不锈钢在航天航空领域的应用

航空航天领域所使用的不锈钢类型主要包括马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

一、马氏体不锈钢（martensiticstainlesssteel）

马氏体不锈钢以马氏体为基体，既具有基本的耐蚀性，又能通过热处理强化，因而具有良好的力学性能，广泛用于制造紧固件、结构件、轴承、汽轮机叶片等。410不锈钢属于低碳马氏体不锈钢，在淬火、高温回火后使用，强度在500MPa以上，强度、塑性和韧性配合较好。在飞 机上可用于制造承力紧固件，还可以用于制造汽轮机叶片、水压机阀等。431不锈钢是在410不锈钢的基础上提高了C和Cr元素含量，并添加了2%的Ni。在淬火、回火后抗拉强度达到1200MPa以上，最 高使用温度可以达到400℃，可用于飞 机发动机的压气机转子叶片、整流叶片、压气机机匣、内外环、承力螺栓和吊挂等。在410不锈钢的基础上，进一步合金化，发展了马氏体热强不锈钢。这类钢强度高，耐热温度可达550℃，主要用于航空发动机的压气机盘和叶片。国外此种类型的不锈钢有美国的419、422，英国的H46、HGT4，俄罗斯的ЭИ736、ЭИ961等。国内自上世纪60年代起开始创新研制GX-8热强不锈钢是在俄罗斯ЭИ961钢的基础上，适当调整W、Mo、V强化元素的含量，并用Nb补充强化。GX-8钢比ЭИ961钢具有更高的室温强度、耐热性和耐腐蚀性，用于航空发动机的转子叶片、静子叶片和颈轴等部位。

在航天航空工业中所使用的马氏体不锈钢的代表性的钢号为1Cr13、2Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18Mo等。其中1Cr13、1Cr17Ni2用以制作具有良好强度和韧性的零件，发动机周围排气通路等零件，火 箭燃料贮罐（如图1所示）。2Cr13和9Cr18Mo用于制造硬度零件，如杆、销钉等。9Cr18Mo也用来制作高温周期运动零件盒油压零件、紧固件等。

二、奥氏体不锈钢（austeniticstainlesssteel）

奥氏体不锈钢由于含有较高的铬（Cr）和镍（Ni），因此具有优良的耐腐蚀性和抗氧化性以及较高的高温蠕变强度，广泛的被应用于各类导管、垫片以及铆钉等。

301、302、303、304、316、321不锈钢均属于18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢。301不锈钢具有良好的抗氧化性和冷成形性，用于飞 机机体上相对于铝合金来讲工作环境温度过高的面板、加强片、垫板等零件。由于Cr、Ni合金元素含量最少，301不锈钢奥氏体稳定性差，但冷作硬化能力较强。302不锈钢与301不锈钢相比抗拉强度稍低但耐蚀性能较好。303不锈钢在18Cr-8Ni基础上添加了硫以改善机械加工性能，其主要用于高温螺母、丝杆及三通管等。304不锈钢降低了

碳含量并适当提高了Cr、Ni元素含量，耐蚀性得到进一步提高。316不锈钢在18Cr-8Ni的基础上添加了2%-3%的Mo，耐蚀性和高温下的抗拉强度得到了提高，主要用于航空器材的发动机零件和排气管等部位（如图2所示）。

三、沉淀硬化不锈钢（Precipitationhardeningstainlesssteel）

沉淀硬化不锈钢是20世纪40年代 发展起来的一类超高强度不锈钢。沉淀硬化不锈钢是通过添加Mo、Ti、Al、Nb、Cu等元素，在时效过程中析出金属间化合物和某些碳化物以提高强度。沉淀硬化不锈钢既保持了奥氏体不锈钢的优良的焊接性、冷加工成型性和耐蚀性，又比马氏体不锈钢具有更高的强度。其在航天航空领域主要被用于制造舱盖锁闸、高强度螺栓、弹簧等各类零配件。

在航天航空工业中所使用的沉淀硬化不锈钢的代表性的钢号为牌号有17-7PH、PH15-7Mo、17-4PH、PH13-8Mo、15-5PH、AM350、Custom455、Custom465、Custom475等。如“阿波罗”人造卫 星后遮板使用PH14-8Mo，宇宙飞 机的紧固件使用A-286，XB-70大型飞 机的翼桁使用15－5PH。

17-7PH是控制相变型沉淀硬化不锈钢，该不锈钢在固溶处理冷却至室温时，仍保留奥氏体组织，因而易于加工成形，在经过适当处理最终转变为马氏体组织，达到优良的力学性能水平。17-7PH不锈钢既有高的强度，又有好的耐蚀性，而且焊接性能良好，可用于350℃以下长期工作的结构件，国外广泛用于航空薄壁结构件、压气机盘以及各类容器、导管、弹簧等。PH15-7Mo是17-7PH的发展型，是用2%Mo代替了2%Cr，从而获得了更高的强度。上世纪70年国内研制了控制相变型沉淀硬化不锈钢69111，其各项性能与国外的17-7PH、PH15-7Mo钢相似，但Cr、Ni元素含量比PH15-7Mo钢低20%-30%，目前用于制造航空器材液压系统的三通、四通、弯管嘴等零件以及座舱结构件、发动机吊挂螺栓等。

17-4PH钢是马氏体沉淀硬化不锈钢，具有较高的强度、耐蚀性、抗氧化性和焊接性能。其强化效果来自于马氏体相变和富铜相的沉淀强化。适用于制造工作温度400℃以下的高强度耐蚀零件，如飞 机、导 弹的紧固件、发动机机匣的前后安装边以及发动机反推装置中的加强板、支架、接头等。

PH13-8Mo钢是20世纪50年代末国外研制的超高强度沉淀硬化不锈钢，具有超高强度、高硬度以及优异的耐蚀性和抗应力腐蚀能力，允许大尺寸零件热处理空冷，适宜制造大截面尺寸零件。PH13-8Mo钢用于F-16飞 机发动机机架、F111起落架接头以及C-17飞 机装卸货用销子、航空用固定销、轴类件等部位。

Custom455、Custom465、Custom475是马氏体时效不锈钢，属于沉淀硬化不锈钢的一种，其采用了低碳板条马氏体和时效强化机理，是不锈钢中强度水平最 高的。Custom475钢在H950状态下的抗拉强度可达1979MPa，但此类不锈钢的屈强比过高，零件一旦过载容易突然断裂，不利于事故的预防。目前，马氏体时效不锈钢已应用于航空高强度紧固件、螺栓、齿轮、飞 机起落架（如图3所示）等部位。

四、结语

航天航空工业的发展，特别是新型飞 机的发展需要强度高、韧性好、耐蚀性好的结构材料。虽然不断出现各类新材料，但不锈钢材料在弹性模量、冲击韧性和强度等方面依然具有很大的优势，在今天和可预见的未来，仍将是一种不可替代的关键材料之一。