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第13章 带着钢走的人(3)

我国仿制美国300M钢项目始于1980年,在做了大量研究后仍未达到美标要求。1983年8月,赵振业接手该项目研究,因有GX-8钢、中温超高强度钢GC-19钢的成功研究经验,不仅在程序上轻车熟路,也积累了一些研究数据,掌握了一些超高强度钢的规律。只是之前研制的两种钢同属二次硬化钢,300M则属于低合金钢。在调查、分析、总体筹划和对前景估量的基础上,赵振业提出了与中温超高强度钢不同的研究思路。中温超高强度钢研究摒弃了仿制H11,选择自主创新;而300M钢则舍去自主设计成分,选择按照美国AMS6417标准,走“全仿”之路。因为,美标的要求超过了当时国内冶金技术水平,赵振业深知,只有“全仿”才有可能把中国飞机起落架钢带上“高纯”之路,上一个新水平。当然,并非有了美标就可以制出300M钢,“全仿”的目的只是用来凝聚要求指标,实现目标的技术要靠自主创新。赵振业提出了冶金技术路线建议,经抚顺钢厂的创新试验,不仅研制成功300M,使中国起落架用超高强度钢在短短两三年基本达到国外的先进水平,还把我国起落架用钢抗拉强度提高到1860兆帕以上,走出了一条中国自己的超高强度钢发展之路。

1995年起,赵振业探索研究高合金超高强度钢强韧化机理,为随后研制抗拉强度达到1930兆帕以上的起落架钢奠定了基础,该项研究获得航空基础科学基金成果一等奖。

双 双 领 先

研制成功制造长寿命起落架的300M钢后,赵振业又在前瞻飞机发展需求,了解起落架钢发展现状和前景估量的基础上,开始筹划起落架钢的发展。

赵振业在几十年的科研工作中,始终以“主见、求实”自铭,研究方案总要以基本原理为依据。基本原理是他最亲密的伙伴和靠山。他查阅资料注重系统,形成概念,他不太相信别人会把花了无数心血做出的研究成果和诀窍公布在杂志上,他查阅资料只求研究的思路、采用的手段,但并不认为就是最好的,最终会用自己的主见,自己亲自做试验去寻求新材料。

几十年来,超高强度钢经历了低合金、中合金和高合金等发展阶段。美国于1952年研究成功300M钢,1965年开始用作飞机起落架。继300M之后的起落架钢是什么?美国徘徊了多年。直到1975年前后,美国先后研究了低合金超高强度钢HP310,不锈钢AFC-77,但都因韧性过低而中辍。美国又在HY180高强度钢基础上研制了AF1410钢,并获美国大奖。杂志上一再讲AF1410钢是最好的起落架钢,甚至说用于F-15战斗机起落架。国内也进行了仿研。但赵振业一直认为AF1410不是起落架钢,不大可能用作起落架,自己仍抓紧300M钢的研究和应用。1993年前后,美国又在AF1410基础上研制出Aermet100超高强度起落架钢,也获美国大奖,并用作F-18舰载机起落架。杂志上评述该钢用作舰载机起落架所具备的优点。赵振业又认为,Aermet100不适宜用作舰载机起落架。

纵观美国超高强度钢发展的历史可以看到,从300M到Aermet100,前后花了近半个世纪,主要效果是抗拉强度提高了70兆帕,断裂韧性提高近40MPa m ,KISCC提高一倍。而合金设计中不仅加入了高量钴元素,而且多种元素成为杂质元素,熔炼难度大大增加,成本增加10倍以上。无论是300M,还是Aermet100,用作起落架时都必须进行表面防护,用于舰载机的起落架更是如此。

赵振业断言,航空超高强度钢最终要走到超高强度不锈钢。

我国是一个海岸线很长的国家,各种飞机经常处于海洋气候环境中,发展超高强度不锈钢,解决腐蚀问题,提高起落架全寿命期经济可承受性是个战略问题,也是个现实问题。为此,赵振业和他的研究生们致力于超高强度不锈钢的强韧化机理研究。经过几年探索,于20世纪90年代末初步揭示超细马氏体板条、超细沉淀相和逆转变奥氏体等新机理。在此基础上,探索了一种超高强度高韧性不锈钢Fe-13Cr-12Co-5Mo-Me。在实验室采用200千克容量炉、VIM+VAR双真空高纯熔炼和控制相变热处理后,抗拉强度接近1900 兆帕,断裂韧性接近 110 MPa m。首次把不锈钢提升到超高强度高韧性,因此获国家发明专利。

一切不出赵振业所料,21世纪初,美国新研制的超高强度不锈钢S53终于问世。在评价中说Aermet100不适合用作舰载机起落架,最合适的材料是新研制的超高强度不锈钢。这一观点与赵振业的见解几乎一模一样。S53钢达到的力学性能与300M钢相当,其断裂韧性与赵振业的探索研究结果还有一定差距。

高性能轴承和齿轮是机械系统中的关键构件,在直升机、航空发动机、航天器、赛车及其他精密机械等高技术领域中广泛使用,其性能常成为制约各种力学性能、寿命和可靠性的重要因素。

早在20世纪50年代,喷气发动机寿命曾因轴承寿命只有300小时而大受限制。经过10年发展,轴承寿命提高到3万小时以上,发动机的寿命也随之得到提高。

20世纪60年代,美国把轴承钢的VIM+VAR双真空熔炼先进技术引入齿轮钢,解决了传动系统的关键难题,推进了航空发动机和直升机的发展。随着传递能量增加,转速、温度和寿命提高,齿轮轴承钢已进入超高强度行列,受到世界发达国家的极大关注,成为一个竞争十分激烈的高技术领域。

