料標(biāo)準(zhǔn)要求,控制材料均質(zhì)性,以保證直升機(jī)在規(guī)定的使用壽命期內(nèi)具有使用可靠性與安全性。
最近20年來,通過直升機(jī)用材料的國產(chǎn)化研制,我國已引進(jìn)了15CDV6、16NCD13、30CD12、30NCD16、32CDV13、35NCD16;Z12CNDV12、Z12CN 13、Z15CN17–03、Z–50N M C12(Z–55NMC12–05)等歐洲直升機(jī)用高均質(zhì)性結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼材料,并廣泛應(yīng)用于在研在制的各型號直升機(jī)中。與國內(nèi)同類型的其他材料相比,高均質(zhì)性鋼具有純凈度高、強(qiáng)韌性配合良好、冶金質(zhì)量和性能均勻性好等特點(diǎn),上述材料是按歐洲直升機(jī)用材料標(biāo)準(zhǔn)并采用先進(jìn)的冶煉方法生產(chǎn)的,與過去相比,直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼新材料在技術(shù)水平上明顯上升了一個(gè)臺階。
1.2.1 15CrMoMnVA/E(15CDV6)
一種高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼,淬火加高溫回火后具有高的強(qiáng)度、好的塑性和韌性、良好的沖壓性能和焊接性能,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,可焊接任何復(fù)雜的構(gòu)件,焊后不需進(jìn)行熱處理。適合制造截面較小的焊接件和鈑金件。
1.2.2 16Ni3CrMoA/E(16NCD13)
一種低合金滲碳鋼,該鋼具有突出的塑性、韌性和良好的淬透性,由于鋼中加入了一定量的合金元素鉬,降低了鋼的過熱敏感性,使鋼的工藝性能有所提高。經(jīng)滲碳并淬火加低溫回火,表面具有很高的硬度,心部又有好的強(qiáng)度與韌性的配合。該鋼鍛造和切削加工性能良好,適宜制造高級齒輪。
1.2.3 30Cr3MoA(30CD12)
一種低合金、高強(qiáng)度、高韌性、化學(xué)熱處理優(yōu)良的氮化鋼,經(jīng)氮化處理后,表面硬度高,耐磨性好,且氮化層脆性小,適于制造齒輪、軸類等重要受力零件。
1.2.4 30CrNi4MoA(30NCD16)
一種高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼,淬透性很好,調(diào)質(zhì)處理后可在大截面上獲得均勻的高強(qiáng)度及高的塑性、韌性配合,冷脆轉(zhuǎn)變溫度低,缺口敏感性小,抗疲勞性能好,該鋼無明顯的回火脆性,切削性能中等,適宜制造截面較大的重要受力零件。
1.2.5 32Cr3MoVA(32CDV13)
一種中碳低合金滲氮鋼,該鋼具有高的淬透性,良好的綜合力學(xué)性能,用V代替Al后材料滲氮性好,滲氮后表面可獲得高的硬度和耐磨性,芯部有良好的強(qiáng)度與韌性配合,可取代38CrMoAlA滲氮鋼,用于制造直升機(jī)傳動系統(tǒng)的錐齒輪、齒輪軸等重要零件。
1.2.6 35Cr2Ni4MoA(35NCD16)
該鋼具有高的淬透性,且無明顯回火脆性,冷脆轉(zhuǎn)變溫度較低,疲勞強(qiáng)度較高,該鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)或淬火加低溫回火狀態(tài)下使用,適于制造截面較大、承受疲勞載荷的關(guān)鍵件與重要件,如傳動齒輪、傳動軸、接頭、螺栓等。
1.2.7 1Cr12Ni3MoVA/E(Z12CDV12)
該鋼具有較高的中溫抗蠕變性能、抗疲勞性能和抗腐蝕性能,滿意的焊接性能和成型性能,可在500℃以下使用。適用于制造航空發(fā)動機(jī)的低壓壓氣機(jī)一級轉(zhuǎn)子軸機(jī)匣、燃燒室外套、安裝邊和支承座等。
1.2.8 1Cr13Ni(Z12CN13)
該鋼與國內(nèi)通用馬氏體鋼1Cr13相比,具有較好的淬透性和抗氧化性。該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,具有較高的強(qiáng)度、韌性和良好的減震性,適用于制造在腐蝕介質(zhì)和沖擊載荷條件下工作的零件,如發(fā)動機(jī)連接管、襯套及安裝邊等。
1.2.9 1Cr17Ni3A(Z15CN17–03)
該鋼的δ-鐵素體含量明顯低于1Cr17Ni2,橫向性能比1Cr17Ni2明顯改善,拋光性能、切削加工性能及冷沖壓成形性能亦好,并可用各種方法焊接,但焊后須進(jìn)行高溫回火或調(diào)制處理。適用于制造要求較高強(qiáng)度、韌性、塑性和良好耐蝕性的零部件。
1.2.10 5Ni12Mn5Cr3Mo(Z–50NMC12、Z–55NMC12–05)
該鋼不但具有較高的強(qiáng)度、韌性、塑性和良好的冷熱成形性,還具有較好的抗氧化性和耐蝕性,不能通過熱處理強(qiáng)化,一般在氮化后使用,進(jìn)行氮化處理后可提高表面耐磨性。該鋼切削加工性能良好,多用于制造航空發(fā)動機(jī)燃油調(diào)節(jié)器中的襯套、噴嘴、外罩、活塞等重要零件。
