飞机起落架用钢的发展过程与飞机设计思想、设计需求和材料制造技术的前进是同步的。起落架承受静载荷、动载荷以及重复载荷, 核心设计思想是保证安全使用的前提下尽可能减轻其重量和缩小其尺寸, 具体的设计原则不断完善进步。
(1) 早期飞机采用静强度设计, 我国20世纪50年代飞机设计即强调静强度设计。结构的安全性主要通过选取适当的安全系数来保证, 一般取材料的抗拉强度除以安全系数即为使用强度。起落架制造材料强调抗拉强度、屈服强度, 并具有优良的塑性以及冲击韧性。起落架主承力构件主要由1175 MPa级高强度钢4130, 30Cr Mn Si A等材料, 经手工电弧焊等方法制造[2]。
(2) 随着各国采用静强度设计的飞机相继出现疲劳破坏事故, 在静强度基础上发展了对飞机疲劳强度的要求, 即强调安全寿命设计。第二代战斗机开始全面采用安全寿命设计。安全寿命就是假定结构不存在初始裂纹或损伤。对制造材料S-N曲线, 依据损伤累计理论, 根据估算裂纹形成寿命或根据实验获得裂纹形成实验寿命, 再用裂纹形成寿命除以分散系数即为使用寿命。起落架的安全使用寿命通常取起落架实验寿命的1/4~1/6。安全寿命设计尤其适用于结构复杂、造价高的起落架主承力结构, 如起落架外筒、活塞杆、轮轴等。因此, 此时起落架制造用钢不仅要求具有较高的强度和刚度, 还要有优异的抗疲劳特性。较高的强度有利于获得较高的裂纹形成寿命, 同时高强度/刚度可以减重和提高机体内空间利用率。随着超高强度钢技术的发展, 超高强度结构钢制造大型飞机起落架主承力构件成为必然的选择。
起落架主承力件采用强度更高的1580~1760 MPa级超高强度钢30Cr Mn Si Ni2A, 4330M, 4340等, 采用焊接方法制造[2]。苏联主要采用30Cr Mn Si Ni2A钢, 是在30Cr Mn Si A的基础上, 加入1.4%~1.8%的Ni和适量的Mn, 增加了马氏体过饱和度、相变应变和位错密度, 同时提高了马氏体基体的韧性, 并降低Ms点, 提高淬透性。30Cr Mn Si Ni2A钢的C含量为0.27%~0.34%, 容易产生焊接裂纹, 因此需要焊前预热和焊后回火, 多层焊时控制层间温度, 焊接接头强度不低于母材的90%。
随后相继开发了1800~1900 MPa级的H11, D6AC, 300M等超高强度钢, H11是最早的中合金二次硬化超高强度钢。300M钢是1952年美国国际镍公司在4340钢的基础上, 添加了1.6%的Si和0.1%的V, 增加强度和回火抗力, 提高回火温度而研制开发的1900 MPa级超高强度钢, 与H11, D6AC, 4340钢相比, 具有更加优异的冲击性能和综合性能。因此, 1964年美国C-5A大型军用运输机起落架首次使用300M钢制造后, 推广到各型飞机起落架, 成为目前应用最广泛的起落架用超高强度钢, 美国现役各型飞机90%以上的起落架采用300M钢制造。300M钢焊接性较低, 所有300M钢制起落架均采用整体锻件设计制造。20世纪70年代, 美国在300M钢的基础上降低C含量, 增加Si含量, 开发了HP310钢, 当抗拉强度提高到2100MPa级时, 韧性过低而未获应用[3]。
我国在20世纪60年代自主开发研制了无Ni少Cr型抗拉强度1860 MPa的低合金超高强度钢40Cr Mn Si Mo VA (GC-4) 钢, GC-4钢具有良好的工艺性能和综合力学性能, 可以采用焊接结构。在20世纪80年代, 我国研制了双真空冶炼300M钢, 与GC-4相比强度相当, 但横纵向性能一致性、冲击性能、疲劳性能、抗应力腐蚀性能更加优异。由于采用精炼脱硫原材料, 通过双真空冶炼, 钢中S, P含量分别降低到0.002%~0.003%和0.005%~0.008%, 比GC-4钢降低1倍以上, 使材料疲劳裂纹形成寿命显著提高。在此基础上, 根据双真空300M钢的特性, 开发了起落架外筒和活塞杆锻件整体锻造、真空淬火、大长细比深孔加工、孔挤压强化、低氢脆镀镉钛表面处理等完整的抗疲劳制造技术体系, 1990年300M钢制起落架首次应用, 实现了起落架安全使用寿命与机体相同[2]。随后我国飞机起落架广泛采用300M钢制造。
(3) 自1969年以来, 美国F-111, F-4等飞机虽然通过了全机疲劳实验, 但在安全使用寿命期内仍旧发生了疲劳断裂事故, 美国提出了飞机损伤容限设计思想, 即考虑结构中存在的微小初始缺陷对使用寿命的影响, 并于1974年颁布了飞机损伤容限设计要求MIL-A-83444。F-16是率先贯彻损伤容限设计要求的美国军机, 但该设计要求指出损伤容限设计适用于飞机机体结构, 不完全适用于起落架结构。我国1985年颁布的飞机强度设计规范中也规定, 现阶段飞机设计应采用安全寿命与损伤容限相结合的设计原则。起落架主结构为单传力路线静定结构, 如果强调损伤容限设计, 那么必须设计成缓慢裂纹扩展结构, 着重考虑起落架的疲劳损伤、断裂破坏和安全使用寿命, 即用裂纹形成实验寿命确定使用寿命, 用裂纹缓慢扩展实验寿命确定起落架的翻修周期。
