起落架是飛機在起飛和著陸過程中無可替代的裝置，極大地影響飛機的使用與安全，但在飛機起飛后則不參與機體的結構和性能，對飛行無任何貢獻。因此，起落架的設計思想和選材等方面與機體結構不同，希望得到最大的比強度和比剛度，并且體積盡可能小。鋼具有高強度、良好的疲勞性能、耐磨性能、較低的裂紋擴展速率和加工工藝性能，同時鋼制零件體積小、穩定性好，因此一直是設計制造起落架的主要用材，尤其是下沉速度較大的軍用飛機的首選材料。當今世界上95%以上的飛機起落架都是采用超高強度鋼制造[1]。隨著航空技術的發展和材料制造技術的不斷進步，各類軍用、民用飛機起落架越來越向輕量、長壽命、高可靠性方向發展。目前，世界上包括我國在內的航空業發達國家均已形成了起落架材料體系。現代飛機中，起落架用鋼占全機用鋼量的60%以上，超高強度鋼主要用于設計制造主承力構件和關鍵連接件：主承力構件有外筒、活塞桿、扭力臂、輪軸等；連接部件有轉軸、扭力臂鉸點連接軸等。

起落架的使用壽命考核指標是起降次數，現代飛機要求起落架的使用壽命和飛機的額定起降次數相同，即起落架與飛機同壽。起落架的首翻期不小于安全設計壽命的1/4。

本文介紹飛機起落架用鋼的應用和研究現狀，分析討論國內外的應用差距及應用前景，指出我國飛機起落架用鋼的發展方向。

1.   飛機起落架用超高強度鋼的發展和應用歷程

飛機起落架用鋼的發展過程與飛機設計思想、設計需求和材料制造技術的前進是同步的。起落架承受靜載荷、動載荷以及重復載荷，核心設計思想是保證安全使用的前提下盡可能減輕其重量和縮小其尺寸，具體的設計原則不斷完善進步。

(1) 早期飛機采用靜強度設計，我國20世紀50年代飛機設計即強調靜強度設計。結構的安全性主要通過選取適當的安全系數來保證，一般取材料的抗拉強度除以安全系數即為使用強度。起落架制造材料強調抗拉強度、屈服強度，并具有優良的塑性以及沖擊韌性。起落架主承力構件主要由1175 MPa級高強度鋼4130，30CrMnSiA等材料，經手工電弧焊等方法制造[2]。

(2) 隨著各國采用靜強度設計的飛機相繼出現疲勞破壞事故，在靜強度基礎上發展了對飛機疲勞強度的要求，即強調安全壽命設計。第二代戰斗機開始全面采用安全壽命設計。安全壽命就是假定結構不存在初始裂紋或損傷。對制造材料S-N曲線，依據損傷累計理論，根據估算裂紋形成壽命或根據實驗獲得裂紋形成實驗壽命，再用裂紋形成壽命除以分散系數即為使用壽命。起落架的安全使用壽命通常取起落架實驗壽命的1/4~1/6。安全壽命設計尤其適用于結構復雜、造價高的起落架主承力結構，如起落架外筒、活塞桿、輪軸等。因此，此時起落架制造用鋼不僅要求具有較高的強度和剛度，還要有優異的抗疲勞特性。較高的強度有利于獲得較高的裂紋形成壽命，同時高強度/剛度可以減重和提高機體內空間利用率。隨著超高強度鋼技術的發展，超高強度結構鋼制造大型飛機起落架主承力構件成為必然的選擇。

起落架主承力件采用強度更高的1580~1760 MPa級超高強度鋼30CrMnSiNi2A，4330M，4340等，采用焊接方法制造[2]。蘇聯主要采用30CrMnSiNi2A鋼，是在30CrMnSiA的基礎上，加入1.4%~1.8%的Ni和適量的Mn，增加了馬氏體過飽和度、相變應變和位錯密度，同時提高了馬氏體基體的韌性，并降低Ms點，提高淬透性。30CrMnSiNi2A鋼的C含量為0.27%~0.34%，容易產生焊接裂紋，因此需要焊前預熱和焊后回火，多層焊時控制層間溫度，焊接接頭強度不低于母材的90%。

