为了承受超过自重几十倍的机身，飞机起落架也是蛮拼的

出品| 网易新闻

作者| 一闻，钢铁行业研究人员

通常来说，庞大的身躯需要粗壮的腿脚来支撑，但飞机偏偏把起落架裹足成了“小脚”，坚强撑起了几十倍于自身重量的大机身。如果把飞机比作一只鸟，那绝对是一只严重畸形的鸟——肚子大、身板壮、体重高、腿脚细。

现代大飞机起飞重量基本都在100吨以上，为保证能够承受飞机上百吨的重量和起降的巨大冲击力，起落架的材料必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗腐蚀等条件。如此苛刻的要求，一般材料无法满足，只能依靠特种钢材，可以说起落架用钢代表着一个国家超高强度钢的最高水平。

与国产大飞机C919的研发制造进程同步，国产起落架用钢的研究实现了突破，并成功通过了供应商认证，用于C919起落架制造，国产大飞机终于有了“中国脚”。

（中国C919大飞机）

（一）飞机事故68.3%发生于起降10分钟，起落架是生命的支点

飞机有四大关键部件：发动机、起落架、机翼、机身。如果一定要在四者之中排序，发动机声名远播，重要性和地位首屈一指，当排首位。起落架是飞机起飞、降落时的关键受力部件，号称乘客“生命的支点”，毋庸置疑可排第二位。

据统计，飞机起飞和降落的时间一般不超过10分钟，但飞机事故有68.3%都是在这10分钟内发生的，因此有“黑色10分钟”之说。作为起飞和降落阶段的关键部件，起落架的安全性和可靠性对飞机的重要性可见一斑。

（2015年10月，秘鲁一架波音737客机在降落时右起落架折断）

用通俗的话说，发动机和飞控设备好比飞机的心脏和大脑，起落架则是飞机的双脚。纵然离开了心脏和大脑，就没有了生命，但是，没有强健的腿脚，即使心脏和大脑再强大，巨人也站不起来。

鉴于起落架的特殊重要性，为了保证它在起降阶段能够正常收放，通常飞机的每个起落架有三套控制系统，一套常用，一套备用，一套应急，确保万无一失。

（二）制造起落架用什么材料？300M超高强钢是主流

飞机在起飞和降落时，全靠3个起落架支撑起来。

C919作为单通道干线飞机，在大飞机中属于小个子，但最大起飞重量已达80吨，三个起落架总重量为1.8吨左右，要在高速下支撑起达到自身重量40多倍的飞机，其刚性可见一斑。

（C919大飞机起落架）

全球应用比较广泛的起落架用材为低合金超高强度钢，如美国的300M、法国的35NCDl6、俄罗斯的30xrCH2A等，其显著特点是有超乎一般的高强度。高强度究竟高到什么程度呢？目前各类抗震建筑用钢筋的抗拉强度一般在400-500Mpa，而300M抗拉强度高达为1960-2100 Mpa，35NCDl6抗拉强度超过1850Mpa，30xrCH2A抗拉强度为1800-2000Mpa。

以300M钢为例，它是当前世界上强度水平最高、综合性能最好、应用最广泛的起落架用钢，于20世纪50年代初在4340钢基础上添加了1.5%左右的硅而发展起来，其最大优点是强度高、韧性良好、固有疲劳强度高，并具有横向塑性高、断裂韧性高、疲劳性优良、抗应力腐蚀性能好等特点。

用其制造起落架不但结构尺寸较小，而且与飞机机体同寿命使用，即使使用寿命长达数万小时的民航客机也是如此。在飞机制造水平最高的美国，90％以上的军民用飞机起落架都用这种钢制造。

（300M钢的机械性能）

300M钢对化学成分有严格限定。不同的化学成分在钢中发挥着不同的作用：C（碳）含量会让300M钢在强度和硬度方面有所提高，但塑性与韧性都会明显下降，使钢的工艺性下降；Cr（铬）主要作用是提高300M钢的淬硬性，改善强韧性；Ni（镍）能够提高钢的硬度和强度，显著降低材料的缺口敏感性，避免脆性解理断裂；Si（硅）主要提高300M钢的屈服强度和抗拉强度。

