摘" 要：不銹鋼是我國(guó)航空航天事業(yè)發(fā)展的一類重要物資，關(guān)系著航空事業(yè)的發(fā)展水平及高度。從介紹空用不銹鋼的主要品種及用途著手，簡(jiǎn)單分析不銹鋼的主要化學(xué)成分構(gòu)成及物理性質(zhì)，闡明影響不銹鋼冶煉質(zhì)量的幾大因素?；趯?shí)例解讀冶煉工藝給鋼材冶煉效果帶來的影響，并摸索規(guī)劃冶煉工藝路線時(shí)應(yīng)遵循的原則，以供同行參考學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：航空航天；不銹鋼；種類；影響因素；冶煉工藝

中圖分類號(hào)：TF764.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0１０６-0４

Abstract： Stainless steel is a kind of important material for the development of aerospace industry in China， which is related to the development level and height of aviation industry. Starting with the introduction of the main varieties and uses of empty stainless steel， this paper briefly analyzes the main chemical composition and physical properties of stainless steel， and expounds several major factors affecting the smelting quality of stainless steel. Based on an example， the influence of smelting process on steel smelting effect is interpreted， and the principles that should be followed in planning smelting process route are explored for reference.

Keywords： aerospace; stainless steel; category; influencing factors; smelting process

長(zhǎng)期以來，中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展始終堅(jiān)守“一代材料，一代飛機(jī)”的理念。當(dāng)前，航空航天制造用的分析的不銹鋼主要有2類，一是飛機(jī)機(jī)體用高強(qiáng)度不銹鋼，二是發(fā)動(dòng)機(jī)用耐熱型不銹鋼。鋼種的來源不唯一，包括前期納入國(guó)軍標(biāo)的成熟鋼種，也有從他國(guó)引進(jìn)的品種，還有國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的的新產(chǎn)品。在科學(xué)技術(shù)日異月新的背景下，很多新機(jī)種陸續(xù)被成功研發(fā)，很多優(yōu)秀的鋼種與冶煉工藝技術(shù)的創(chuàng)新水平達(dá)到了新的高度。

1" 空用不銹鋼的主要品種

1.1" 飛機(jī)機(jī)體用高強(qiáng)度不銹鋼

用在這方面的鋼種必須有耐腐蝕性強(qiáng)、綜合力學(xué)性能良好等特性，特別是在強(qiáng)度與韌性2大方面提出較高的要求，常用的鋼種品類以沉淀硬化、時(shí)效強(qiáng)化不銹鋼等為主，比如17-7PH、15-5PH、PH13-8Mo、1Cr15

Ni4Mo3N等。國(guó)外有人員在優(yōu)化AF1410鋼合金成分的基礎(chǔ)上成功研發(fā)了Aermet100鋼，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該鋼種的強(qiáng)度高達(dá)1 900 MPa，并且韌性也沒有出現(xiàn)大幅度下降情況，Aermet100鋼的成功開發(fā)可以視為20世紀(jì)世界冶金技術(shù)的一個(gè)重大突破，現(xiàn)如今該鋼種已經(jīng)被用在美國(guó)F-22“Raptor”與F-35“Lightning II”戰(zhàn)機(jī)的起落架制造方面。

1.2" 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用耐熱型不銹鋼

用在這方面的鋼材最大的特點(diǎn)是中溫耐熱能力較強(qiáng)，在450～650 ℃工況下表現(xiàn)出良好的抗蠕變性，并且其耐腐蝕性能也較好。常用的鋼種主要有Cr11Ni2W2MoV、1Cr12Ni2MoWVNb、2Cr10NiMoVNb、1Cr11NiMoV等[1]。

