直升机用高均质性钢材及其标准分析

袁文明 金春玉

（1.北京航空材料研究院，北京 100095；

2.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

直升机用高均质性钢是指对力学性能指标上下限范围进行严格控制，确保制件冶金质量均匀和批次性能稳定的一类材料。这类材料大部分用于直升机受力较大且受力情况较复杂的部位，大部分锻件属于关键件或重要件。直升机用高均质性钢材料的验收要求非常严格，与国内其它标准相比，高均质性钢材不仅强度和硬度有上下限控制，还通过100%超声检测来控制内部缺陷，材料加工成零件后还通过100%均质性检验（包括硬度检测等）来保证材料制件的性能均匀性。

直升机用高均质性钢材的国外标准有法国宇航标准和欧洲直升机公司标准。法国高均质性钢宇航标准主要为AIR。但是欧洲直升机公司从上世纪末开始，编制了一系列高均质性钢的公司级标准后，AIR标准就不再使用了。欧洲直升机公司高均质性钢锻件通用标准为IGC，原材料专用标准为ASNA、IGC等，这些专用技术标准规定的冶炼方法是电渣重熔、真空重熔或更高级的熔炼方法，其技术要求除了5大力学性能指标（σb、σp0.2、δ5、HB、AK）、金相（显微组织、低倍、晶粒度、夹杂物）外，还有疲劳性能、超声波和锻件的批次均质性要求。其中，σb和HB指标都规定了上下限值，并且用硬度检测锻件的批次均质性。与国内的国军标和航标相比，技术要求的项目多了很多项，夹杂物指标要求也高，这种严格控制对零件性能稳定和疲劳寿命保证将起到重要作用。

从上个世纪90年代以来，我国直升机上已经使用了多年高均质性钢材，该类材料在新型武装直升机和通用直升机上的需求量有增加的趋势，但是目前还没有行业以上的高均质性钢技术标准，目前，高均质性钢的生产和验收仍处于使用型号专标、国外标准和技术协议的不规范状态。因此急需编制统一规范的行业标准，为新型直升机的研制提供技术基础。

1 直升机用高均质性钢设计要求和应用特点

1.1 设计要求

直升机主要通过高速旋转的旋翼提供升力、前进力，通过变向变速传递涡轴动力，并靠尾桨实现平衡与方向操纵，机身结构无气动加热，机身下部要求抗坠毁，使用环境条件恶劣多变，且要求具有高的使用可靠性和长的使用寿命，因此，与其他机械装备相比，直升机对其所用材料要求非常严格。不仅要求较高的比强度、比刚度，承受各种拉应力、压应力和剪应力等，保证直升机静强度设计要求；还要求较好的疲劳性能，承受旋翼高速旋转运动引起的各种疲劳、振动载荷，保证直升机动强度设计要求。

直升机用高均质性钢设计要求如下：

一是具有高比强度(σb/ρ)，高比刚度(E/ρ)，以减轻直升机结构重量，增加直升机运载能力，提高其机动性，加大航程，减少燃油消耗；

二是旋翼与传动系统中的转动部件所用材料要具有高的抗疲劳性能，以防止直升机关键件疲劳断裂失效；

三是起落架等部件用钢应满足较高的抗应力腐蚀及断裂韧性要求，以保证其获得高的抗坠、防腐性能和可靠性；

四是应严格贯彻材料标准要求，控制材料均质性，以保证直升机在规定的使用寿命期内具有使用可靠性与安全性。

1.2 应用特点

最近20年来，通过直升机用材料的国产化研制，我国已引进了15CDV6、16NCD13、30CD12、30NCD16、32CDV13、35NCD16；Z12CNDV12、Z12CN 13、Z15CN17–03、Z–50N M C12（Z–55NMC12–05）等欧洲直升机用高均质性结构钢、不锈钢材料，并广泛应用于在研在制的各型号直升机中。与国内同类型的其他材料相比，高均质性钢具有纯净度高、强韧性配合良好、冶金质量和性能均匀性好等特点，上述材料是按欧洲直升机用材料标准并采用先进的冶炼方法生产的，与过去相比，直升机用高均质性钢新材料在技术水平上明显上升了一个台阶。