國內(nèi)現(xiàn)有10種直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼所涉及的材料標(biāo)準(zhǔn)有型號專標(biāo)、撫鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))、法國宇航標(biāo)準(zhǔn)、歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)和美國宇航材料標(biāo)準(zhǔn),及相關(guān)理化試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)共170余份。
法國宇航(AIR)材料標(biāo)準(zhǔn)基本上按合金種類編制了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里包含多個(gè)牌號、多個(gè)品種。歐洲宇航公司的材料標(biāo)準(zhǔn)(ASNA)由一個(gè)牌號、一個(gè)使用狀態(tài)、一個(gè)強(qiáng)度級別、一個(gè)品種編制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),因此ASNA標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量很多。法國宇航(AIR)材料標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司材料標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分、冶煉和制造方法、尺寸、狀態(tài)和性能等材料特性要求和指標(biāo),在附錄中以表格的形式列出,能很方便地查找所需的技術(shù)要求,尤其是方便了設(shè)計(jì)人員。美國航空用結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)(AMS)是由一個(gè)牌號、一個(gè)性能級別、一個(gè)品種或多個(gè)品種構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。從技術(shù)內(nèi)容上看,歐洲宇航公司材料標(biāo)準(zhǔn)要求最嚴(yán),與其它標(biāo)準(zhǔn)相比,不僅強(qiáng)度和硬度有上下限控制,還通過100%超聲檢測來控制內(nèi)部缺陷,材料加工成零件后還通過硬度檢測來保證材料的性能均勻性。
2.1.1 冶煉方法
型號專標(biāo)和撫鋼企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的冶煉方法都是電渣重熔、真空重熔或電渣重熔和真空重熔;法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn),關(guān)鍵件用的材料采用真空感應(yīng)或真空自耗電極重熔,其它材料采用了空氣熔煉;AMS標(biāo)準(zhǔn)的超高強(qiáng)度鋼及高強(qiáng)度不銹鋼的冶煉方法為真空自耗電極重熔或真空感應(yīng)+真空電弧重熔。
2.1.2 化學(xué)成分
10種高均質(zhì)性鋼材料的法宇航標(biāo)準(zhǔn)、歐洲直升機(jī)公司標(biāo)準(zhǔn)、我國型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的碳、錳、硅和主元素的成分相同,而硫、磷雜質(zhì)含量和殘余元素有所區(qū)別。
法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲直升機(jī)公司標(biāo)準(zhǔn)對殘余元素(Cu、Al、Ti等)沒有要求,而國內(nèi)型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),除1Cr17Ni3A外對殘余元素含量都有控制要求。
型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硫、磷雜質(zhì)含量,除1Cr13Ni和5Ni12Mn5Cr3Mo外,均嚴(yán)于法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和ASNA系列標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.3 力學(xué)性能
法國宇航標(biāo)準(zhǔn)、歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能分級、檢測項(xiàng)目、指標(biāo)和參考熱處理制度大部分相同,個(gè)別的參考熱處理溫度范圍和力學(xué)性能有所區(qū)別,但區(qū)別不大;沖擊性能缺口有所不同:法國宇航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的驗(yàn)收值是U型缺口的沖擊值,歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的驗(yàn)收值是V型缺口的沖擊值,型號專標(biāo)大部分材料同時(shí)給出了U型和V型缺口的沖擊韌性驗(yàn)收值。
2.1.4 金相組織
低倍組織:型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低倍要求較法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì),但這些標(biāo)準(zhǔn)的檢測要求只適合于判定電爐鋼,不適合于自耗電極重熔鋼低倍缺陷的判定,標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)規(guī)定暗斑、白斑、徑向偏析和環(huán)狀花樣的缺陷分析。
