直升機用高均質性鋼材及其標準分析

袁文明 金春玉

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；

2.哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

直升機用高均質性鋼是指對力學性能指標上下限范圍進行嚴格控制，確保制件冶金質量均勻和批次性能穩定的一類材料。這類材料大部分用于直升機受力較大且受力情況較復雜的部位，大部分鍛件屬于關鍵件或重要件。直升機用高均質性鋼材料的驗收要求非常嚴格，與國內其它標準相比，高均質性鋼材不僅強度和硬度有上下限控制，還通過100%超聲檢測來控制內部缺陷，材料加工成零件后還通過100%均質性檢驗（包括硬度檢測等）來保證材料制件的性能均勻性。

直升機用高均質性鋼材的國外標準有法國宇航標準和歐洲直升機公司標準。法國高均質性鋼宇航標準主要為AIR。但是歐洲直升機公司從上世紀末開始，編制了一系列高均質性鋼的公司級標準后，AIR標準就不再使用了。歐洲直升機公司高均質性鋼鍛件通用標準為IGC，原材料專用標準為ASNA、IGC等，這些專用技術標準規定的冶煉方法是電渣重熔、真空重熔或更高級的熔煉方法，其技術要求除了5大力學性能指標（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性要求。其中，σb和HB指標都規定了上下限值，并且用硬度檢測鍛件的批次均質性。與國內的國軍標和航標相比，技術要求的項目多了很多項，夾雜物指標要求也高，這種嚴格控制對零件性能穩定和疲勞壽命保證將起到重要作用。

從上個世紀90年代以來，我國直升機上已經使用了多年高均質性鋼材，該類材料在新型武裝直升機和通用直升機上的需求量有增加的趨勢，但是目前還沒有行業以上的高均質性鋼技術標準，目前，高均質性鋼的生產和驗收仍處于使用型號專標、國外標準和技術協議的不規范狀態。因此急需編制統一規范的行業標準，為新型直升機的研制提供技術基礎。

1 直升機用高均質性鋼設計要求和應用特點

1.1 設計要求

直升機主要通過高速旋轉的旋翼提供升力、前進力，通過變向變速傳遞渦軸動力，并靠尾槳實現平衡與方向操縱，機身結構無氣動加熱，機身下部要求抗墜毀，使用環境條件惡劣多變，且要求具有高的使用可靠性和長的使用壽命，因此，與其他機械裝備相比，直升機對其所用材料要求非常嚴格。不僅要求較高的比強度、比剛度，承受各種拉應力、壓應力和剪應力等，保證直升機靜強度設計要求；還要求較好的疲勞性能，承受旋翼高速旋轉運動引起的各種疲勞、振動載荷，保證直升機動強度設計要求。

直升機用高均質性鋼設計要求如下：

一是具有高比強度(σb/ρ)，高比剛度(E/ρ)，以減輕直升機結構重量，增加直升機運載能力，提高其機動性，加大航程，減少燃油消耗；

二是旋翼與傳動系統中的轉動部件所用材料要具有高的抗疲勞性能，以防止直升機關鍵件疲勞斷裂失效；

三是起落架等部件用鋼應滿足較高的抗應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；

四是應嚴格貫徹材料標準要求，控制材料均質性，以保證直升機在規定的使用壽命期內具有使用可靠性與安全性。

1.2 應用特點

最近20年來，通過直升機用材料的國產化研制，我國已引進了15CDV6、16NCD13、30CD12、30NCD16、32CDV13、35NCD16；Z12CNDV12、Z12CN 13、Z15CN17–03、Z–50N M C12（Z–55NMC12–05）等歐洲直升機用高均質性結構鋼、不銹鋼材料，并廣泛應用于在研在制的各型號直升機中。與國內同類型的其他材料相比，高均質性鋼具有純凈度高、強韌性配合良好、冶金質量和性能均勻性好等特點，上述材料是按歐洲直升機用材料標準并采用先進的冶煉方法生產的，與過去相比，直升機用高均質性鋼新材料在技術水平上明顯上升了一個臺階。

1.2.1 15CrMoMnVA/E（15CDV6）

一種高強度調質鋼，淬火加高溫回火后具有高的強度、好的塑性和韌性、良好的沖壓性能和焊接性能，經調質處理后，可焊接任何復雜的構件，焊后不需進行熱處理。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、高強度、高韌性、化學熱處理優良的氮化鋼，經氮化處理后，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）

