同时提高超高强度钢的强韧性、损伤容限性能和耐久性对起落架设计的吸引力是毋庸置疑的, 但是必须基于新的超高强度钢的强韧化理论, 因此在一段时间内很难改变强度升高, 塑性韧性降低的现状。结合飞机起落架的设计使用需求, 起落架用超高强度钢有以下几个发展方向。
如果能将超高强度钢强度级别由现在的1900MPa级提高到2200 MPa级以上, 即强度提高15%以上, 对于起落架设计的减重效果还是较为明显的, 对飞机设计师的吸引力更大。为此美国于2003年开始, 公布了2100~2300 MPa航空用超高强度钢的发展规划和技术方案, 进一步研究高比强度超高强度钢。相继研发了Aer Met310钢 (2100 MPa级) 和Aer Met340钢 (2300 MPa级) , 但Aer Met310钢断裂韧度实测值为73 MPa·m1/2, Aer Met340钢断裂韧度实测值为37 MPa·m1/2[12-13];由于强韧性匹配较低, 所以目前没有实际应用。国内目前也采用M2C、金属间化合物等沉淀强化理论, 开展了2100~2300MPa超高强度钢的研制工作[14]。
2200 MPa级以上超高强度钢的应用关键是要在保证强度的前提下, 塑性、韧性、疲劳性能、裂纹扩展速率和抗应力腐蚀等综合性能优于广泛应用的300M钢水平, 才能体现出技术优势。
舰载机在整个寿命期内随舰船在海洋环境下执行任务, 长期暴露于高温、高湿、高盐的严酷腐蚀环境中。除了F-18和F-14舰载机起落架发生腐蚀断裂外, EA-6B“徘徊者”电子战飞机也发生过起落架腐蚀问题。因此, 舰载机起落架要求采用抗应力腐蚀性能更高的超高强度钢设计制造。2002年美国Ques Tek新技术有限责任公司承担美国防部战略环境研究与发展计划 (SERDP) 污染防止项目, 该项目要求设计新型飞机起落架材料, 开发研制出新型超高强度不锈钢Ferrium S53, 用以代替Aer Met100等超高强度钢[15]。Ferrium S53抗拉强度达到1800MPa级, 屈服强度1500 MPa级, 应力腐蚀断裂韧度测试值不低于50 MPa·m1/2。美国采用Ferrium S53钢试制了A-10舰载攻击机起落架, 进行了考核验证, 2010年12月首次在T-38型教练机应用。
2002年以来, 我国成功研制出新型的超高韧性与超高强度马氏体沉淀硬化不锈钢, 典型代表是钢铁研究总院的F863钢、USS122G钢和北京航空材料研究院的S280钢。这些钢是我国自主研发并具有自主知识产权的Cr-Ni-Co-Mo系马氏体时效不锈钢, 其强度不低于1900 MPa, 屈服强度不低于1500MPa, 断裂韧度不低于90 MPa·m1/2, 应力腐蚀断裂韧度测试值不低于70 MPa·m1/2[16]。
目前研发的超高强度不锈钢与Aer Met100钢相比, 屈强比和断裂韧度略低, 应力腐蚀断裂韧度提高30%以上, 盐雾环境下腐蚀速率降低10%以上。根据飞机结构设计强度规范要求, 在使用载荷作用下, 不超过材料的屈服强度;在设计载荷作用下不超过材料的抗拉强度。设计载荷除以使用载荷称为安全系数, 通用的安全系数多为1.5。即要求起落架用钢的屈强比要大于0.67。超高强度不锈钢的屈强比为0.75~0.8, 可以满足起落架设计要求。略低的屈服强度有利于通过塑性变形来降低裂纹扩展速率, 提高裂纹临界长度, 提高起落架的安全性;但是低的屈强比容易产生疲劳裂纹, 不利于获得高的安全寿命。考虑到舰载机起落架的失效模式主要为应力腐蚀断裂, 因此略低的断裂韧度不应该成为阻碍其应用的理由, 进一步提高屈服强度更有吸引力。
综合考虑超高强度不锈钢的综合性能, 可以作为下一代舰载飞机起落架的备选材料。
低成本已经成为现代飞机设计制造中的一个重要指标, 采用低成本、高性能材料是措施之一。降低起落架用超高强度钢成本的方法主要有2种:一种是通过降低贵合金元素含量来降低成分成本, 如降低Co等金属含量;另一种是通过非真空冶炼的方式, 降低制造工序成本。
美国在2013年基于“材料基因组”技术开发了新型Co-Ni二次硬化超高强度钢———Ferrium M54钢, 目标是降低成本, 代替Aer Met100钢。Ferrium M54钢通过降低Co含量, 提高C, Mo含量, 增加W, Nb等强化元素, 来实现高强度、低成本。Ferrium M54钢已经纳入到MMPDS手册, 并获得美国汽车工程师学会颁发的材料规范AMS 6516[10]。根据AMS 6516和AMS 6532 (Aer Met100钢规范) 标准对比, 二者的强度和KIC相当, Ferrium M54钢的KISCC显著提高。然而, 实测值对比显示, 二者总体性能相当, Ferrium M54钢的KIC略低, KISCC略高, 并不像规范中规定的那样存在较大的性能差距。目前试制了φ350 mm的棒材, 美国采用Ferrium M54钢试制了T-45舰载教练机拦阻钩杆和F-18E/F舰载机的拦阻钩头。从现有公布的资料可以认定, Ferrium M54钢是一款具有损伤容限特性、优良耐蚀性的低成本超高强度合金钢, 具有较高的性价比, 可以用于飞机起落架制造, 但以目前公布的性能不足以全面代替Aer Met100钢。
随着纯净化冶炼以及成分精确控制技术的提高, 单真空冶炼的超高强度钢冲击性能、疲劳性能以及断裂韧度接近双真空冶炼的水平, 但是成本大幅降低。这类超高强度钢可以用于制造下沉速度较低或者使用寿命较低的飞机起落架, 如民用飞机、大型无人机等。