1.2.1 15CrMoMnVA/E（15CDV6）

一种高强度调质钢，淬火加高温回火后具有高的强度、好的塑性和韧性、良好的冲压性能和焊接性能，经调质处理后，可焊接任何复杂的构件，焊后不需进行热处理。适合制造截面较小的焊接件和钣金件。

1.2.2 16Ni3CrMoA/E（16NCD13）

一种低合金渗碳钢，该钢具有突出的塑性、韧性和良好的淬透性，由于钢中加入了一定量的合金元素钼，降低了钢的过热敏感性，使钢的工艺性能有所提高。经渗碳并淬火加低温回火，表面具有很高的硬度，心部又有好的强度与韧性的配合。该钢锻造和切削加工性能良好，适宜制造高级齿轮。

1.2.3 30Cr3MoA（30CD12）

一种低合金、高强度、高韧性、化学热处理优良的氮化钢，经氮化处理后，表面硬度高，耐磨性好，且氮化层脆性小，适于制造齿轮、轴类等重要受力零件。

1.2.4 30CrNi4MoA（30NCD16）

一种高强度调质钢，淬透性很好，调质处理后可在大截面上获得均匀的高强度及高的塑性、韧性配合，冷脆转变温度低，缺口敏感性小，抗疲劳性能好，该钢无明显的回火脆性，切削性能中等，适宜制造截面较大的重要受力零件。

1.2.5 32Cr3MoVA（32CDV13）

一种中碳低合金渗氮钢，该钢具有高的淬透性，良好的综合力学性能，用V代替Al后材料渗氮性好，渗氮后表面可获得高的硬度和耐磨性，芯部有良好的强度与韧性配合，可取代38CrMoAlA渗氮钢，用于制造直升机传动系统的锥齿轮、齿轮轴等重要零件。

1.2.6 35Cr2Ni4MoA（35NCD16）

该钢具有高的淬透性，且无明显回火脆性，冷脆转变温度较低，疲劳强度较高，该钢在调质状态或淬火加低温回火状态下使用，适于制造截面较大、承受疲劳载荷的关键件与重要件，如传动齿轮、传动轴、接头、螺栓等。

1.2.7 1Cr12Ni3MoVA/E（Z12CDV12）

该钢具有较高的中温抗蠕变性能、抗疲劳性能和抗腐蚀性能，满意的焊接性能和成型性能，可在500℃以下使用。适用于制造航空发动机的低压压气机一级转子轴机匣、燃烧室外套、安装边和支承座等。

1.2.8 1Cr13Ni（Z12CN13）

该钢与国内通用马氏体钢1Cr13相比，具有较好的淬透性和抗氧化性。该钢经调质处理后，具有较高的强度、韧性和良好的减震性，适用于制造在腐蚀介质和冲击载荷条件下工作的零件，如发动机连接管、衬套及安装边等。

1.2.9 1Cr17Ni3A（Z15CN17–03）

该钢的δ-铁素体含量明显低于1Cr17Ni2，横向性能比1Cr17Ni2明显改善，抛光性能、切削加工性能及冷冲压成形性能亦好，并可用各种方法焊接，但焊后须进行高温回火或调制处理。适用于制造要求较高强度、韧性、塑性和良好耐蚀性的零部件。

1.2.10 5Ni12Mn5Cr3Mo（Z–50NMC12、Z–55NMC12–05）

该钢不但具有较高的强度、韧性、塑性和良好的冷热成形性，还具有较好的抗氧化性和耐蚀性，不能通过热处理强化，一般在氮化后使用，进行氮化处理后可提高表面耐磨性。该钢切削加工性能良好，多用于制造航空发动机燃油调节器中的衬套、喷嘴、外罩、活塞等重要零件。

2 直升机用高均质性钢标准分析

国内现有10种直升机用高均质性钢所涉及的材料标准有型号专标、抚钢企业标准（辽新企业标准）、法国宇航标准、欧洲宇航公司标准和美国宇航材料标准，及相关理化试验方法标准共170余份。