隨后相繼開發了1800~1900 MPa級的H11，D6AC，300M等超高強度鋼，H11是最早的中合金二次硬化超高強度鋼。300M鋼是1952年美國國際鎳公司在4340鋼的基礎上，添加了1.6%的Si和0.1%的V，增加強度和回火抗力，提高回火溫度而研制開發的1900 MPa級超高強度鋼，與H11，D6AC，4340鋼相比，具有更加優異的沖擊性能和綜合性能。因此，1964年美國C-5A大型軍用運輸機起落架首次使用300M鋼制造后，推廣到各型飛機起落架，成為目前應用最廣泛的起落架用超高強度鋼，美國現役各型飛機90%以上的起落架采用300M鋼制造。300M鋼焊接性較低，所有300M鋼制起落架均采用整體鍛件設計制造。20世紀70年代，美國在300M鋼的基礎上降低C含量，增加Si含量，開發了HP310鋼，當抗拉強度提高到2100 MPa級時，韌性過低而未獲應用[3]。

我國在20世紀60年代自主開發研制了無Ni少Cr型抗拉強度1860 MPa的低合金超高強度鋼40CrMnSiMoVA(GC-4)鋼，GC-4鋼具有良好的工藝性能和綜合力學性能，可以采用焊接結構。在20世紀80年代，我國研制了雙真空冶煉300M鋼，與GC-4相比強度相當，但橫縱向性能一致性、沖擊性能、疲勞性能、抗應力腐蝕性能更加優異。由于采用精煉脫硫原材料，通過雙真空冶煉，鋼中S，P含量分別降低到0.002%~0.003%和0.005%~0.008%，比GC-4鋼降低1倍以上，使材料疲勞裂紋形成壽命顯著提高。在此基礎上，根據雙真空300M鋼的特性，開發了起落架外筒和活塞桿鍛件整體鍛造、真空淬火、大長細比深孔加工、孔擠壓強化、低氫脆鍍鎘鈦表面處理等完整的抗疲勞制造技術體系，1990年300M鋼制起落架首次應用，實現了起落架安全使用壽命與機體相同[2]。隨后我國飛機起落架廣泛采用300M鋼制造。

(3) 自1969年以來，美國F-111，F-4等飛機雖然通過了全機疲勞實驗，但在安全使用壽命期內仍舊發生了疲勞斷裂事故，美國提出了飛機損傷容限設計思想，即考慮結構中存在的微小初始缺陷對使用壽命的影響，并于1974年頒布了飛機損傷容限設計要求MIL-A-83444。F-16是率先貫徹損傷容限設計要求的美國軍機，但該設計要求指出損傷容限設計適用于飛機機體結構，不完全適用于起落架結構。我國1985年頒布的飛機強度設計規范中也規定，現階段飛機設計應采用安全壽命與損傷容限相結合的設計原則。起落架主結構為單傳力路線靜定結構，如果強調損傷容限設計，那么必須設計成緩慢裂紋擴展結構，著重考慮起落架的疲勞損傷、斷裂破壞和安全使用壽命，即用裂紋形成實驗壽命確定使用壽命，用裂紋緩慢擴展實驗壽命確定起落架的翻修周期。