2" 航空用不銹鋼的技術(shù)指標(biāo)分析

2.1" 化學(xué)成分構(gòu)成及物性

眾所周知，不同鋼種的化學(xué)成分構(gòu)成及物理性質(zhì)有差別，由于上文分類總結(jié)了一些代表性較高的鋼種產(chǎn)品的化學(xué)成分及物性，故而本文在此不再逐一贅述。1Cr12Ni3MoVN這種鋼材的冶煉工藝完善性已經(jīng)達(dá)到了很高水平，本文如下就將其作為研究對(duì)象進(jìn)行具體分析。

2.2" 影響不銹鋼冶煉質(zhì)量的常見因素

既往大量的生產(chǎn)實(shí)踐及研究表明，冶煉工藝是影響鋼材冶金質(zhì)量水平的核心因素，在冶金工藝領(lǐng)域內(nèi)其發(fā)揮著基礎(chǔ)與龍頭的雙重作用，變形加工工藝給鋼材冶煉質(zhì)量帶來的影響也是不容忽視的。除了確保其成型效果滿足設(shè)計(jì)要求之外，也要科學(xué)設(shè)定加工比這一指標(biāo)，解除方式確保內(nèi)部組織分布的均勻性、細(xì)膩度及各向同性，設(shè)計(jì)出最為合理科學(xué)的熱處理工藝方案能從基礎(chǔ)環(huán)節(jié)使鋼材的綜合性能得到保障，也為鋼材后期深加工處理提供良好條件。

3" 不銹鋼冶煉工藝的分析

冶煉工藝被公認(rèn)為是影響不銹鋼冶金質(zhì)量的最重要因素，故而生產(chǎn)工藝的選擇使用也就演變成了冶煉工藝選用這一問題[2]。當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，也絕不能輕易忽視加工及人處理工藝產(chǎn)生的影響，結(jié)合生產(chǎn)需求，綜合主客觀多方面因素合理設(shè)置開鍛、終鍛溫度、鍛制及火次等相關(guān)指標(biāo)，熱處理工藝的制定與實(shí)施情況也關(guān)系著鋼材整體冶煉質(zhì)量的優(yōu)劣程度。

3.1" 冶煉工藝給鋼材冶煉質(zhì)量產(chǎn)生的影響

近些年已經(jīng)陸續(xù)開發(fā)出一些成熟度較高的生產(chǎn)工藝路線，包括電爐或電爐+精煉、電爐+電渣、真空感應(yīng)+電渣、真空感應(yīng)+真空自耗、真空感應(yīng)爐熔煉（VIM）等。相比之下，電爐或電爐+精煉工法應(yīng)用時(shí)沒有對(duì)不銹鋼鋼材質(zhì)量提出嚴(yán)格要求，純度相對(duì)較低，高、低倍檢驗(yàn)檢測(cè)執(zhí)行過程不夠嚴(yán)格，在力學(xué)性能方面沒有作出嚴(yán)格規(guī)定要求等?；陔姞t+電渣工藝冶煉處理不銹鋼時(shí)，在鋼材質(zhì)量提出的要求稍有增加，主要體現(xiàn)在純凈度、致密性及均質(zhì)化程度等方面上。真空感應(yīng)+電渣工藝實(shí)際應(yīng)用時(shí)最大的特點(diǎn)是能剔除掉鋼材內(nèi)儲(chǔ)留的氣體及熔點(diǎn)偏低，并能輔助增加鋼材的致密度，進(jìn)而輔助提高鋼材的綜合冶煉效果，這種工藝適合處理等級(jí)相對(duì)較高的鋼種。和前2個(gè)冶煉工藝相比較，真空感應(yīng)+真空自耗工藝的優(yōu)勢(shì)更為顯著，鋼材的純度進(jìn)一步增加，綜合冶金質(zhì)量更為優(yōu)異。VIM工藝應(yīng)用時(shí)可以配置ZG 0.20真空感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，設(shè)定極限真空度0.067" Pa，精煉期真空度范圍0.133～1.33 Pa。VIM法冶煉工藝路線為裝料→送電→熔化→精煉→出鋼、澆注，該項(xiàng)冶煉技術(shù)能顯著改善鋼材的韌性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性及高溫蠕變性等[3]。