非金屬夾雜物:型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的非金屬夾雜物級別根據(jù)冶煉效果,規(guī)定了不同的級別,其級別相當(dāng)于法國宇航標(biāo)準(zhǔn)的2級到4級之間。歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的特殊冶煉鋼非金屬夾雜物級別為3級或4級。
晶粒度:型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的晶粒度要求基本與美宇航標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng),為7級,個(gè)別5級,但法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲直升機(jī)公司標(biāo)準(zhǔn)的特種冶煉鋼標(biāo)準(zhǔn)的晶粒度為7級,偏高于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.5 無損檢測
超聲波檢驗(yàn):型號專標(biāo)及遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的超聲波級別基本上介于國內(nèi)超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)的AA級和A級之間,個(gè)別低于A級,且個(gè)別指標(biāo)的規(guī)定也不完善。ASNA系列材料標(biāo)準(zhǔn)全部要求進(jìn)行超聲波檢測,特殊方法冶煉的材料超聲波驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均為AA級,其余都是A級。法國宇航標(biāo)準(zhǔn)對超聲波的要求是需方有要求時(shí)才檢測,要求的級別與歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)相同。
磁粉檢驗(yàn):型號專標(biāo)和遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的專用標(biāo)準(zhǔn)磁粉檢驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo)介于法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的3級和4級之間,只限于樣件的發(fā)紋檢測,而法宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的磁粉檢驗(yàn)的目的是檢測外觀質(zhì)量和非金屬夾雜物。
2.1.6 外觀質(zhì)量
法宇航標(biāo)準(zhǔn)對表面缺陷的特征描述得較簡單,缺陷清除后只要滿足公差要求視為合格。歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的外觀質(zhì)量要求,相對于法國宇航標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)一些,鐵磁性材料表面質(zhì)量要求用磁粉檢測,但缺陷清除后與法國宇航標(biāo)準(zhǔn)一樣,只要滿足公差要求視為合格。
美國AMS標(biāo)準(zhǔn)對外觀質(zhì)量的要求也相對簡單,對表面缺陷的特征描述的也簡單,只是規(guī)定:熱軋或冷拔或經(jīng)磨、車或拋光的鋼棒,表面應(yīng)無裂紋、折迭、撕裂,磨、車或拋光表面應(yīng)無開裂。
我國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)對外觀質(zhì)量的要求較具體,對表面缺陷的特征描述得很詳細(xì),清除缺陷要求也高于法國宇航標(biāo)準(zhǔn)、歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2.2.1 檢驗(yàn)責(zé)任
型號專標(biāo)和遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有要求,而國外標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了供方檢驗(yàn)責(zé)任。
2.2.2 組批規(guī)則
國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和美國AMS標(biāo)準(zhǔn),相比法國宇航標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)有所嚴(yán)格,主要是對熱處理爐批方面,要求同一熱處理爐批。
2.2.3 試驗(yàn)分類
歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)和美國AMS標(biāo)準(zhǔn)有驗(yàn)收試驗(yàn)和周期試驗(yàn),而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和法宇航標(biāo)準(zhǔn)只有驗(yàn)收試驗(yàn)沒有周期試驗(yàn)。周期試驗(yàn)項(xiàng)目包括顯微組織、純凈度、斷裂韌性等。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)收試驗(yàn)分類基本相同,試驗(yàn)項(xiàng)目均超過AMS標(biāo)準(zhǔn)。歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)除了驗(yàn)收試驗(yàn)和周期試驗(yàn)外,還規(guī)定了鑒定檢驗(yàn)的項(xiàng)目和要求,是通過技術(shù)要求保證材料質(zhì)量最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.4 取樣部位和數(shù)量
法國宇航標(biāo)準(zhǔn)對力學(xué)性能和磁粉的取樣部位和數(shù)量要求很詳細(xì),力學(xué)性能的試驗(yàn)數(shù)量也是最多的,但是沒有重復(fù)試驗(yàn)要求。歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目是最多的,而每項(xiàng)試驗(yàn)的試樣數(shù)量是最少的,取樣部位僅在個(gè)別的檢測標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。型號專標(biāo)和遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的取樣部位基本接近于法宇航標(biāo)準(zhǔn),取樣數(shù)量基本接近于AMS標(biāo)準(zhǔn),但是重復(fù)試驗(yàn)數(shù)量是最多的。
2.2.5 復(fù)驗(yàn)與判定規(guī)則
除了法國宇航標(biāo)準(zhǔn)沒有復(fù)驗(yàn)規(guī)定外,其他標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了復(fù)驗(yàn)要求。法國宇航標(biāo)準(zhǔn)還有與其他標(biāo)準(zhǔn)不同的是,在用戶許可的情況下,如果其他性能都合格,化學(xué)成分不合格的產(chǎn)品也可交付。
經(jīng)過綜合分析可以看出,型號專標(biāo)和遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重復(fù)試驗(yàn)不合格整批判為不合格是比較合理的。
直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼新材料涉及的各理化試驗(yàn)方法有以下特點(diǎn):
國內(nèi)的化學(xué)成分分析方法基本包含了歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)采用的方法;
力學(xué)性能試驗(yàn)方法基本都相同,歐洲宇航公司的加工試樣精度相對高一些;
金相試驗(yàn)方法基本上都相同,不同的是方法種類的多與少;
無損檢測的方法也都相同,而同等驗(yàn)收級別的要求,法國宇航與歐洲宇航公司標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。
建議盡快編制先進(jìn)、實(shí)用的直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼材料相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在全行業(yè)范圍規(guī)范和統(tǒng)一這類材料的技術(shù)要求、質(zhì)量保證規(guī)定等內(nèi)容,為在新機(jī)研制中高均質(zhì)性鋼材料的設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收和供需雙方簽訂合同提供依據(jù),從而保證直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼材料的性能和使用可靠性。具體納標(biāo)建議如下:
一是技術(shù)要求:根據(jù)直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼新材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比分析結(jié)果、國內(nèi)材料研制生產(chǎn)情況和使用情況、以及由國外標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成的型號專標(biāo)和遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),確定直升機(jī)用高均質(zhì)性鋼棒材、板材、鍛件的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。
二是質(zhì)量保證規(guī)定:質(zhì)量保證規(guī)定主要按型號專標(biāo)和遼新企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),以及國內(nèi)相關(guān)國軍標(biāo)的要求起草,自由鐵素體測定方法標(biāo)準(zhǔn)采用AMS2315。