【摘 要】
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飞机起落架是飞机上最重要的结构件之一,其性能与飞机的使用安全密切相关。统计显示,70%以上的航空飞机事故都与起飞和降落过程中起落架的失效有关,因此提高飞机起落架材料的综合性能至关重要。飞机起落架严苛的服役环境要求新一代飞机起落架材料同时兼顾高强度（抗拉强度>1.9 GPa）、高韧性（断裂韧性>70 MPa.m1/2）和优异的耐蚀性能（与15-5 PH相当）,目前已经工业化应用的飞机起落架材料多为高
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飞机起落架是飞机上最重要的结构件之一,其性能与飞机的使用安全密切相关。统计显示,70%以上的航空飞机事故都与起飞和降落过程中起落架的失效有关,因此提高飞机起落架材料的综合性能至关重要。飞机起落架严苛的服役环境要求新一代飞机起落架材料同时兼顾高强度（抗拉强度>1.9 GPa）、高韧性（断裂韧性>70 MPa.m1/2）和优异的耐蚀性能（与15-5 PH相当）,目前已经工业化应用的飞机起落架材料多为高强度低合金钢（如300M）,其强韧性可以达到指标要求,但是耐蚀性能较差,难以满足飞机起落架材料的耐蚀性能要求,必须采用表面涂层来改善耐蚀性能。马氏体时效不锈钢以其优异的综合性能（高强度、高韧性、优异的耐蚀性、良好的焊接性能等）而成为替代传统飞机起落架用低合金高强度钢的首选材料。本文系统地研究了 Fe-Cr-Ni-Co-Mo-Ti系马氏体时效不锈钢中Co对其组织和性能的影响,并通过三维原子探针和第一原理计算从原子尺度揭示了 Co与其他合金元素的相互作用机制。在此基础上,作者通过合金成分的优化,成功地开发出一种兼顾强韧性和耐蚀性的新型马氏体时效不锈钢材料,有望替代传统的低合金高强度钢而成为新一代飞机起落架用材料。在Co对马氏体时效不锈钢耐蚀性能的影响研究中,发现Co会促进时效过程中Cr的调幅分解,进而恶化马氏体时效不锈钢的耐蚀性能。在马氏体时效不锈钢中,随着Cr的调幅分解幅度的增加,钝化膜表面波动的正弦波长逐渐降低,因而,钝化膜的稳定性在逐渐降低,进而会导致马氏体时效不锈钢的耐蚀性能降低。Co会增加Fe原子之间的铁磁相互作用,降低Cr原子形成团簇的临界浓度,进而提高Cr原子团簇的稳定性。马氏体时效不锈钢在时效过程中析出相的演化机制研究发现,马氏体时效不锈钢中有两种析出相:Ni3Ti和R相。在时效初期,Ni3Ti最先形核,随后R相会在Ni3Ti与基体的界面处形核。随着时效时间的延长,两种析出相的长大过程存在相互竞争机制。当Ni3Ti的长大过程占据优势时,R相会在Ni3Ti的表面以薄片状的形态存在,R相与Ni3Ti一起形成核-壳结构;当R相的长大过程占据优势时,不同Ni3Ti与基体界面处形成的R相会联结到一起,形成尺寸较大的R相。在Co对马氏体时效不锈钢时效硬化行为的影响研究中,发现Co既能使马氏体时效不锈钢的峰时效时间提前,还能提高峰时效态下马氏体时效不锈钢的强度。Co会增加马氏体时效不锈钢时效过程中Ni3Ti的形核率,在提高Ni3Ti数量密度的同时,减小Ni3Ti的尺寸,进而增强Ni3Ti的析出强化效应。同时还发现,Co是通过促进时效初期Ni-Ti的团簇化过程进而提高Ni3Ti的形核率,Co能够增加Ni-Ti团簇化所需的热力学驱动力;与此同时,Co也会降低Ni和Ti原子的扩散激活能,增加Ni-Ti团簇化所需的动力学驱动力。本文成功地开发了一种新型Fe-Cr-Ni-Co-Mo-Ti马氏体时效不锈钢,并利用双真空冶炼技术实现了200kg级的半工业化制备。开发的新型马氏体时效不锈钢具有优异的综合性能:抗拉强度为1.915 GPa,断裂韧性为77.1 MPa.m1/2,耐蚀性能与15-5 PH相当,均达到了新一代飞机起落架材料的性能要求,与目前商用的马氏体时效不锈钢相比,在综合性能上表现出显著的优势。
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