3.2" 實(shí)例分析

1Cr12Ni3MoVN是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造時(shí)的常用材料，有適用性強(qiáng)、綜合力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已經(jīng)結(jié)合鋼種用途差異配置相應(yīng)的冶煉生產(chǎn)工藝，表1 統(tǒng)計(jì)了5～15爐的檢驗(yàn)結(jié)果，通過分析表1中數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)即便是應(yīng)用不同的冶煉工藝生產(chǎn)，對(duì)鋼材基礎(chǔ)力學(xué)性能產(chǎn)生的影響程度并不會(huì)形成明顯差異（不做詳細(xì)分析），不同冶煉工法之下該不銹鋼的純凈度檢測(cè)情況見表2[4]。分析不同冶煉工法下鋼材的室溫疲勞性能變化情況，雖然疲勞性檢測(cè)試驗(yàn)體現(xiàn)出較明顯的分散性、偶然性特征，但依照試驗(yàn)結(jié)果勾畫出的曲線依然能闡釋部分問題。

綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用電爐冶煉工藝處理不銹鋼時(shí)，最后所得鋼材產(chǎn)品自身的抗疲勞性能相對(duì)較差，而真空感應(yīng)+電渣工藝實(shí)施時(shí)明顯彌補(bǔ)了以上不足，雙真空冶煉工藝取得的效果會(huì)更好。對(duì)以上情況的成因加以分析，主要和鋼材內(nèi)非金屬夾雜物的尺寸大小、分布態(tài)勢(shì)等之間有關(guān)聯(lián)，當(dāng)然也和剔除As、Hg、Pb等熔點(diǎn)偏低的毒害雜質(zhì)元素的程度之間有關(guān)聯(lián)；此外，減少氣體含量（O＜15.0 ppm，H＜2.0 ppm）能夠有效減少或規(guī)避由低應(yīng)力造成的局部延遲性斷裂以及氫脆瞬斷破壞等狀況[5]。

3.3" 規(guī)劃冶煉工藝路線時(shí)遵循的基本原則

在規(guī)劃設(shè)計(jì)冶煉工藝路線時(shí)除了考慮以上談及的冶金質(zhì)量與使用年限等硬性指標(biāo)帶來的影響，也要綜合分析性價(jià)比高低、材質(zhì)類型及具體應(yīng)用要求和冶煉工藝路線之間匹配度高度的問題，本文這里談到的“材質(zhì)”實(shí)質(zhì)是就是構(gòu)成鋼材化學(xué)成分的設(shè)計(jì)指標(biāo)。理論上講，即便是同種材質(zhì)基于差異化的冶煉工藝生產(chǎn)制造出冶金質(zhì)量水平也會(huì)有高低起伏，性價(jià)比發(fā)揮著較大額度杠桿作用，如果鋼材在質(zhì)量方面提出十分嚴(yán)格的要求，并且沒有編制出全新的鋼種設(shè)計(jì)方案時(shí)，唯一的方法就是提升鋼材冶煉工藝水平的方式以從根本上確保其生產(chǎn)質(zhì)量。

4" 預(yù)測(cè)強(qiáng)度不銹鋼的發(fā)展方向

4.1" 鋼材的強(qiáng)韌化機(jī)制

典型航空用強(qiáng)度鋼的屈服強(qiáng)度及斷裂韌度，用于航天航空工具工業(yè)的高強(qiáng)度鋼未來發(fā)展中并不是單純地增加其強(qiáng)度，追求的是提升強(qiáng)度水平的同時(shí)收獲匹配度最好的強(qiáng)韌性。盡管僅增加鋼材強(qiáng)度可供選擇的方法呈現(xiàn)出多樣化特征，且執(zhí)行過程的難度并不大，但是強(qiáng)度與韌性兩者匹配度較差是制約這類鋼材強(qiáng)度大幅度提升的一個(gè)主要因素。此類鋼種通常是中合金或高合金鋼，合金含量整體較高且組分復(fù)雜，現(xiàn)在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中怎樣實(shí)現(xiàn)降本增效是該類鋼種未來發(fā)展中迫切需要處理的現(xiàn)實(shí)問題，提出了如下2點(diǎn)建議。