一種高強度調質鋼，淬透性很好，調質處理后可在大截面上獲得均勻的高強度及高的塑性、韌性配合，冷脆轉變溫度低，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，芯部有良好的強度與韌性配合，可取代38CrMoAlA滲氮鋼，用于制造直升機傳動系統的錐齒輪、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，冷脆轉變溫度較低，疲勞強度較高，該鋼在調質狀態或淬火加低溫回火狀態下使用，適于制造截面較大、承受疲勞載荷的關鍵件與重要件，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。適用于制造航空發動機的低壓壓氣機一級轉子軸機匣、燃燒室外套、安裝邊和支承座等。

1.2.8 1Cr13Ni（Z12CN13）

該鋼與國內通用馬氏體鋼1Cr13相比，具有較好的淬透性和抗氧化性。該鋼經調質處理后，具有較高的強度、韌性和良好的減震性，適用于制造在腐蝕介質和沖擊載荷條件下工作的零件，如發動機連接管、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，但焊后須進行高溫回火或調制處理。適用于制造要求較高強度、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，不能通過熱處理強化，一般在氮化后使用，進行氮化處理后可提高表面耐磨性。該鋼切削加工性能良好，多用于制造航空發動機燃油調節器中的襯套、噴嘴、外罩、活塞等重要零件。

2 直升機用高均質性鋼標準分析

國內現有10種直升機用高均質性鋼所涉及的材料標準有型號專標、撫鋼企業標準（遼新企業標準）、法國宇航標準、歐洲宇航公司標準和美國宇航材料標準，及相關理化試驗方法標準共170余份。

法國宇航（AIR）材料標準基本上按合金種類編制了一個標準，一個標準里包含多個牌號、多個品種。歐洲宇航公司的材料標準（ASNA）由一個牌號、一個使用狀態、一個強度級別、一個品種編制一個標準，因此ASNA標準數量很多。法國宇航（AIR）材料標準和歐洲宇航公司材料標準的化學成分、冶煉和制造方法、尺寸、狀態和性能等材料特性要求和指標，在附錄中以表格的形式列出，能很方便地查找所需的技術要求，尤其是方便了設計人員。美國航空用結構鋼、不銹鋼標準（AMS）是由一個牌號、一個性能級別、一個品種或多個品種構成一個標準。從技術內容上看，歐洲宇航公司材料標準要求最嚴，與其它標準相比，不僅強度和硬度有上下限控制，還通過100%超聲檢測來控制內部缺陷，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 技術要求

2.1.1 冶煉方法

型號專標和撫鋼企業標準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；法國宇航標準和歐洲宇航公司標準，關鍵件用的材料采用真空感應或真空自耗電極重熔，其它材料采用了空氣熔煉；AMS標準的超高強度鋼及高強度不銹鋼的冶煉方法為真空自耗電極重熔或真空感應＋真空電弧重熔。

2.1.2 化學成分

10種高均質性鋼材料的法宇航標準、歐洲直升機公司標準、我國型號專標及遼新企業標準的碳、錳、硅和主元素的成分相同，而硫、磷雜質含量和殘余元素有所區別。

法國宇航標準和歐洲直升機公司標準對殘余元素（Cu、Al、Ti等）沒有要求，而國內型號專標及遼新企業標準，除1Cr17Ni3A外對殘余元素含量都有控制要求。

型號專標及遼新企業標準的硫、磷雜質含量，除1Cr13Ni和5Ni12Mn5Cr3Mo外，均嚴于法國宇航標準和ASNA系列標準。

2.1.3 力學性能

法國宇航標準、歐洲宇航公司標準和國內型號專標及遼新企業標準的力學性能分級、檢測項目、指標和參考熱處理制度大部分相同，個別的參考熱處理溫度范圍和力學性能有所區別，但區別不大；沖擊性能缺口有所不同：法國宇航標準規定的驗收值是U型缺口的沖擊值，歐洲宇航公司標準規定的驗收值是V型缺口的沖擊值，型號專標大部分材料同時給出了U型和V型缺口的沖擊韌性驗收值。

2.1.4 金相組織

低倍組織：型號專標及遼新企業標準的低倍要求較法國宇航標準和歐洲宇航公司標準詳細，但這些標準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，標準中應規定暗斑、白斑、徑向偏析和環狀花樣的缺陷分析。

非金屬夾雜物：型號專標及遼新企業標準的非金屬夾雜物級別根據冶煉效果，規定了不同的級別，其級別相當于法國宇航標準的2級到4級之間。歐洲宇航公司標準的特殊冶煉鋼非金屬夾雜物級別為3級或4級。

晶粒度：型號專標及遼新企業標準的晶粒度要求基本與美宇航標準相當，為7級，個別5級，但法國宇航標準和歐洲直升機公司標準的特種冶煉鋼標準的晶粒度為7級，偏高于國內標準。

