就在最近国产大飞机C919的生产企业中国商飞正式与中国东航签下了第一单五架购机合同这首批五架C919的投入运营标志着中国有了自主研发 自主制造具有自主知识产权的大型客机中国 可能是世界上最快的C919从无到有完成超大型喷气式飞机研造的国家但 你知道吗这并不代表我们追赶道路的结束关于国产大飞机C919的起落架尽管我们有自主设计 加工对零件进行强化处理的能力但第一架C919的起落架材料低合金超高强度不锈钢却仍旧是从美国进口的一架C919 就得用15多吨的进口钢材为什么这种钢材一定要从美国买？为什么不能用中国人自己生产的呢？这期 就由我来给大家介绍特种低合金超高强度钢业内称为300M钢的秘密在航空业 人们很早就发现在飞机最危险的起飞 着陆撞击刹车等等过程中起落架作为唯一与地面接触的部件都要承受巨大的载荷尤其是飞机降落阶段除去机身的重量之外起落架还要承担机身下落时的巨大冲力 越频繁起降起落架面对的要求就越严苛使用的钢材必须韧性好 强度高才能保证飞机驾驶员和乘客们的生命安全在活塞式和喷气式飞机发展的初始阶段 一般起落架由被称为AISI4130钢的钢种制作当时高发的机毁人亡事故很大一部分是起落架损坏导致的后来随着一、二战的爆发当时的各国政府纷纷将大笔资金投入飞机研发于是在喷气式飞机速度变快 结构变轻的同时飞机起落架使用的钢种也改变了从AISI4130变为了强度更高的AISI4340但 人们还是在问能否找到更轻 更好强度更高 韧性更好更能抵抗断裂的钢材呢？能不能将起落架失效导致的灾难都完全避免呢 1952年美国国际镍公司开始了这项研究承受大压强 强冲击有着强变形风险的飞机起落架需要更优秀的材料现在 要找到一种韧性超强 越强越好强度超高 越高越好同时能轻就轻能便宜就更便宜的钢材以这样的思路为指导美国国际镍公司往AISI4340钢的配方里加入了少量的合金元素最终研发出了全球知名至今仍旧在大规模使用的超级钢材300M钢它强度高 韧性好 抗断裂而且由于添加的合金元素少原料成本非常低至今为止 这种钢材仍旧在被世界采用美国国际镍公司也一跃成为了这个市场的领头羊 直至今天他们最出名的客户 是美国波音公司但 省在原料的钱终究要在工艺上花出去国际镍公司很快发现 性能优异的300M钢同样需要优异到严苛的环境才能生产出来成品钢材的成分比例非常严格一旦稍微出现一点点的误差生产出来的钢材 质量就会出大问题怎么会这样呢原来这与冶炼过程中从矿石到钢材金属原子的重新排列有关在钢材从矿石熔炼为金属并冷却下来的时候金属原子就像军队列队以固定的列队方式排整齐变成相应的金属晶体不同的金属士兵 列队方式也不同科学家们很早就注意到了这点他们观察到金属原子排列整齐的队伍形状好像一个个格子就把它们称为晶格晶格“军队”中偶尔也有原子士兵站错了位置发生了错排 空隙 的现象这种出现了错排的位置在显微镜下很显眼被科学家们命名为“位错”位错是金属材料的薄弱区许多裂纹 缺陷 断裂都是从位错的位置发生的在300M钢材冶炼的过程中除去为了增强性能 故意加入的合金元素还有其他元素 比如氧 氢 碳等会跑进队列之中它们就像军队中的奸细一样潜伏下来 趁机捣乱具体来说这些“奸细” 们在冶炼过程中溜进金属军队里之后后也不消停它们在凝固过程中会到处乱跑纷纷钻到刚刚提到的位错位置并且在那里聚集起来搞破坏就拿“奸细”氢原子举例吧“位错”位置原本就很薄弱是金属原子士兵松懈错排的空隙很容易就被氢原子钻了空子这些氢原子聚集在位错的位置等到冶炼出的成品金属温度降低在室温下变硬凝固金属原子“士兵”动弹不得的时候氢原子们就抓住时机 图穷匕见立刻从金属位错中跳出来互相组合形成更轻的氢气分子这些氢气分子力大无穷拼命向外挤压金属原子士兵们的队形想要逃回金属外的空气中去于是金属原子士兵与氢气分子奸细互相挤压互相角力起来原本团结整齐 万众一心的金属原子结构变成了士兵与奸细内斗的战场金属的内部就产生了看不见的裂缝这种现象 被科学家们称为“氢脆”很多金属材料比如储油罐 飞机起落架 管道等等从内部开裂 损坏 就是由氢脆导致的为了防止“奸细”潜入美国国际镍公司的做法是使用一种叫做真空高温冶炼的方法对金属原材料进行冶炼加工只要让外界保持真空作为“奸细”的氧和氢自然就无法钻进金属里而是被抽吸到环境之中而只要保持超高温“奸细”碳元素则会被迫氧化 变成二氧化碳再和氢、氧一起被抽吸出来排放到熔炼室的外部通过这种方式美国公司生产出的300M钢成功避免了渗氢 氢脆现象的发生而且“奸细”们导致的其他破坏比如增碳 脱碳 晶界氧化等等现象也被避免了没错 真空高温熔炼技术就是美国国际镍公司制造300M钢的“杀手锏”让这种钢材能够以极高的纯净度和稳定性迎接更多的后续挑战比如对抗高空低温 雨雪 灰尘对金属表面的腐蚀等金属腐蚀很多人这时就会问了这种真空高温熔炼技术有那么难吗？