一是將研發(fā)方式從傳統(tǒng)試錯(cuò)法逐漸轉(zhuǎn)變成理性化設(shè)計(jì)。過去研發(fā)高強(qiáng)度不銹鋼產(chǎn)品時(shí)周期漫長(zhǎng)、成本投入較高；故而應(yīng)盡早改進(jìn)傳統(tǒng)試錯(cuò)法，逐漸建立理性化設(shè)計(jì)模式，不僅能明顯減少研發(fā)費(fèi)用，還能縮短產(chǎn)品研發(fā)周期?；诩捎?jì)算材料基因工程能夠提升鋼材的強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)水平。國(guó)外有學(xué)者建立了高強(qiáng)度不銹鋼的強(qiáng)韌化模型，指出板條馬氏體基體是獲取理想強(qiáng)韌化的組織構(gòu)造，板條馬氏體間是薄膜狀?yuàn)W氏體集中分布的位置很少出現(xiàn)或不出現(xiàn)晶界夾雜偏析的情況，強(qiáng)化析出相是M2C；并且基于Thermo-Calc運(yùn)算，找到了較為理想組織的工藝路線及配套參數(shù)。

二是拓展強(qiáng)韌化機(jī)理研究的深度，為高強(qiáng)度不銹鋼成分構(gòu)成、冶煉工藝及組織構(gòu)造設(shè)計(jì)等提供更為可靠的理論依據(jù)。應(yīng)著重研究這類鋼材的高密度共格及多類型復(fù)合析出相[6]。結(jié)合既往學(xué)者在研究中總結(jié)的結(jié)論，第二相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化增量在總強(qiáng)度中占比約50.0%，這就意味著強(qiáng)化第二相是提升鋼材強(qiáng)度水平的主要方式。

4.2" 不銹鋼冶金工藝的發(fā)展方向

圖1是分別應(yīng)用傳統(tǒng)冶金和等溫多向鍛造工藝制得的強(qiáng)度不銹鋼的力學(xué)性能及顯微組織，通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，第二種工藝基于再結(jié)晶工序有效細(xì)化了強(qiáng)度不銹鋼的原奧氏體晶粒，顯著改善了不銹鋼的綜合力學(xué)性能，尤其是鋼材的沖擊韌度大概提升了80.0%，這證實(shí)了改進(jìn)冶金工業(yè)設(shè)備在優(yōu)化高強(qiáng)度不銹鋼綜合性能發(fā)揮的重大作用。后期在設(shè)計(jì)不銹鋼冶金工藝路線時(shí)還要加強(qiáng)軋制和鍛造工序中溫度及載荷的控制力度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼種組織的整體化控制。

5" 結(jié)束語

航空用不銹鋼是處于結(jié)構(gòu)鋼與高溫合金之間的材質(zhì)，飛機(jī)機(jī)體制造時(shí)采用的鋼種具備良好的耐腐蝕性能，近些年相關(guān)部門大力研發(fā)的超高強(qiáng)度不銹鋼產(chǎn)品取得很大成績(jī)，未來其將會(huì)有十分廣闊的應(yīng)用前景，創(chuàng)造更多的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)用熱強(qiáng)鋼，其性價(jià)比處于較高水平，有針對(duì)性地完善冶煉生產(chǎn)工藝，有助于拓展其耐受熱溫度范疇，逐漸將一些高溫合金產(chǎn)品取而代之，預(yù)示著這種鋼種未來也會(huì)創(chuàng)造出較為廣闊的應(yīng)用空間。

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