當前航空航天用不銹鋼的種類及冶煉工藝

摘" 要：不銹鋼是我國航空航天事業發展的一類重要物資，關系著航空事業的發展水平及高度。從介紹空用不銹鋼的主要品種及用途著手，簡單分析不銹鋼的主要化學成分構成及物理性質，闡明影響不銹鋼冶煉質量的幾大因素。基于實例解讀冶煉工藝給鋼材冶煉效果帶來的影響，并摸索規劃冶煉工藝路線時應遵循的原則，以供同行參考學習。

關鍵詞：航空航天；不銹鋼；種類；影響因素；冶煉工藝

中圖分類號：TF764.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：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

長期以來，中國航空工業發展始終堅守“一代材料，一代飛機”的理念。當前，航空航天制造用的分析的不銹鋼主要有2類，一是飛機機體用高強度不銹鋼，二是發動機用耐熱型不銹鋼。鋼種的來源不唯一，包括前期納入國軍標的成熟鋼種，也有從他國引進的品種，還有國內自主研發的的新產品。在科學技術日異月新的背景下，很多新機種陸續被成功研發，很多優秀的鋼種與冶煉工藝技術的創新水平達到了新的高度。

1" 空用不銹鋼的主要品種

1.1" 飛機機體用高強度不銹鋼

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

Ni4Mo3N等。國外有人員在優化AF1410鋼合金成分的基礎上成功研發了Aermet100鋼，經檢測發現該鋼種的強度高達1 900 MPa，并且韌性也沒有出現大幅度下降情況，Aermet100鋼的成功開發可以視為20世紀世界冶金技術的一個重大突破，現如今該鋼種已經被用在美國F-22“Raptor”與F-35“Lightning II”戰機的起落架制造方面。

1.2" 飛機發動機用耐熱型不銹鋼

用在這方面的鋼材最大的特點是中溫耐熱能力較強，在450～650 ℃工況下表現出良好的抗蠕變性，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指標分析

2.1" 化學成分構成及物性

眾所周知，不同鋼種的化學成分構成及物理性質有差別，由于上文分類總結了一些代表性較高的鋼種產品的化學成分及物性，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達到了很高水平，本文如下就將其作為研究對象進行具體分析。

2.2" 影響不銹鋼冶煉質量的常見因素

既往大量的生產實踐及研究表明，冶煉工藝是影響鋼材冶金質量水平的核心因素，在冶金工藝領域內其發揮著基礎與龍頭的雙重作用，變形加工工藝給鋼材冶煉質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計要求之外，也要科學設定加工比這一指標，解除方式確保內部組織分布的均勻性、細膩度及各向同性，設計出最為合理科學的熱處理工藝方案能從基礎環節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

冶煉工藝被公認為是影響不銹鋼冶金質量的最重要因素，故而生產工藝的選擇使用也就演變成了冶煉工藝選用這一問題[2]。當然在現實生產實踐中，也絕不能輕易忽視加工及人處理工藝產生的影響，結合生產需求，綜合主客觀多方面因素合理設置開鍛、終鍛溫度、鍛制及火次等相關指標，熱處理工藝的制定與實施情況也關系著鋼材整體冶煉質量的優劣程度。

3.1" 冶煉工藝給鋼材冶煉質量產生的影響

近些年已經陸續開發出一些成熟度較高的生產工藝路線，包括電爐或電爐+精煉、電爐+電渣、真空感應+電渣、真空感應+真空自耗、真空感應爐熔煉（VIM）等。相比之下，電爐或電爐+精煉工法應用時沒有對不銹鋼鋼材質量提出嚴格要求，純度相對較低，高、低倍檢驗檢測執行過程不夠嚴格，在力學性能方面沒有作出嚴格規定要求等。基于電爐+電渣工藝冶煉處理不銹鋼時，在鋼材質量提出的要求稍有增加，主要體現在純凈度、致密性及均質化程度等方面上。真空感應+電渣工藝實際應用時最大的特點是能剔除掉鋼材內儲留的氣體及熔點偏低，并能輔助增加鋼材的致密度，進而輔助提高鋼材的綜合冶煉效果，這種工藝適合處理等級相對較高的鋼種。和前2個冶煉工藝相比較，真空感應+真空自耗工藝的優勢更為顯著，鋼材的純度進一步增加，綜合冶金質量更為優異。VIM工藝應用時可以配置ZG 0.20真空感應爐進行熔煉，設定極限真空度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，該項冶煉技術能顯著改善鋼材的韌性、疲勞強度、耐腐蝕性及高溫蠕變性等[3]。

3.2" 實例分析

1Cr12Ni3MoVN是飛機發動機生產制造時的常用材料，有適用性強、綜合力學性能優良等特點，已經結合鋼種用途差異配置相應的冶煉生產工藝，表1 統計了5～15爐的檢驗結果，通過分析表1中數據，不難發現即便是應用不同的冶煉工藝生產，對鋼材基礎力學性能產生的影響程度并不會形成明顯差異（不做詳細分析），不同冶煉工法之下該不銹鋼的純凈度檢測情況見表2[4]。分析不同冶煉工法下鋼材的室溫疲勞性能變化情況，雖然疲勞性檢測試驗體現出較明顯的分散性、偶然性特征，但依照試驗結果勾畫出的曲線依然能闡釋部分問題。

