“如果把發(fā)動(dòng)機(jī)和飛控設(shè)備比作飛機(jī)的心臟和大腦，那么航空超高強(qiáng)度鋼制作的起落架就是飛機(jī)的‘腿腳’。沒有強(qiáng)健腿腳，縱使心臟和大腦再強(qiáng)大，巨人依然站立不起來！”南開大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師梁嘉杰對科技日報(bào)記者說。

在梁嘉杰等材料科學(xué)家看來，隨著中國大飛機(jī)等項(xiàng)目的加速推進(jìn)，國產(chǎn)航空超高強(qiáng)度鋼材的研發(fā)制造必須迎頭趕上，才能讓國產(chǎn)大飛機(jī)更穩(wěn)健地翱翔藍(lán)天。

美國300M是世界主流

“川航客機(jī)玻璃脫落迫降，落地時(shí)由于超重滑行，輪胎都癟了，但依然實(shí)現(xiàn)了安全著陸，這得益于好的起落架，如果沒有好的高強(qiáng)度鋼，這種迫降是致命的。”中國民航大學(xué)一位學(xué)者告訴科技日報(bào)記者。

無論起飛還是降落，起落架都是支撐飛機(jī)的唯一部件，尤其是在飛機(jī)降落階段，其承載的載荷不僅僅來自機(jī)身重量，還有飛機(jī)垂直方向的巨大沖力。因此，起落架的材料強(qiáng)度必須十分優(yōu)異，一般材料無法滿足這一要求，只能依靠特種鋼材才行。“頻繁的起降滑行，對起落架的材料可靠性提出了近乎嚴(yán)苛的要求，可以說起落架用鋼就代表著一個(gè)國家超高強(qiáng)度鋼的最高水平。”采訪中，專家如是說。

在航空業(yè)，大飛機(jī)是指起飛總重量超過100噸的運(yùn)輸類飛機(jī)，包括軍用、民用大型運(yùn)輸機(jī)和150座以上的干線客機(jī)。每架大飛機(jī)的起落架用特種高強(qiáng)度鋼約15噸。因?yàn)閲a(chǎn)材料不過關(guān)，首架C919下線試飛時(shí)，起落架用進(jìn)口材料制作。

梁嘉杰告訴記者，就目前起落架鋼材使用現(xiàn)狀來看，美國的300M鋼使用范圍最廣。300M鋼是1952年由美國國際鎳公司研發(fā)，并采用整體鍛件制造工藝制造而成，其強(qiáng)度在1900MPa—2100MPa，相當(dāng)于20000個(gè)大氣壓。迄今為止，美國九成以上軍民用飛機(jī)起落架材料由300M鋼擔(dān)綱。

必須翻過純凈度這座“山”

“超高強(qiáng)度鋼可分為低合金、中合金和高合金三類，飛機(jī)起落架用的鋼材，是典型的低合金鋼，對‘氫脆’很敏感，真空高溫冶煉需要高純凈度。”天津工業(yè)大學(xué)一位研究金屬的教授介紹，鋼鐵等金屬材料原子按照一定的規(guī)則排列，被稱為晶格，晶格中偶爾有不守秩序的原子會(huì)站錯(cuò)隊(duì)，發(fā)生錯(cuò)排的地方稱為位錯(cuò)。鋼鐵冶煉凝固過程中，殘留在鋼鐵內(nèi)的氫原子會(huì)主動(dòng)尋找位錯(cuò)，向金屬中缺陷附近不斷集中，到室溫時(shí)，原子氫在缺陷處結(jié)合成分子氫，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，使金屬發(fā)生看不見的裂紋，也就是“氫脆”。

“從原子變分子，氫就如同嘯聚山林的好漢，聚到一起就會(huì)產(chǎn)生很大的破壞力。用于制作起落架的超強(qiáng)度鋼最怕這個(gè)。”該教授形象地說。而記者了解到，美國飛機(jī)部件破壞調(diào)查分析表明，起落架多數(shù)是由于表面應(yīng)力腐蝕或疲勞裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致最后斷裂的。

美國的300M鋼采用真空熱處理技術(shù)，避免了滲氫，零件表面光亮，無氧化脫碳、增碳和晶界氧化等缺陷，提高了表面質(zhì)量。與此形成對比，國內(nèi)用于制作起落架的國產(chǎn)超強(qiáng)度鋼材有時(shí)會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷、硫化物夾雜、粗晶、內(nèi)部裂紋、熱處理滲氫等問題，這些問題都與冶煉過程中純凈度不夠有關(guān)系。

目前，我國的超高強(qiáng)度鋼材研制水準(zhǔn)與歐洲、俄羅斯相比基本相當(dāng)或略有優(yōu)勢，但在材料創(chuàng)新基礎(chǔ)研究能力，尤其是高純度熔煉技術(shù)方面與美國還有較大差距，存在很大提升空間。

“未來，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注提升超強(qiáng)度鋼純凈度。”中國航發(fā)北京航空材料研究院研究員、中國工程院趙振業(yè)院士說，純凈度會(huì)影響航空器械的“壽命”，也是所有航空超高強(qiáng)度鋼的“命門”，是必須要翻越的山。他打比方說，其影響如同我國的氣候分水嶺秦嶺一樣明顯，翻過秦嶺是四川的濕潤氣候，秦嶺以北是陜西的氣候。航空器關(guān)鍵構(gòu)件達(dá)到長壽命、高可靠、結(jié)構(gòu)減重，首先要過了純凈度關(guān)，然后才能談抗疲勞性等金屬材料的其他特性。

部分技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室階段

全球航空航天材料市場預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到258億美元，這是一個(gè)快速增長的龐大市場，目前高端新材料基本上被美國和歐洲壟斷著。根據(jù)測算，我國高溫合金行業(yè)長期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，年市場缺口近1萬噸。

一代材料技術(shù)，一代航空裝備。“在大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)性關(guān)鍵部件用鋼方面，我國整體水平基本上可以滿足國防軍工、裝備制造、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，但與國際先進(jìn)水平相比，仍存在較大差距。尤其在航空（航天）用高溫合金方面，我國仍處于跟跑階段。不過客觀上講，我國研制和生產(chǎn)水平與先進(jìn)國家的差距正在縮短。”中國鋼鐵研究總院副院長杜挽生說，航空用高純度單晶高溫合金，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四代技術(shù)的應(yīng)用量產(chǎn)，而國內(nèi)只到了第二代，三代、四代技術(shù)仍在持續(xù)的攻堅(jiān)中。

今年5月14日上海航展上，寶鋼特鋼有限公司研制生產(chǎn)的300M超高強(qiáng)度鋼露面，這意味著在C919后續(xù)機(jī)型上，起落架有望在確保安全的前提下實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。但有鋼鐵冶金業(yè)內(nèi)人士告訴記者，大飛機(jī)用的超強(qiáng)度鋼材完全國產(chǎn)化這一過程還有一段很長的路要走。國內(nèi)高性能鋼鐵部分制造技術(shù)，尤其是新一代數(shù)字化和智能化控軋控冷技術(shù)、先進(jìn)熱處理技術(shù)、變截面軋制技術(shù)、溫度梯度軋制技術(shù)、高精度軋制技術(shù)，我們與美國、日本還有不小的差距，有的還停留在實(shí)驗(yàn)室層面，超高強(qiáng)度鋼材實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，還要加強(qiáng)科研。