大飛機起落架實現國產業替代 打破國外技術壟斷

現代大飛機起飛重量基本都在100噸以上,為保證能夠承受飛機上百噸的重量和起降的巨大沖擊力,起落架的材料必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗腐蝕等條件。如此苛刻的要求,一般材料無法滿足,只能依靠特種鋼材,可以說起落架用鋼代表著一個國家超高強度鋼的最高水平。

與國產大飛機C919的研發製造進程同步,國產起落架用鋼的研究實現了突破,併成功通過了供應商認證,用於C919起落架製造,國產大飛機終於有了“中國腳”。

大飛機起落架實現國產業替代 打破國外技術壟斷

據統計,飛機起飛和降落的時間一般不超過10分鐘,但飛機事故有68.3%都是在這10分鐘內發生的,因此有“黑色10分鐘”之說。作為起飛和降落階段的關鍵部件,起落架的安全性和可靠性對飛機的重要性可見一斑。

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(2015年10月,秘魯一架波音737客機在降落時右起落架折斷)

用通俗的話說,發動機和飛控設備好比飛機的心臟和大腦,起落架則是飛機的雙腳。縱然離開了心臟和大腦,就沒有了生命,但是,沒有強健的腿腳,即使心臟和大腦再強大,巨人也站不起來。

鑑於起落架的特殊重要性,為了保證它在起降階段能夠正常收放,通常飛機的每個起落架有三套控制系統,一套常用,一套備用,一套應急,確保萬無一失。

飛機在起飛和降落時,全靠3個起落架支撐起來。

C919作為單通道幹線飛機,在大飛機中屬於小個子,但最大起飛重量已達80噸,三個起落架總重量為1.8噸左右,要在高速下支撐起達到自身重量40多倍的飛機,其剛性可見一斑。

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(C919大飛機起落架)

全球應用比較廣泛的起落架用材為低合金超高強度鋼,如美國的300M、法國的35NCDl6、俄羅斯的30xrCH2A等,其顯著特點是有超乎一般的高強度。

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(300M鋼的機械性能)

調查表明,起落架斷裂多數都是由表面應力腐蝕或疲勞裂紋擴展而引起的。

鋼中的原子都是按照一定的規則排列,稱為晶格,但是晶格中也有一些不守秩序的原子會站錯隊,造成位錯。

鋼鐵冶煉凝固過程中,殘留在鋼鐵內的氫原子由於質量最輕、體積最小,會主動尋找位錯,向金屬中缺陷附近不斷集中,到室溫時,原子氫在缺陷處結合成氫分子,從而產生巨大的內應力,超過鋼的強度極限,使金屬發生看不見的裂紋,也就是“氫脆”。

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(顯微鏡下觀測到的材料因氫脆而開裂)

鋼的強度等級越高,對氫脆越敏感;含碳量較低且硫、磷等雜質元素含量較少的鋼,氫脆敏感性則較低。飛機起落架用鋼屬於低合金超高強鋼,對氫脆極為敏感。為防止氫脆發生,實現起落架的長壽命、高可靠和結構減重,必須降低雜質元素含量,提高鋼的純淨度,這也是提升起落架用鋼其他性能的基礎。

但是,傳統鋼鐵生產流程的本質缺點就是不穩定。原材料不穩定、工藝不穩定、過程溫度不穩定、工藝節奏不穩定、質量不穩定等等都造成了潔淨度控制之難,難於上青天。

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(傳統鋼鐵生產流程中的不穩定影響因素)

300M鋼採用真空熱處理技術,避免了滲氫,提高了表面質量,其生產條件及工藝質量要求的苛刻,不僅體現在整個生產過程要滿足國際民用航空產品質量控制要求,還要保證各個生產工序的操作步驟具有可追溯性和可複製性。

此前,國內用於製作起落架的超高強鋼有時會出現點狀缺陷、內部裂紋、熱處理滲氫、硫化物夾雜、粗晶等問題,這都與鋼材冶煉過程中純淨度不夠有關係。

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經過先後幾十批次工業化生產試製,中國的300M鋼研製先後突破了40t電爐超純淨冶煉、大規格電極錠澆注、φ810mm鋼錠真空自耗爐熔鍊、φ400mm規格棒材鍛造加工、棒材退火以及檢測等多項工藝技術難關,2014年獲得了規定最嚴格級別B類300M鋼生產許可證,2016年成功通過了供應商認證,擁有了合格供應商資質,正式供貨用於C919起落架製造。

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(國產300M鋼)

C919製造一隻起落架需要兩塊直徑400毫米左右、長近3米的300M超高強度鋼鍛件,分別鍛造成外筒和活塞。300M鋼國產化成功,其意義不僅僅體現在國產化所帶來的成本下降,更主要的是突破了發達國家在大飛機關鍵零部件上的技術封鎖,讓國產大飛機擁有了一雙強健的“國腳”。


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