綜合分析試驗結果，運用電爐冶煉工藝處理不銹鋼時，最后所得鋼材產品自身的抗疲勞性能相對較差，而真空感應+電渣工藝實施時明顯彌補了以上不足，雙真空冶煉工藝取得的效果會更好。對以上情況的成因加以分析，主要和鋼材內非金屬夾雜物的尺寸大小、分布態勢等之間有關聯，當然也和剔除As、Hg、Pb等熔點偏低的毒害雜質元素的程度之間有關聯；此外，減少氣體含量（O＜15.0 ppm，H＜2.0 ppm）能夠有效減少或規避由低應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" 規劃冶煉工藝路線時遵循的基本原則

在規劃設計冶煉工藝路線時除了考慮以上談及的冶金質量與使用年限等硬性指標帶來的影響，也要綜合分析性價比高低、材質類型及具體應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”實質是就是構成鋼材化學成分的設計指標。理論上講，即便是同種材質基于差異化的冶煉工藝生產制造出冶金質量水平也會有高低起伏，性價比發揮著較大額度杠桿作用，如果鋼材在質量方面提出十分嚴格的要求，并且沒有編制出全新的鋼種設計方案時，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質量。

4" 預測強度不銹鋼的發展方向

4.1" 鋼材的強韌化機制

典型航空用強度鋼的屈服強度及斷裂韌度，用于航天航空工具工業的高強度鋼未來發展中并不是單純地增加其強度，追求的是提升強度水平的同時收獲匹配度最好的強韌性。盡管僅增加鋼材強度可供選擇的方法呈現出多樣化特征，且執行過程的難度并不大，但是強度與韌性兩者匹配度較差是制約這類鋼材強度大幅度提升的一個主要因素。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雜，現在產品研發設計中怎樣實現降本增效是該類鋼種未來發展中迫切需要處理的現實問題，提出了如下2點建議。

一是將研發方式從傳統試錯法逐漸轉變成理性化設計。過去研發高強度不銹鋼產品時周期漫長、成本投入較高；故而應盡早改進傳統試錯法，逐漸建立理性化設計模式，不僅能明顯減少研發費用，還能縮短產品研發周期。基于集成計算材料基因工程能夠提升鋼材的強韌性設計水平。國外有學者建立了高強度不銹鋼的強韌化模型，指出板條馬氏體基體是獲取理想強韌化的組織構造，板條馬氏體間是薄膜狀奧氏體集中分布的位置很少出現或不出現晶界夾雜偏析的情況，強化析出相是M2C；并且基于Thermo-Calc運算，找到了較為理想組織的工藝路線及配套參數。

二是拓展強韌化機理研究的深度，為高強度不銹鋼成分構成、冶煉工藝及組織構造設計等提供更為可靠的理論依據。應著重研究這類鋼材的高密度共格及多類型復合析出相[6]。結合既往學者在研究中總結的結論，第二相對應的強化增量在總強度中占比約50.0%，這就意味著強化第二相是提升鋼材強度水平的主要方式。

4.2" 不銹鋼冶金工藝的發展方向

圖1是分別應用傳統冶金和等溫多向鍛造工藝制得的強度不銹鋼的力學性能及顯微組織，通過觀察不難發現，第二種工藝基于再結晶工序有效細化了強度不銹鋼的原奧氏體晶粒，顯著改善了不銹鋼的綜合力學性能，尤其是鋼材的沖擊韌度大概提升了80.0%，這證實了改進冶金工業設備在優化高強度不銹鋼綜合性能發揮的重大作用。后期在設計不銹鋼冶金工藝路線時還要加強軋制和鍛造工序中溫度及載荷的控制力度，進而實現對鋼種組織的整體化控制。

5" 結束語

航空用不銹鋼是處于結構鋼與高溫合金之間的材質，飛機機體制造時采用的鋼種具備良好的耐腐蝕性能，近些年相關部門大力研發的超高強度不銹鋼產品取得很大成績，未來其將會有十分廣闊的應用前景，創造更多的社會及經濟效益。而對于發動機用熱強鋼，其性價比處于較高水平，有針對性地完善冶煉生產工藝，有助于拓展其耐受熱溫度范疇，逐漸將一些高溫合金產品取而代之，預示著這種鋼種未來也會創造出較為廣闊的應用空間。

參考文獻：

[1] 魏亮亮，孫永慶，關玉龍，等.不同冶煉工藝的A286沉淀硬化不銹鋼中夾雜物對比探討[J].冶金分析，2022，42（10）：1-8.

[2] 趙鑫淼，婁健，馬駿鵬，等.CO2用于K-OBM-S轉爐冶煉不銹鋼的理論分析與實踐[J].材料與冶金學報，2022，21（5）：323-329.

[3] 張海飛，武鵬，姚呂金.縮短雙相不銹鋼45 t AOD爐冶煉時間實踐[J].山西冶金，2021，44（6）：55-57.

[4] 陳圣鵬.新原料條件下不銹鋼冶煉工藝及物料平衡、熱平衡模擬[J].鐵合金，2021，52（6）：12-17.

[5] 詹中華，張延玲，成國光，等.15-5PH不銹鋼大型鍛件冶煉脫氧工藝研究[J].鋼鐵研究學報，2021，33（8）：752-758.

[6] 李振鋼，陳興潤，張建龍，等.443超純鐵素體不銹鋼冶煉過程氧含量和夾雜物分析[J].煉鋼，2021，37（4）：58-64.