法国宇航（AIR）材料标准基本上按合金种类编制了一个标准，一个标准里包含多个牌号、多个品种。欧洲宇航公司的材料标准（ASNA）由一个牌号、一个使用状态、一个强度级别、一个品种编制一个标准，因此ASNA标准数量很多。法国宇航（AIR）材料标准和欧洲宇航公司材料标准的化学成分、冶炼和制造方法、尺寸、状态和性能等材料特性要求和指标，在附录中以表格的形式列出，能很方便地查找所需的技术要求，尤其是方便了设计人员。美国航空用结构钢、不锈钢标准（AMS）是由一个牌号、一个性能级别、一个品种或多个品种构成一个标准。从技术内容上看，欧洲宇航公司材料标准要求最严，与其它标准相比，不仅强度和硬度有上下限控制，还通过100%超声检测来控制内部缺陷，材料加工成零件后还通过硬度检测来保证材料的性能均匀性。

2.1 技术要求

2.1.1 冶炼方法

型号专标和抚钢企业标准的冶炼方法都是电渣重熔、真空重熔或电渣重熔和真空重熔；法国宇航标准和欧洲宇航公司标准，关键件用的材料采用真空感应或真空自耗电极重熔，其它材料采用了空气熔炼；AMS标准的超高强度钢及高强度不锈钢的冶炼方法为真空自耗电极重熔或真空感应＋真空电弧重熔。

2.1.2 化学成分

10种高均质性钢材料的法宇航标准、欧洲直升机公司标准、我国型号专标及辽新企业标准的碳、锰、硅和主元素的成分相同，而硫、磷杂质含量和残余元素有所区别。

法国宇航标准和欧洲直升机公司标准对残余元素（Cu、Al、Ti等）没有要求，而国内型号专标及辽新企业标准，除1Cr17Ni3A外对残余元素含量都有控制要求。

型号专标及辽新企业标准的硫、磷杂质含量，除1Cr13Ni和5Ni12Mn5Cr3Mo外，均严于法国宇航标准和ASNA系列标准。

2.1.3 力学性能

法国宇航标准、欧洲宇航公司标准和国内型号专标及辽新企业标准的力学性能分级、检测项目、指标和参考热处理制度大部分相同，个别的参考热处理温度范围和力学性能有所区别，但区别不大；冲击性能缺口有所不同：法国宇航标准规定的验收值是U型缺口的冲击值，欧洲宇航公司标准规定的验收值是V型缺口的冲击值，型号专标大部分材料同时给出了U型和V型缺口的冲击韧性验收值。

2.1.4 金相组织

低倍组织：型号专标及辽新企业标准的低倍要求较法国宇航标准和欧洲宇航公司标准详细，但这些标准的检测要求只适合于判定电炉钢，不适合于自耗电极重熔钢低倍缺陷的判定，标准中应规定暗斑、白斑、径向偏析和环状花样的缺陷分析。

非金属夹杂物：型号专标及辽新企业标准的非金属夹杂物级别根据冶炼效果，规定了不同的级别，其级别相当于法国宇航标准的2级到4级之间。欧洲宇航公司标准的特殊冶炼钢非金属夹杂物级别为3级或4级。

晶粒度：型号专标及辽新企业标准的晶粒度要求基本与美宇航标准相当，为7级，个别5级，但法国宇航标准和欧洲直升机公司标准的特种冶炼钢标准的晶粒度为7级，偏高于国内标准。

2.1.5 无损检测

超声波检验：型号专标及辽新企业标准的超声波级别基本上介于国内超声波检测标准的AA级和A级之间，个别低于A级，且个别指标的规定也不完善。ASNA系列材料标准全部要求进行超声波检测，特殊方法冶炼的材料超声波验收标准均为AA级，其余都是A级。法国宇航标准对超声波的要求是需方有要求时才检测，要求的级别与欧洲宇航公司标准相同。