此時對于起落架制造用鋼提出了較小裂紋擴展速率和較高斷裂韌度的新要求，強調材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。高斷裂韌度有利于獲得高動態斷裂韌度。由于起落架用超高強度鋼一直強調強韌性匹配，而較高的強韌性匹配可以獲得較小裂紋擴展速率和較高斷裂韌度，所以以第3代戰斗機為代表的各型飛機起落架仍舊沿用之前的材料。蘇聯的蘇-27等系列飛機起落架仍就采用30CrMiSiNi2A鋼；法國的“幻影”、“協和號”等飛機起落架采用35NCD16鋼[4]；由于300M鋼在所有低合金超高強度鋼中具有小裂紋擴展速率和高斷裂韌度，因此截至目前，以F-15，F-16，F-18A/B/C/D型為代表的大部分軍民用飛機起落架仍舊采用300M鋼。300M鋼不屬于損傷容限型材料，隨著對疲勞斷裂理解的深入，在原有指標基礎上強調了斷裂韌度的要求，不低于55 MPa·m1/2。隨著二次硬化高合金鋼理論和高純凈冶煉技術的成熟，在H11鋼、AF1410鋼的技術基礎上，美國在20世紀90年代初開發了1900 MPa級的AerMet100超高強度合金鋼[5]，完成了飛機起落架用鋼由低合金超高強度鋼向高合金超高強度鋼的跨越。AerMet100鋼是第一款損傷容限型起落架用超高強度鋼，斷裂韌度、沖擊性能、疲勞性能和耐腐蝕性能均顯著優于300M鋼：斷裂韌度提高1倍以上，不低于110 MPa·m1/2；沖擊性能提高50%；Kt＝1時疲勞裂紋形成壽命提高20%，Kt＝2時疲勞裂紋形成壽命相當。美國的F-22和F-35飛機起落架為了實現不低于6000個起落的安全使用壽命，保證返修周期，采用AerMet100鋼制造。雖然AerMet100鋼具有優良的焊接性能，但為了保證AerMet100鋼起落架的安全使用壽命，突出高合金鋼的損傷容限優勢，采用整體鍛件設計制造。

我國突破了超純凈冶金、大錠型成分精確控制、大規格棒材開坯鍛造等關鍵技術，完成了超大規格23Co14Ni12Cr3MoE(A-100)鋼的研制，鋼材純凈度國內首次達到99.995%，確保斷裂韌度等力學性能全面不低于AerMet100鋼。起落架用鋼強調強韌性匹配，均含有一定量薄膜狀均勻分布的奧氏體，疲勞裂紋擴展速率差別不大，A-100鋼和300M鋼的疲勞裂紋擴展速率對比如圖 1所示。并根據A-100鋼損傷容限特性，突破了大型復雜模鍛件成形成性、大型復雜零件精密熱處理[6]、超音速火焰噴涂、復合噴丸強化[7]、低氫脆鍍鎘鈦、低應力無燒蝕磨削[8]等關鍵技術，形成了起落架用高合金超高強度鋼的抗疲勞制造技術體系。

圖  1  A-100鋼和300M鋼疲勞裂紋擴展速率

18Ni類超高強度馬氏體時效鋼，雖然也可以通過二次強化達到1800 MPa以上，并具有較高的斷裂韌度，但是這類超高強度鋼由于采用金屬間化合物強化，所以沖擊性能和疲勞性能較低，缺口敏感性較高。高屈強比也不利于抑制裂紋擴展，因此這類超高強度鋼沒有用于起落架制造。

(4) 飛機結構開裂失效表明, 不僅僅是載荷的作用，環境(腐蝕、摩擦/磨損等)也是影響結構開裂的重要因素，因此美國在1975年又提出了耐久性設計思想。耐久性就是結構在規定時間期限內，抵抗開裂(含應力腐蝕開裂等)、腐蝕、熱退化、磨損和外界損傷的能力, 即要求采用載荷-環境譜進行設計，經濟壽命大于設計目標壽命。我國在2008年頒布的飛機強度設計規范中，也明確提出采用耐久性和損傷容限設計原則，在繼承安全壽命設計的思想上，強調了經濟壽命。