我国高性能齿轮轴承钢和齿轮、轴承技术十分落后,严重制约了航空发动机、直升机等武器装备和高端机械产品的发展和使用。为赶上国外先进技术水平,近些年来赵振业一直致力于齿轮轴承钢强韧化机理的探索研究,并在此基础上研究了一种齿轮轴承钢Fe-14Cr-12Co-Mo-Nb-Me。经200千克VIM+VAR超纯熔炼和控制相变热处理后,力学性能达到抗拉强度1862兆帕,断裂韧性120MPa m ,首次将齿轮轴承钢提升到超高强度。与此同时,还研究了一种表面超硬韧化新机理和热处理技术。此技术用于该齿轮轴承钢,可使其表面硬度达到HRC72,500℃下仍保持HRC63.5.室温至500℃的热硬性明显优于国内外同类钢种。为构筑我国高性能齿轮轴承钢体系,12CrNi3A、GCr15-M50NiL-超高强度齿轮轴承钢奠定了基础。此项研究同样获得国家发明专利。

为研究超高强度不锈钢强韧化机理,赵振业还特意聘请621所李春志研究员进行相结构电子衍射分析。李研究员不仅从事电子衍射分析几十年,还创新了一种分析方法,编制了分析软件。强韧化机理研究是用高分辨电子显微镜进行的。研究主要从马氏体基体组织、二次沉淀相、逆转变奥氏体三个方面进行。三种强韧化机理的研究和发现为超高强度不锈钢、高合金超高强度钢的发展奠定了一个良好的基础。

美国于20世纪末研究成功的超高强度不锈齿轮轴承钢,抗拉强度水平仅在1750兆帕,比赵振业研究的齿轮轴承钢低约100兆帕,断裂韧性相当。

20世纪90年代后期开始,赵振业的研究方向和实践基本与美国同步,而令赵振业至今十分遗憾的是,这些原本走在前面的研究由于没能得到及时的支持,贻误了时间,否则的话,我国的某新机起落架不必又去仿制国外,我国航空发动机主轴承、直升机传动齿轮也可能不是现在的这种落后状况。

“十五”论证时,赵振业以超高强度不锈齿轮轴承钢探索研究基础申报国家科技部军用863立项研究,但“专家组”无端予以排除,却将没有探索基础的仿制项目予以立项,办公室人员也不容申辩和询问。直到现在,尽管连续申报立项仍未获准。“十五”论证时,赵振业以超高强度不锈钢探索研究基础申报总装备部预研,也因其他问题的株连不能立项。赵振业对此深感忧虑,如不尽快研究,恐怕不用多久又要仿制S53钢。类似的状况在过去几十年中不乏例证。仿制几乎成为我国先进材料研究的基本规律。谈及这些,常令赵振业心中隐隐作痛。

研制成功残余奥氏体测量仪

大量研究表明,钢的强韧性受残余奥氏体含量及其对热和力的稳定性的影响,因此,精确测定钢中残余奥氏体含量及评价残余奥氏体的稳定性,对指导材料的热处理和使用有着重要的意义。

测定残余奥氏体含量的方法主要有磁性法、膨胀法、金相法、X射线法和穆斯堡尔谱法等。

国内外普遍采用下述方法来测定钢中残余奥氏体的机械稳定性,即用标准拉伸试样在拉伸试验机上进行一定塑性变形后取下,再从试样中部取样测定残余奥氏体并与未变形试样相比较,从而评价残余奥氏体的机械稳定性。这种方法比较费时,在取样加工时可能改变试样的状态,以致不能快速、准确、连续地测定钢中残余奥氏体在拉伸条件下的变化。

因此,建立受力状态下应变与残余奥氏体动态转变行为的关系一直是国内外科研、设计、生产、使用中普遍关注而又未获解决的问题。

为此,赵振业与康沫狂教授商讨,提出研制一台动、静态残余奥氏体测量装置。要求该装置不仅要满足多种形状钢试样的残余奥氏体的静态测量,而且能满足拉伸过程中残余奥氏体的动态测定。

1989年,赵振业等人与西北工业大学马世良等几位老师共同开始研制这一设备。1991年12月,完成了设备的设计、制造、安装、调试并交付使用。

使用结果表明,该设备性能稳定,测量结果可靠。静态测量绝对误差在±0.8%以内;在拉伸条件下,可以4次/分进行残余奥氏体的连续动态测量,实现了残余奥氏体磁饱和测量的数字化和自动化,大大提高了测量效率和精度。

动、静态残余奥氏体测量仪及其测试技术是一个创新,为国内外首创,为研究钢中残余奥氏体提供了一种新的检测手段,此装置获国家发明四等奖。

40多年中,赵振业先后研究发展了低合金超高强度钢300M、中合金超高强度钢38Cr2Mo2VA、高合金超高强度钢、超高强度不锈钢和超高强度不锈齿轮轴承钢,以其发明、创新研究成果构建了我国航空超高强度钢的总体架构,并达到世界先进水平。一个个超高强度钢像温驯的羔羊,按照赵振业的指挥走进预定的栅圈中,赵振业由此被人们称为“带着钢走的人”。

注 释

[1].1千克力=9.8牛。

[2].重量——本书重量为质量概念。

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