（300M钢的化学成分）

此外，从300M钢的化学成分可以看出，硫、磷等有害成分的含量都是不高于0.01%，要求极为苛刻。

与之对比，汽车用顶级高强双相钢DP1180的硫、磷含量要求分别是不高于0.04%和0.015%，跟300M的要求相差数倍。

（三）飞机起落架用钢国产为啥这么难？纯净度是关键

调查表明，起落架断裂多数都是由表面应力腐蚀或疲劳裂纹扩展而引起的。

钢中的原子都是按照一定的规则排列，称为晶格，但是晶格中也有一些不守秩序的原子会站错队，造成位错。

钢铁冶炼凝固过程中，残留在钢铁内的氢原子由于质量最轻、体积最小，会主动寻找位错，向金属中缺陷附近不断集中，到室温时，原子氢在缺陷处结合成氢分子，从而产生巨大的内应力，超过钢的强度极限，使金属发生看不见的裂纹，也就是“氢脆”。

（显微镜下观测到的材料因氢脆而开裂）

钢的强度等级越高，对氢脆越敏感；含碳量较低且硫、磷等杂质元素含量较少的钢，氢脆敏感性则较低。飞机起落架用钢属于低合金超高强钢，对氢脆极为敏感。为防止氢脆发生，实现起落架的长寿命、高可靠和结构减重，必须降低杂质元素含量，提高钢的纯净度，这也是提升起落架用钢其他性能的基础。

但是，传统钢铁生产流程的本质缺点就是不稳定。原材料不稳定、工艺不稳定、过程温度不稳定、工艺节奏不稳定、质量不稳定等等都造成了洁净度控制之难，难于上青天。

（传统钢铁生产流程中的不稳定影响因素）

300M钢采用真空热处理技术，避免了渗氢，提高了表面质量，其生产条件及工艺质量要求的苛刻，不仅体现在整个生产过程要满足国际民用航空产品质量控制要求，还要保证各个生产工序的操作步骤具有可追溯性和可复制性。

此前，国内用于制作起落架的超高强钢有时会出现点状缺陷、内部裂纹、热处理渗氢、硫化物夹杂、粗晶等问题，这都与钢材冶炼过程中纯净度不够有关系。

因此，2009年中国钢铁企业开始300M超高强度钢研制攻关，对300M钢不再使用传统的转炉生产，而是采用真空感应+真空自耗重熔工艺（VIM+VAR），通过真空熔炼，使成分控制更精确、杂质含量更低、夹杂物更少而且具有良好铸锭组织改善加工成型性能。

此外，为了保证钢水的洁净度，炼钢的原料都要用专用料格存放，防止其他原料的污染。

此外，研发单位严格按照民用航空材料体系的质量管理要求，专门编制工艺过程控制文件并先后调整修改13次，改进设备精度，从人、机、料、法全方位建立了制造体系，保证产品制造过程的稳定性，真正形成了具有自主知识产权的全流程制造技术。

经过先后几十批次工业化生产试制，中国的300M钢研制先后突破了40t电炉超纯净冶炼、大规格电极锭浇注、φ810mm钢锭真空自耗炉熔炼、φ400mm规格棒材锻造加工、棒材退火以及检测等多项工艺技术难关，2014年获得了规定最严格级别B类300M钢生产许可证，2016年成功通过了供应商认证，拥有了合格供应商资质，正式供货用于C919起落架制造。

（国产300M钢）

C919制造一只起落架需要两块直径400毫米左右、长近3米的300M超高强度钢锻件，分别锻造成外筒和活塞。300M钢国产化成功，其意义不仅仅体现在国产化所带来的成本下降，更主要的是突破了发达国家在大飞机关键零部件上的技术封锁，让国产大飞机拥有了一双强健的“国脚”。

结语

一代材料技术，一代航空装备。尽管航空超高强钢的研发难度很大，但却是世界各国的竞争热点。

在飞机结构性关键部件制造方面，中国钢铁制造水平基本上可以满足国防军工、装备制造、国民经济发展要求，但与世界领先国家相比，仍存在很大差距。随着大飞机等项目的加速推进，国产航空超高强钢的研发制造必须迎头赶上，才能让国产大飞机更稳健地翱翔蓝天。

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　　编辑| 史文慧