然而，對于起落架制造材料性能而言，耐久性的核心是強調材料耐環境的要求。不僅僅考慮初始裂紋條件下的材料裂紋擴展性能，還要考慮在載荷和外界環境共同作用下的材料裂紋萌生和擴展性能。這種設計理念最直接體現在艦載機強調抗應力腐蝕設計，此時材料技術指標不再是簡單考慮表面防護層下面基材初始裂紋的擴展速率和斷裂韌度，而是在表面防護層破損后的材料抗應力腐蝕性能，包括腐蝕速率、應力腐蝕裂紋擴展速率、應力腐蝕斷裂韌度、腐蝕疲勞等。目前艦載機發生的嚴重事故均為腐蝕導致，這也驗證了艦載機起落架設計制造材料強調耐環境的必要性。美國F-18艦載機20世紀90年代初發生艦上300M鋼起落架腐蝕斷裂事故，2002年F-14艦載機前起落架外筒發生腐蝕斷裂，導致機毀人亡的災難性事故的發生，造成156架該型飛機全面停飛[9]；因此美國海軍將300M鋼列為海上有限使用材料，提出用耐腐蝕更高的超高強度鋼來制造艦載機起落架。美國20世紀90年代初發生F-18飛機300M鋼起落架應力腐蝕斷裂事故后，F-18E/F及F-35艦載型起落架均采用抗應力腐蝕性能更加優異的AerMet100鋼制造[10]。AerMet100鋼的KISCC是300M鋼的2倍以上，3.5%NaCl溶液中的應力腐蝕疲勞裂紋擴展速率降低50%以上，鹽霧環境下AerMet100鋼的腐蝕速率僅為300M鋼的10%[11]。

2.   飛機起落架用超高強度鋼展望

同時提高超高強度鋼的強韌性、損傷容限性能和耐久性對起落架設計的吸引力是毋庸置疑的，但是必須基于新的超高強度鋼的強韌化理論，因此在一段時間內很難改變強度升高，塑性韌性降低的現狀。結合飛機起落架的設計使用需求，起落架用超高強度鋼有以下幾個發展方向。

(1) 2200 MPa級以上超高強度鋼

如果能將超高強度鋼強度級別由現在的1900 MPa級提高到2200 MPa級以上，即強度提高15%以上，對于起落架設計的減重效果還是較為明顯的，對飛機設計師的吸引力更大。為此美國于2003年開始，公布了2100~2300 MPa航空用超高強度鋼的發展規劃和技術方案，進一步研究高比強度超高強度鋼。相繼研發了AerMet310鋼(2100 MPa級)和AerMet340鋼(2300 MPa級), 但AerMet310鋼斷裂韌度實測值為73 MPa·m1/2，AerMet340鋼斷裂韌度實測值為37 MPa·m1/2[12-13]；由于強韌性匹配較低，所以目前沒有實際應用。國內目前也采用M2C、金屬間化合物等沉淀強化理論，開展了2100~2300 MPa超高強度鋼的研制工作[14]。

2200 MPa級以上超高強度鋼的應用關鍵是要在保證強度的前提下，塑性、韌性、疲勞性能、裂紋擴展速率和抗應力腐蝕等綜合性能優于廣泛應用的300M鋼水平，才能體現出技術優勢。

(2) 超高強度不銹鋼

艦載機在整個壽命期內隨艦船在海洋環境下執行任務，長期暴露于高溫、高濕、高鹽的嚴酷腐蝕環境中。除了F-18和F-14艦載機起落架發生腐蝕斷裂外，EA-6B“徘徊者”電子戰飛機也發生過起落架腐蝕問題。因此，艦載機起落架要求采用抗應力腐蝕性能更高的超高強度鋼設計制造。2002年美國QuesTek新技術有限責任公司承擔美國防部戰略環境研究與發展計劃(SERDP)污染防止項目，該項目要求設計新型飛機起落架材料，開發研制出新型超高強度不銹鋼Ferrium S53，用以代替AerMet100等超高強度鋼[15]。Ferrium S53抗拉強度達到1800 MPa級，屈服強度1500 MPa級，應力腐蝕斷裂韌度測試值不低于50 MPa·m1/2。美國采用Ferrium S53鋼試制了A-10艦載攻擊機起落架，進行了考核驗證，2010年12月首次在T-38型教練機應用。