2.1.5 無損檢測

超聲波檢驗：型號專標及遼新企業標準的超聲波級別基本上介于國內超聲波檢測標準的AA級和A級之間，個別低于A級，且個別指標的規定也不完善。ASNA系列材料標準全部要求進行超聲波檢測，特殊方法冶煉的材料超聲波驗收標準均為AA級，其余都是A級。法國宇航標準對超聲波的要求是需方有要求時才檢測，要求的級別與歐洲宇航公司標準相同。

磁粉檢驗：型號專標和遼新企業標準的專用標準磁粉檢驗驗收指標介于法國宇航標準和歐洲宇航公司標準的3級和4級之間，只限于樣件的發紋檢測，而法宇航標準和歐洲宇航公司標準的磁粉檢驗的目的是檢測外觀質量和非金屬夾雜物。

2.1.6 外觀質量

法宇航標準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。歐洲宇航公司標準的外觀質量要求，相對于法國宇航標準要求嚴一些，鐵磁性材料表面質量要求用磁粉檢測，但缺陷清除后與法國宇航標準一樣，只要滿足公差要求視為合格。

美國AMS標準對外觀質量的要求也相對簡單，對表面缺陷的特征描述的也簡單，只是規定：熱軋或冷拔或經磨、車或拋光的鋼棒，表面應無裂紋、折迭、撕裂，磨、車或拋光表面應無開裂。

我國國家軍用標準對外觀質量的要求較具體，對表面缺陷的特征描述得很詳細，清除缺陷要求也高于法國宇航標準、歐洲宇航公司標準的要求。

2.2 質量保證規定

2.2.1 檢驗責任

型號專標和遼新企業標準沒有要求，而國外標準都規定了供方檢驗責任。

2.2.2 組批規則

國內標準和美國AMS標準，相比法國宇航標準和歐洲宇航公司標準有所嚴格，主要是對熱處理爐批方面，要求同一熱處理爐批。

2.2.3 試驗分類

歐洲宇航公司標準和美國AMS標準有驗收試驗和周期試驗，而國內標準和法宇航標準只有驗收試驗沒有周期試驗。周期試驗項目包括顯微組織、純凈度、斷裂韌性等。國內標準和歐洲宇航公司標準的驗收試驗分類基本相同，試驗項目均超過AMS標準。歐洲宇航公司標準除了驗收試驗和周期試驗外，還規定了鑒定檢驗的項目和要求，是通過技術要求保證材料質量最嚴格的標準。

2.2.4 取樣部位和數量

法國宇航標準對力學性能和磁粉的取樣部位和數量要求很詳細，力學性能的試驗數量也是最多的，但是沒有重復試驗要求。歐洲宇航公司標準的試驗項目是最多的，而每項試驗的試樣數量是最少的，取樣部位僅在個別的檢測標準中有規定。型號專標和遼新企業標準的取樣部位基本接近于法宇航標準，取樣數量基本接近于AMS標準，但是重復試驗數量是最多的。

2.2.5 復驗與判定規則

除了法國宇航標準沒有復驗規定外，其他標準都規定了復驗要求。法國宇航標準還有與其他標準不同的是，在用戶許可的情況下，如果其他性能都合格，化學成分不合格的產品也可交付。

經過綜合分析可以看出，型號專標和遼新企業標準規定的重復試驗不合格整批判為不合格是比較合理的。

2.3 理化試驗方法

直升機用高均質性鋼新材料涉及的各理化試驗方法有以下特點：

國內的化學成分分析方法基本包含了歐洲宇航公司標準采用的方法；

力學性能試驗方法基本都相同，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，而同等驗收級別的要求，法國宇航與歐洲宇航公司標準嚴于國內標準。

3 直升機用高均質性鋼納標建議

建議盡快編制先進、實用的直升機用高均質性鋼材料相關的行業標準，在全行業范圍規范和統一這類材料的技術要求、質量保證規定等內容，為在新機研制中高均質性鋼材料的設計、制造、驗收和供需雙方簽訂合同提供依據，從而保證直升機用高均質性鋼材料的性能和使用可靠性。具體納標建議如下：

一是技術要求：根據直升機用高均質性鋼新材料的相關標準對比分析結果、國內材料研制生產情況和使用情況、以及由國外標準轉化成的型號專標和遼新企業標準，確定直升機用高均質性鋼棒材、板材、鍛件的標準技術要求。

二是質量保證規定：質量保證規定主要按型號專標和遼新企業標準，以及國內相關國軍標的要求起草，自由鐵素體測定方法標準采用AMS2315。