航空钢材不过硬,国产大飞机起落失据

时间:2018-05-23  来源:科技日报 

        原标题: 是什么卡了我们的脖子——航空钢材不过硬,国产大飞机起落失据 

 
   “如果把发动机和飞控设备比作飞机的心脏和大脑,那么航空超高强度钢制作的起落架就是飞机的‘腿脚’。没有强健腿脚,纵使心脏和大脑再强大,巨人依然站立不起来!”“青年千人计划”学者、南开大学材料学院教授、博士生导师梁嘉杰对科技日报记者说。
 
  在梁嘉杰等材料科学家看来,随着中国大飞机等项目的加速推进,国产航空超高强度钢材的研发制造必须迎头赶上,才能让国产大飞机更稳健地翱翔蓝天。
 
  美国300M是世界主流
 
  “川航客机玻璃脱落迫降,落地时由于超重滑行,轮胎都瘪了,但依然实现了安全着陆,这得益于好的起落架,如果没有好的高强度钢,这种迫降是致命的。”中国民航大学一位学者告诉科技日报记者。
 
  无论起飞还是降落,起落架都是支撑飞机的唯一部件,尤其是在飞机降落阶段,其承载的载荷不仅仅来自机身重量,还有飞机垂直方向的巨大冲力。因此,起落架的材料强度必须十分优异,一般材料无法满足这一要求,只能依靠特种钢材才行。“频繁的起降滑行,对起落架的材料可靠性提出了近乎严苛的要求,可以说起落架用钢就代表着一个国家超高强度钢的最高水平。”采访中,专家如是说。
 
  在航空业,大飞机是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机,包括军用、民用大型运输机和150座以上的干线客机。每架大飞机的起落架用特种高强度钢约15吨。因为国产材料不过关,首架C919下线试飞时,起落架用进口材料制作。
 
  梁嘉杰告诉记者,就目前起落架钢材使用现状来看,美国的300M钢使用范围最广。300M钢是1952年由美国国际镍公司研发,并采用整体锻件制造工艺制造而成,其强度在1900MPa—2100MPa,相当于20000个大气压。迄今为止,美国九成以上军民用飞机起落架材料由300M钢担纲。
 
  必须翻过纯净度这座“山”
 
  “超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金三类,飞机起落架用的钢材,是典型的低合金钢,对‘氢脆’很敏感,真空高温冶炼需要高纯净度。”天津工业大学一位研究金属的教授介绍,钢铁等金属材料原子按照一定的规则排列,被称为晶格,晶格中偶尔有不守秩序的原子会站错队,发生错排的地方称为位错。钢铁冶炼凝固过程中,残留在钢铁内的氢原子会主动寻找位错,向金属中缺陷附近不断集中,到室温时,原子氢在缺陷处结合成分子氢,从而产生巨大的内应力,使金属发生看不见的裂纹,也就是“氢脆”。
 
  “从原子变分子,氢就如同啸聚山林的好汉,聚到一起就会产生很大的破坏力。用于制作起落架的超强度钢最怕这个。”该教授形象地说。而记者了解到,美国飞机部件破坏调查分析表明,起落架多数是由于表面应力腐蚀或疲劳裂纹扩展而导致最后断裂的。
 
  美国的300M钢采用真空热处理技术,避免了渗氢,零件表面光亮,无氧化脱碳、增碳和晶界氧化等缺陷,提高了表面质量。与此形成对比,国内用于制作起落架的国产超强度钢材有时会出现点状缺陷、硫化物夹杂、粗晶、内部裂纹、热处理渗氢等问题,这些问题都与冶炼过程中纯净度不够有关系。
 
  目前,我国的超高强度钢材研制水准与欧洲、俄罗斯相比基本相当或略有优势,但在材料创新基础研究能力,尤其是高纯度熔炼技术方面与美国还有较大差距,存在很大提升空间。
 
  “未来,应该重点关注提升超强度钢纯净度。”中国航发北京航空材料研究院研究员、中国工程院赵振业院士说,纯净度会影响航空器械的“寿命”,也是所有航空超高强度钢的“命门”,是必须要翻越的山。他打比方说,其影响如同我国的气候分水岭秦岭一样明显,翻过秦岭是四川的湿润气候,秦岭以北是陕西的气候。航空器关键构件达到长寿命、高可靠、结构减重,首先要过了纯净度关,然后才能谈抗疲劳性等金属材料的其他特性。
 
  部分技术还停留在实验室阶段
 
  全球航空航天材料市场预计到2022年将达到258亿美元,这是一个快速增长的庞大市场,目前高端新材料基本上被美国和欧洲垄断着。根据测算,我国高温合金行业长期处于供不应求的状态,年市场缺口近1万吨。
 
  一代材料技术,一代航空装备。“在大型飞机结构性关键部件用钢方面,我国整体水平基本上可以满足国防军工、装备制造、国民经济发展要求,但与国际先进水平相比,仍存在较大差距。尤其在航空(航天)用高温合金方面,我国仍处于跟跑阶段。不过客观上讲,我国研制和生产水平与先进国家的差距正在缩短。”中国钢铁研究总院副院长杜挽生说,航空用高纯度单晶高温合金,发达国家已经实现了四代技术的应用量产,而国内只到了第二代,三代、四代技术仍在持续的攻坚中。
 
  今年5月14日上海航展上,宝钢特钢有限公司研制生产的300M超高强度钢露面,这意味着在C919后续机型上,起落架有望在确保安全的前提下实现国产化替代。但有钢铁冶金业内人士告诉记者,大飞机用的超强度钢材完全国产化这一过程还有一段很长的路要走。国内高性能钢铁部分制造技术,尤其是新一代数字化和智能化控轧控冷技术、先进热处理技术、变截面轧制技术、温度梯度轧制技术、高精度轧制技术,我们与美国、日本还有不小的差距,有的还停留在实验室层面,超高强度钢材实现完全国产化,还要加强科研。(记者 孙玉松)