磁粉检验：型号专标和辽新企业标准的专用标准磁粉检验验收指标介于法国宇航标准和欧洲宇航公司标准的3级和4级之间，只限于样件的发纹检测，而法宇航标准和欧洲宇航公司标准的磁粉检验的目的是检测外观质量和非金属夹杂物。

2.1.6 外观质量

法宇航标准对表面缺陷的特征描述得较简单，缺陷清除后只要满足公差要求视为合格。欧洲宇航公司标准的外观质量要求，相对于法国宇航标准要求严一些，铁磁性材料表面质量要求用磁粉检测，但缺陷清除后与法国宇航标准一样，只要满足公差要求视为合格。

美国AMS标准对外观质量的要求也相对简单，对表面缺陷的特征描述的也简单，只是规定：热轧或冷拔或经磨、车或抛光的钢棒，表面应无裂纹、折迭、撕裂，磨、车或抛光表面应无开裂。

我国国家军用标准对外观质量的要求较具体，对表面缺陷的特征描述得很详细，清除缺陷要求也高于法国宇航标准、欧洲宇航公司标准的要求。

2.2 质量保证规定

2.2.1 检验责任

型号专标和辽新企业标准没有要求，而国外标准都规定了供方检验责任。

2.2.2 组批规则

国内标准和美国AMS标准，相比法国宇航标准和欧洲宇航公司标准有所严格，主要是对热处理炉批方面，要求同一热处理炉批。

2.2.3 试验分类

欧洲宇航公司标准和美国AMS标准有验收试验和周期试验，而国内标准和法宇航标准只有验收试验没有周期试验。周期试验项目包括显微组织、纯净度、断裂韧性等。国内标准和欧洲宇航公司标准的验收试验分类基本相同，试验项目均超过AMS标准。欧洲宇航公司标准除了验收试验和周期试验外，还规定了鉴定检验的项目和要求，是通过技术要求保证材料质量最严格的标准。

2.2.4 取样部位和数量

法国宇航标准对力学性能和磁粉的取样部位和数量要求很详细，力学性能的试验数量也是最多的，但是没有重复试验要求。欧洲宇航公司标准的试验项目是最多的，而每项试验的试样数量是最少的，取样部位仅在个别的检测标准中有规定。型号专标和辽新企业标准的取样部位基本接近于法宇航标准，取样数量基本接近于AMS标准，但是重复试验数量是最多的。

2.2.5 复验与判定规则

除了法国宇航标准没有复验规定外，其他标准都规定了复验要求。法国宇航标准还有与其他标准不同的是，在用户许可的情况下，如果其他性能都合格，化学成分不合格的产品也可交付。

经过综合分析可以看出，型号专标和辽新企业标准规定的重复试验不合格整批判为不合格是比较合理的。

2.3 理化试验方法

直升机用高均质性钢新材料涉及的各理化试验方法有以下特点：

国内的化学成分分析方法基本包含了欧洲宇航公司标准采用的方法；

力学性能试验方法基本都相同，欧洲宇航公司的加工试样精度相对高一些；

金相试验方法基本上都相同，不同的是方法种类的多与少；

无损检测的方法也都相同，而同等验收级别的要求，法国宇航与欧洲宇航公司标准严于国内标准。

3 直升机用高均质性钢纳标建议

建议尽快编制先进、实用的直升机用高均质性钢材料相关的行业标准，在全行业范围规范和统一这类材料的技术要求、质量保证规定等内容，为在新机研制中高均质性钢材料的设计、制造、验收和供需双方签订合同提供依据，从而保证直升机用高均质性钢材料的性能和使用可靠性。具体纳标建议如下：

一是技术要求：根据直升机用高均质性钢新材料的相关标准对比分析结果、国内材料研制生产情况和使用情况、以及由国外标准转化成的型号专标和辽新企业标准，确定直升机用高均质性钢棒材、板材、锻件的标准技术要求。

二是质量保证规定：质量保证规定主要按型号专标和辽新企业标准，以及国内相关国军标的要求起草，自由铁素体测定方法标准采用AMS2315。