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            大型航空鍛件材料應用現狀

            航空鍛件一般選用高比強度、比剛度的材料,大型航空鍛件用材料主要包括鈦合金、超高強度鋼、鋁合金三大類。

            大型航空鍛件用鈦合金

            鈦合金由于其高比強度、比剛度、耐蝕性等優異性能,在航空工業得到了廣泛的應用,對飛機結構減重和零件的使用壽命提高都有顯著效果。特別是對于軍用飛機, 一些重要的結構部件如翼梁、隔框、起落架等廣泛采用鈦合金鍛件加工而成,單件重量高,尺寸和截面積大。

            鈦航空鍛件

            例如波音 B747 飛機主起落架支架梁 8 個件號采用 Ti-6Al-4V 鈦合金鍛件,單件重 1724 kg,長度 6.2m,投影面積 4.1m2。空客 A380 飛機兩個六輪三軸小車式主起落架載重梁采用 Ti-1023 鈦合金鍛件,長 4.255m,重量 3210 kg。美國洛克希德公司研發的第四代戰斗機 F22 隔框采用 Ti-6Al-4V ELI 鍛件,單件重量達 771kg 以上,投影面積 4.06m2。

            目前航空用鈦合金主要牌號有 TC4、TC18、TC21、TA15、TB6 ( 美 Ti-1023 合 金 ) 等。其中TC18 由于淬透性最大,適合制造大型鍛件,目前國內應用最多。俄羅斯根據波音和空客等民機需求,在 TC18 合金基礎上,通過降低易偏析元素 Fe 的含量,開發了 Ti-55531 鈦合金。Ti-55531 強度較高, 而且具有優越的淬透性和更寬的加工窗口,目前已在 A380 飛機吊掛接頭和起落架支柱等零件上使用,

            國內 C919 飛機也開展了國產材料研制工作, 國內重型直升機也正在利用此材料研發大型直升機槳轂中央件。目前收集到的數據表明: Ti-55531 與 TC21、TC18 相比,抗拉強度較高,塑性和斷裂韌性較低,但 Ti-55531 在 Δk =11 MPa·m12條件下的抗裂紋擴展能力明顯優于 TC21 和 TC18 合金,說明其裂紋萌生壽命較長,疲勞極限較高,適合長壽命設計。

            大型航空鍛件用超高強度鋼

            室溫條件下抗拉強度大于 1400 MPa、屈服強度大于 1200 MPa 的鋼稱為超高強度鋼, 通常還要求具有良好的塑韌性、優異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應力腐蝕性能。航空用超高強度鋼主要用于起落架、傳動齒輪、主軸承和對接螺栓等關鍵構件。

            中國于 20 世紀 50 年代初研制成功 30CrMnSiNi2A 超高強度鋼,抗拉強度為 1700MPa。20 世紀 70 年代初, 結合中國資源條件, 研制成功 32Si2Mn2MoVA 和 40CrMnSiMoVA 鋼。

            1980 年以來,從國外引進新技術,采用真空冶煉新工藝,先后研制出 34Si2MnCrMoVA (406A) 、35CrNi4MoA、40CrNi2SiMoVA (300M) 和 18Ni 馬氏體時效鋼。超高強度鋼的研發為中國航空工業發展打下了堅實基礎。隨著超高強度鋼的不斷研究發展,大型航空鍛件用超高強度鋼主要有以下幾個發展方向:

            (1) 2200 MPa 級以上超高強度鋼。在保證強度的前提下,塑性、韌性、疲勞性能、裂紋擴展速度和抗。應力腐蝕等綜合性能優于廣泛應用的 300M 鋼水平。(2) 超高強度不銹鋼,作為下一代艦載飛機起落架的備選材料。(3) 低成本超高強度鋼,用于性能要求不高的場合,例如民用飛機、大型無人機等。

            鈦合金鍛件

            大型航空鍛件用高強度鋁合金

            鋁合金由于具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好、塑性和加工性能好、成本低等一系列優點,在航空方面一直是飛機機體結構的主要材料之一。當今世界各國航空鍛件用鋁合金主要是2XXX 系( 2024、2224、2324、2424、2524 等) 和超高強度系的 7XXX 系( 7075、7475、7050、7150、7055、7085 等) 。

            2XXX 系鋁合金屬于 Al-Cu-Mg 系合金,被稱為高強度硬鋁,是用途最廣泛的鋁合金之一,抗拉強度為 400 ~ 500 MPa,比 7XXX 系鋁合金的室溫強度低,但耐熱性、疲勞特性,特別是抗疲勞裂紋擴展性都優于 7XXX 系鋁合金。典型代表 2124 廣泛應用于 F22、F35 的主體結構。7XXX 系鋁合金屬于 Al-Zn-Mg-Cu 系合金,這類合金具有高的比強度和硬度、較好的耐蝕性和較高的韌性、優良的加工性能。典型代表是 7050 鋁合金,在大型航空鍛件方面主要用于加強框、承力梁及接頭等主承力結構。

            我國通過微合金化以及熱處理制度等方式研制了 7A85 鋁合金,與國外 7085 鋁合金性能相當。7A85 鋁合金較 7075、7175、7050 合金大幅度提高了 Zn 的含量,降低 Mg 的含量,并對 Fe、Si 等雜質元素含量進行了嚴格的控制,使得 7A85 合金在保持較高強度水平下,還具有韌性好、疲勞強度高和抗應力腐蝕性能好等優良綜合性能。與 7050-T7452 鍛件比較,7A85 鍛件具備了更高的淬透性,淬透層深度可達到 305 mm,而 7050 淬透層厚度為 203 mm, 更適合制造厚大截面航空零件。

            國外 7085 合金已在大型民用飛機 A380 客機的機翼主梁、肋等結構獲得成功應用,該機翼主梁長 6.4m、寬 1.9m, 重達 3.9t,是目前世界上最大的鋁合金鍛件之一。

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