2002年以來，我國成功研制出新型的超高韌性與超高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，典型代表是鋼鐵研究總院的F863鋼、USS122G鋼和北京航空材料研究院的S280鋼。這些鋼是我國自主研發并具有自主知識產權的Cr-Ni-Co-Mo系馬氏體時效不銹鋼，其強度不低于1900 MPa，屈服強度不低于1500 MPa，斷裂韌度不低于90 MPa·m1/2，應力腐蝕斷裂韌度測試值不低于70 MPa·m1/2[16]。

目前研發的超高強度不銹鋼與AerMet100鋼相比，屈強比和斷裂韌度略低，應力腐蝕斷裂韌度提高30%以上，鹽霧環境下腐蝕速率降低10%以上。根據飛機結構設計強度規范要求，在使用載荷作用下，不超過材料的屈服強度；在設計載荷作用下不超過材料的抗拉強度。設計載荷除以使用載荷稱為安全系數，通用的安全系數多為1.5。即要求起落架用鋼的屈強比要大于0.67。超高強度不銹鋼的屈強比為0.75~0.8，可以滿足起落架設計要求。略低的屈服強度有利于通過塑性變形來降低裂紋擴展速率，提高裂紋臨界長度，提高起落架的安全性; 但是低的屈強比容易產生疲勞裂紋，不利于獲得高的安全壽命。考慮到艦載機起落架的失效模式主要為應力腐蝕斷裂，因此略低的斷裂韌度不應該成為阻礙其應用的理由，進一步提高屈服強度更有吸引力。

綜合考慮超高強度不銹鋼的綜合性能，可以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

低成本已經成為現代飛機設計制造中的一個重要指標，采用低成本、高性能材料是措施之一。降低起落架用超高強度鋼成本的方法主要有2種：一種是通過降低貴合金元素含量來降低成分成本，如降低Co等金屬含量；另一種是通過非真空冶煉的方式，降低制造工序成本。

美國在2013年基于“材料基因組”技術開發了新型Co-Ni二次硬化超高強度鋼——Ferrium M54鋼，目標是降低成本，代替AerMet100鋼。Ferrium M54鋼通過降低Co含量，提高C，Mo含量，增加W，Nb等強化元素，來實現高強度、低成本。Ferrium M54鋼已經納入到MMPDS手冊，并獲得美國汽車工程師學會頒發的材料規范AMS 6516[10]。根據AMS 6516和AMS 6532(AerMet100鋼規范)標準對比，二者的強度和KIC相當，Ferrium M54鋼的KISCC顯著提高。然而，實測值對比顯示，二者總體性能相當，Ferrium M54鋼的KIC略低，KISCC略高，并不像規范中規定的那樣存在較大的性能差距。目前試制了Φ350 mm的棒材，美國采用Ferrium M54鋼試制了T-45艦載教練機攔阻鉤桿和F-18E/F艦載機的攔阻鉤頭。從現有公布的資料可以認定，Ferrium M54鋼是一款具有損傷容限特性、優良耐蝕性的低成本超高強度合金鋼，具有較高的性價比，可以用于飛機起落架制造，但以目前公布的性能不足以全面代替AerMet100鋼。

隨著純凈化冶煉以及成分精確控制技術的提高，單真空冶煉的超高強度鋼沖擊性能、疲勞性能以及斷裂韌度接近雙真空冶煉的水平，但是成本大幅降低。這類超高強度鋼可以用于制造下沉速度較低或者使用壽命較低的飛機起落架，如民用飛機、大型無人機等。

3.   結束語

飛機起落架用鋼已經形成了低合金超高強度鋼和高合金超高強度鋼并用的材料體系；基于各型超高強度鋼的特性，建立了完整的抗疲勞制造技術體系。我國起落架用超高強度鋼的研制和應用處于國際先進水平。300M鋼和AerMet100鋼目前應用最為廣泛，一段時期內很難出現性能全面超越300M鋼或AerMet100鋼的同類起落架用超高強度鋼。因此，起落架用超高強度鋼的發展必須與各型飛機的特定需求相結合，才能發揮出最大的技術優勢。