为什么中国人不能做出自己的300M钢呢？答案是 虽然并不像想得那么难但也不是触手可及那样简单事实上我国对于300M钢的研究开始得很早从1985年就有相应论文了而就在2018年上海宝钢集团也已经研制成功了300M钢的加强版他们利用了我国稀土资源丰富的优势通过在300M钢中增加稀土成分让加强版的韧性比原版还好但是 另外一方面则是中国还没有制造如此大规模真空室的经验美国人从1953年就开始研发这种特种钢当然明白大规模冶炼它时要注意的问题和细节而中国人不仅比他们晚了32年之久还面临着基础工业配套不全的窘境这种窘境体现在 至今为止在温度控制 钢材出炉后的热处理精确轧制 表面涂层改性 喷涂等方面由于缺乏许多需要靠试错得出的关键参数虽然能在实验室小规模量产但没法进行大规模的生产加工于是 这些技术当然无法在真正的现实环境中接受真正的考验于是研发人员们也就不知如何改进也就无法根据需求和问题针对性地提出创新只好购买外国的成熟产品而与此同时美国公司们却正在从大量的现实反馈中发现钢种配方值得改进的问题从而修改 加强 发明新的配方于是这样的恶性循环只能这么重复下去比如2018年《科技日报》报导国产的300M钢“并不是完全做不出来”而是缺陷率更高 废品率更高有时还会出现硫化物夹杂晶粒大小不均匀内部裂纹渗氢等问题以至于制造成本比购买成本高让国产大飞机转向了购买美国原料中国钢铁研究总院副院长杜挽生就表示发达国家已经实现了四代航空高纯度高温合金的量产而中国虽然已经追上甚至超过了具有苏联遗产的俄罗斯和具有先发优势的一些欧洲国家但却还只能跟跑美国航空合金的量产只到第三代四代技术还在实验室攻坚阶段从国际市场的形势来看 到明年全球航空航天材料市场将会膨胀到258亿美金这个市场基本被美国和欧洲垄断着 与此同时 根据测算我国高温合金产业长期处于供不应求的状态每年有一万多吨的缺口无法填上 如何破局这种情况呢？中国的回答有两个一方面 是狠抓传统冶炼 锻造 铸造方法从传统方向实现对于技术的直接追逐战比如以举国体制投建航天工业产业园等集聚化的研发生产基地从正面对决首当其冲的就是中国的本土市场范例就是刚刚所提到的宝钢集团宝钢集团的300M钢不仅已经实现了小规模自产而且性能高于原版目前 在本地市场中国产航空钢材虽然不太成熟但具有很高的灵敏度优势与老牌欧洲企业相比国产钢材的优势在于不仅能提供灵活的供货和售后服务还在成本上具有竞争力不需要承担进出口报关等成本在性能上也能做到基本相同而与那些有大批量批发优势有库存的批发公司比如 蒂森克虏伯这样等纯靠仓储占优的批发商比较国产钢材又能在研发 本地化 价格战等方面以游击战 小轻快的方式加以应对从而实现与对手的正面对决在本土市场打出自己的地位另一个方面就是从新的成型角度出发以弯道超车方式越过原本传统方向直接跳过大量经验化问题采用全新工艺和钢种并且与我国已有的成熟产业相结合对外出击这方面最突出的例子就是在与300M钢同家系的中高合金特种钢 家族层面国产钢材与我国优秀的基建重机产业相结合打出“组合拳”在许多基建用的大型工业设备如盾构机刃具用钢石油开采压裂泵用钢等方向上外国产钢材无法完全匹配本土的需求比如需要连续工作打出几百米的山腹隧道或为支援西部而需要在恶劣雨雪环境下长期开动或援建非洲和中东地区时作为配套需要在高温 干旱 扬尘这些环境下长期工作这样的很多问题正是不少外国钢种不适应 没想过不熟练的领域而在这些领域熟练的变成了中国制造国产的许多钢种譬如中锰钢 超级纳米贝氏体钢等依靠着价格优势和准确匹配需求的使用性能在市场上弯道超车 占据了优势地位总之 在国产特种钢材这一方向上可以说 道路是曲折的 方向是光明的随着技术进展和投资力度的加大这两年间 虽然仍有依赖但以航空特种钢材为代表的合金特种钢冶炼加工技术正在从美国手中“松绑”相信很快我们就能以全新的姿态真正追上第一梯队从矿石开采开始 飞上蓝天
