應(yīng)俊龍，巢昺軒，蔣克全，趙興德

(航空工業(yè)集團昌河飛機工業(yè)集團公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

超高強度鋼自20世紀40年代問世以來，因其具有高的比強度、屈強比、耐磨性以及優(yōu)良的疲勞強度和加工工藝性能，在航空制造領(lǐng)域，如飛機的起落架、稱重構(gòu)件、傳動系統(tǒng)零件、主梁和渦輪發(fā)動機部件等關(guān)鍵受力部件上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。關(guān)于超高強度鋼的定義，目前國際上尚未作出統(tǒng)一規(guī)定，一般習慣上認為，抗拉強度>1 380 MPa，屈服強度>1 200 MPa的合金鋼稱為超高強度鋼[3-5]。

近幾年，隨著航空技術(shù)的不斷進步以及航空材料的不斷發(fā)展，對超高強度鋼的性能提出了更高的要求，不僅要具備高的抗拉強度，對于塑性、韌性、疲勞強度乃至于海洋氣候下的耐腐蝕性能均提出了更高的要求，因而超高強度鋼新鋼種的開發(fā)、新的熱加工工藝等成為了當今國內(nèi)外研究的熱點。

1 超高強度鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

超高強度鋼按鋼材中所含合金元素的總量，大致可分為中、低合金超高強度鋼[6]和高合金超高強度鋼[7]。一般而言，將合金含量大于10wt% 的鋼稱為高合金超高強度鋼。

1.1 中、低合金超高強度鋼的研究及發(fā)展

中、低合金超高強度鋼的熱處理工藝大多為淬火加低溫回火，以獲得高位錯的板條馬氏體組織，或是與下貝氏體的雙相組織，其強度的提升主要是通過相變強化和析出強化的綜合作用。20世紀50年代初，在AISI4130鋼的基礎(chǔ)上增加碳元素及鎳元素的含量，成功研制出第1個被廣泛認同的低合金超高強度鋼AISI4340[8]。碳元素的增加能夠有效提高馬氏體基體的強度，鎳元素的增加對于殘余奧氏體的存在是有利的，使得材料的塑韌性得到提升，可有效避免AISI4130鋼出現(xiàn)裂紋易擴展的問題，但AISI4340鋼存在低溫回火脆性。20世紀50年代，美國的研究人員在AISI4340的基礎(chǔ)上，提高硅元素含量(提高回火抗力及延緩裂紋擴展)，并添加0.05%～0.10%的釩元素，開發(fā)了300M鋼，并從60年代開始，廣泛應(yīng)用于飛機起落架、飛機結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵部件。

國內(nèi)外學者對于300M鋼開展了深入研究。曾衛(wèi)東、康超等[9]研究了不同回火溫度對300M 超高強度鋼的顯微組織和力學性能的影響，研究表明，在回火溫度為300 ℃ 時，其具有較好的綜合力學性能，顯微組織基本為板條狀馬氏體(板條M) 、少量下貝氏體(BL) 和殘留奧氏體(AR)的復(fù)合組織(見圖1)，合金具有最優(yōu)的綜合力學性能。Youngblood 等[10]對300M 超高強度鋼微觀組織和力學性能關(guān)系進行研究，結(jié)果表明，1 255 K 奧氏體化后，經(jīng)477 ～ 589 K 回火所得的鋼，不僅強度沒有降低，反而韌性有了顯著的提高。沈智、陳華等[11]應(yīng)用Deform有限元軟件對300M鋼的熱處理工藝過程進行模擬，得出了最佳的熱處理工藝為：鍛后600 ℃低溫移入925 ℃加熱爐保溫2.5 h，然后空冷35 min，再次移入720 ℃熱處理爐中加熱保溫4 h，隨后出爐空冷至室溫，其組織中珠光體分布情況如圖2所示。

圖1 300M超高強度鋼TEM組織

圖2 300M 鋼起落架珠光體分布圖

我國自20世紀60年代，相繼研制出30CrNi4MoA和30CrMnSiN2A等超高強度鋼。

1.2 高合金超高強度鋼的研究及發(fā)展

高合金超高強度鋼的超高強度是通過馬氏體相變以及二次強化或者時效強化的雙重作用獲得的。應(yīng)用較為典型的高合金超高強度鋼見表1。

表1 典型高強鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

1960年開始，研制出以Fe-Ni為基體的馬氏體時效鋼，其可大致分為18%Ni、20%Ni和25%Ni等3種類型，其中，以18%Ni馬氏體時效鋼應(yīng)用最為廣泛。18Ni馬氏體時效鋼隨著Ti含量從0.20%提高到1.4%,強度為1 375～2 410 MPa，可分為200、250、300、350和400 KSI等5個級別,商業(yè)名稱分別M200、M250、M300、M350 和M400[12]。馬氏體時效鋼的優(yōu)點是強韌性較好，但是其疲勞性能較差，因而限制了其使用。