此时对于起落架制造用钢提出了较小裂纹扩展速率和较高断裂韧度的新要求, 强调材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。高断裂韧度有利于获得高动态断裂韧度。由于起落架用超高强度钢一直强调强韧性匹配, 而较高的强韧性匹配可以获得较小裂纹扩展速率和较高断裂韧度, 所以以第3代战斗机为代表的各型飞机起落架仍旧沿用之前的材料。苏联的苏-27等系列飞机起落架仍就采用30Cr Mi Si Ni2A钢;法国的“幻影”、“协和号”等飞机起落架采用35NCD16钢[4];由于300M钢在所有低合金超高强度钢中具有小裂纹扩展速率和高断裂韧度, 因此截至目前, 以F-15, F-16, F-18A/B/C/D型为代表的大部分军民用飞机起落架仍旧采用300M钢。300M钢不属于损伤容限型材料, 随着对疲劳断裂理解的深入, 在原有指标基础上强调了断裂韧度的要求, 不低于55 MPa·m1/2。随着二次硬化高合金钢理论和高纯净冶炼技术的成熟, 在H11钢、AF1410钢的技术基础上, 美国在20世纪90年代初开发了1900MPa级的Aer Met100超高强度合金钢[5], 完成了飞机起落架用钢由低合金超高强度钢向高合金超高强度钢的跨越。Aer Met100钢是第一款损伤容限型起落架用超高强度钢, 断裂韧度、冲击性能、疲劳性能和耐腐蚀性能均显著优于300M钢:断裂韧度提高1倍以上, 不低于110 MPa·m1/2;冲击性能提高50%;Kt=1时疲劳裂纹形成寿命提高20%, Kt=2时疲劳裂纹形成寿命相当。美国的F-22和F-35飞机起落架为了实现不低于6000个起落的安全使用寿命, 保证返修周期, 采用Aer Met100钢制造。虽然AerMet100钢具有优良的焊接性能, 但为了保证AerMet100钢起落架的安全使用寿命, 突出高合金钢的损伤容限优势, 采用整体锻件设计制造。
我国突破了超纯净冶金、大锭型成分精确控制、大规格棒材开坯锻造等关键技术, 完成了超大规格23Co14Ni12Cr3Mo E (A-100) 钢的研制, 钢材纯净度国内首次达到99.995%, 确保断裂韧度等力学性能全面不低于Aer Met100钢。起落架用钢强调强韧性匹配, 均含有一定量薄膜状均匀分布的奥氏体, 疲劳裂纹扩展速率差别不大, A-100钢和300M钢的疲劳裂纹扩展速率对比如图1所示。并根据A-100钢损伤容限特性, 突破了大型复杂模锻件成形成性、大型复杂零件精密热处理[6]、超音速火焰喷涂、复合喷丸强化[7]、低氢脆镀镉钛、低应力无烧蚀磨削[8]等关键技术, 形成了起落架用高合金超高强度钢的抗疲劳制造技术体系。
18Ni类超高强度马氏体时效钢, 虽然也可以通过二次强化达到1800 MPa以上, 并具有较高的断裂韧度, 但是这类超高强度钢由于采用金属间化合物强化, 所以冲击性能和疲劳性能较低, 缺口敏感性较高。高屈强比也不利于抑制裂纹扩展, 因此这类超高强度钢没有用于起落架制造。
(4) 飞机结构开裂失效表明, 不仅仅是载荷的作用, 环境 (腐蚀、摩擦/磨损等) 也是影响结构开裂的重要因素, 因此美国在1975年又提出了耐久性设计思想。耐久性就是结构在规定时间期限内, 抵抗开裂 (含应力腐蚀开裂等) 、腐蚀、热退化、磨损和外界损伤的能力, 即要求采用载荷-环境谱进行设计, 经济寿命大于设计目标寿命。我国在2008年颁布的飞机强度设计规范中, 也明确提出采用耐久性和损伤容限设计原则, 在继承安全寿命设计的思想上, 强调了经济寿命。
然而, 对于起落架制造材料性能而言, 耐久性的核心是强调材料耐环境的要求。不仅仅考虑初始裂纹条件下的材料裂纹扩展性能, 还要考虑在载荷和外界环境共同作用下的材料裂纹萌生和扩展性能。这种设计理念最直接体现在舰载机强调抗应力腐蚀设计, 此时材料技术指标不再是简单考虑表面防护层下面基材初始裂纹的扩展速率和断裂韧度, 而是在表面防护层破损后的材料抗应力腐蚀性能, 包括腐蚀速率、应力腐蚀裂纹扩展速率、应力腐蚀断裂韧度、腐蚀疲劳等。目前舰载机发生的严重事故均为腐蚀导致, 这也验证了舰载机起落架设计制造材料强调耐环境的必要性。美国F-18舰载机20世纪90年代初发生舰上300M钢起落架腐蚀断裂事故, 2002年F-14舰载机前起落架外筒发生腐蚀断裂, 导致机毁人亡的灾难性事故的发生, 造成156架该型飞机全面停飞[9];因此美国海军将300M钢列为海上有限使用材料, 提出用耐腐蚀更高的超高强度钢来制造舰载机起落架。美国20世纪90年代初发生F-18飞机300M钢起落架应力腐蚀断裂事故后, F-18E/F及F-35舰载型起落架均采用抗应力腐蚀性能更加优异的Aer Met100钢制造[10]。Aer Met100钢的KISCC是300M钢的2倍以上, 3.5%Na Cl溶液中的应力腐蚀疲劳裂纹扩展速率降低50%以上, 盐雾环境下Aer Met100钢的腐蚀速率仅为300M钢的10%[11]。