研究的另一種鋼是低碳、高鈷鎳二次硬化鋼，其能在保證要求強度的同時，有效改善材料的斷裂韌性。Speich[13]對Co-Ni馬氏體鋼進行了開創(chuàng)性研究, 在此基礎(chǔ)上建立的高強度和高韌度的Ni-Co 系二次硬化型超高強度鋼，以其綜合性能好而得到迅速發(fā)展。在9Ni-4Co 系列鋼的基礎(chǔ)上，Dabkowski 等[14]成功地研制出深海潛艇殼體用鋼HY180，創(chuàng)造出第1個高Co-Ni 合金鋼。HY180集合了高的強度以及優(yōu)良的斷裂韌性，是一個重大的突破，但是依舊不能滿足較多航空制件的相關(guān)要求。1978年，通用動力公司改良HY180，調(diào)整C和Co的成分，研發(fā)出一種新型的超高強度鋼AF1410，其具有比HY180更高的強韌性、斷裂韌性以及抗應(yīng)力腐蝕性能，但AF1410的強度最高僅為1 620 MPa。為了提高該類鋼材的強度以及抗應(yīng)力腐蝕等性能，1991年，美國的R. M.Hemphill 等[15]承襲借鑒HY180 鋼和AF1410 鋼的基本思路，運用統(tǒng)計理論和計算機技術(shù)，建立了Fe-Co-Ni-Mo-Cr-C 合金系性能和元素間相互作用關(guān)系的計算機模型, 成功地設(shè)計了一種新型超高強度鋼AerMet100，并進行了試驗驗證。該新型超高強度鋼體現(xiàn)出優(yōu)良的強韌性、斷裂韌度及耐腐蝕性能。

2 熱處理工藝對超高強度鋼的影響

為了提升超高強度鋼的整體性能，不僅可以從材料的冶煉技術(shù)以及微量合金元素的添加方面著手，通過熱處理工藝的優(yōu)化調(diào)整，研究熱處理工藝后材料的微觀顯微結(jié)構(gòu)，發(fā)揮出原有材料的最佳性能，亦不失為一種方法。熱處理工藝有傳統(tǒng)的淬火-低溫回火(Q-T)工藝，新型的淬火-碳分配(Q-P)和淬火-碳分配-回火沉淀(Q-P-T)工藝。

2.1 Q-T工藝

Q-T工藝中, 鋼的淬火是把鋼加熱至臨界點Ac3或Ac1以上某一溫度保溫, 然后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻到臨界點以下溫度, 從而得到馬氏體的熱處理過程?；鼗鹗菍⒋慊饝B(tài)鋼在Ac1以下溫度保溫, 使其淬火馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，以適當方式冷卻至室溫的過程[16]。通過Q-T工藝，得到馬氏體、殘余奧氏體以及析出的碳化物的混合組織，使得鋼兼具良好的綜合性能。超高強度鋼G50通過Q-T工藝，可以獲得高的強度及韌性。

2.2 Q-P以及Q-P-T工藝

21世紀初，Speer 等[17-18]提出了一種Q-P的熱處理新工藝。該工藝先將鋼淬火至馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度(Ms)和馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度(Mf)之間，隨后在該溫度下(一步法)或在Ms溫度以上(兩步法)保溫，與Q-T熱處理工藝相比，由于Q-P過程是一種碳分配的過程，馬氏體中的碳分配到殘余奧氏體基體中，使得奧氏體更加穩(wěn)定。存在一定量的殘余奧氏體不僅可以提高材料的塑性以及韌性，還能夠在釘扎與位錯中，起到細化晶粒和提升材料強度的作用，因此，經(jīng)Q-P工藝熱處理的制件將比Q-T工藝熱處理的制件具備更好的強韌比。Q-P工藝如圖3所示[19]。

圖3 Q-P工藝示意圖

徐祖耀院士根據(jù)Speer的Q-P工藝提出了Q-P-T熱處理工藝[20]。兩者的不同點是：Q-P工藝需要防止碳化物的析出，而Q-P-T鋼加入了一些碳化物的形成元素，通過馬氏體基體析出穩(wěn)定的碳化物，使其強化。Q-P-T工藝的流程為：淬火初期的馬氏體含量決定了最終的強度，一般選擇較低的奧氏體化溫度獲得適量的馬氏體組織，條狀馬氏體形成時會有碳自馬氏體擴散至殘余奧氏體當中，為使盡量多的奧氏體富碳而呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，在Ms溫度以上停留足夠長時間進行碳分配，最后通過回火，析出強化相，從而形成的馬氏體組織、殘余奧氏體以及析出相等含量、分布等情況決定了材料最終的強韌性等性能。

3 超高強度鋼的展望

在航空制造領(lǐng)域，超高強度鋼的發(fā)展制約著其關(guān)鍵部件的性能，目前，300M鋼以及AerMet100鋼是應(yīng)用廣泛且性能較為卓越的超高強度鋼。隨著科技材料及航空技術(shù)的進步，研發(fā)更高的強韌性超高強度鋼已迫在眉睫。未來或可從如下幾方面發(fā)展超高強度鋼。

1)將現(xiàn)有的超高強度鋼作為原型鋼，以此為基礎(chǔ)，通過添加合金元素，強化材料性能，以及穩(wěn)定的熱加工工藝，獲得更高的強韌性。

2)根據(jù)不同的超高強度鋼，深入研究其強韌化機理，探索奧氏體化溫度和冷卻速率等因素對于性能的影響及其規(guī)律。如，可以采用熱力學軟件，依據(jù)平衡態(tài)及非平衡態(tài)的熱力學理論，探究高溫下的相變規(guī)律，奧氏體化不同溫度下，合金元素以及相間碳化物的分布及含量；可以應(yīng)用ANSYS軟件，模擬奧氏體冷卻曲線，探究超高強度鋼各部位組織的相變規(guī)律。

3)Q-P-T工藝是目前研究的熱點，其較Q-P工藝而言，通過析出沉淀可獲得ξ碳化物，研究碳化物的分布以及其對殘余奧氏體的影響及相間平衡關(guān)系，或許能獲得更加細化的組織，且有利于強韌性的提升。