当时,国际上还没有一种中温超高强度钢。中温使用钢都是将超高强度钢中温回火使用,强度较低。最早作为中温超高强度钢使用的钢种是美国的H11钢,即5%Cr-Mo-V钢。H11本是一种热作模具钢。20世纪50年代中,首先由北美航空公司把它引入攻击机上作结构件。后来,美国的不少飞机如B-52、F-4B等都相继采用,制造机身框架、桁条、螺栓、承力接头,以及起落架零件等。H11属于180~210千克力/毫米 2强度级,只是断裂韧性值较低。英国曾研究过中温超高强度钢。它们按强度分成HST150、HST180、HST210三个级别。遗憾的是,英国飞机设计师们除了在Dowty Rotol公司生产的B188试验机上做过试用外,未能使自己的中温超高强度钢应用于飞机生产中。
我国发展中温超高强度钢有两个办法可选,一是仿制H11钢,一是自主研制新钢种。621所、抚顺钢厂与钢铁研究总院分别于1958年和1966年进行过H11钢的仿制研究。赵振业摒弃仿制路线,开始研究新的中温超高强度钢GC-19。由于有研制GX-8钢的经验,因此对新研制一种钢的途径并不陌生,但研究内容和方法却有所不同。GX-8钢是一个自主创新研究,主要创新在于将欧美注重提高热强性、苏联注重冲击韧性的思路和设计特点结合起来,调整合金成分。GC-19钢可借鉴的资料较少,H11钢本不是按结构钢设计的。赵振业认为,自行研制中温钢应从应用基础理论开始,即从研究和掌握二次硬化、研究合金元素的作用、相变特性等开始。
1976年年初,赵振业开始着手编写GC-19钢研究工作大纲。他把任务分为三个阶段:一是确定合金基本成分;二是重复试验,对选定的合金成分进行稳定重复试验并开始有关工艺性能试验,包括热处理工艺、变形工艺、腐蚀防护工艺及说明书,周期疲劳、缺口敏感等;三是合金全面性能测定。
GC-19钢技术指标要求具有超高强度和良好的综合力学性能,抗拉强度要达到170千克力/毫米 2以上,因此采用中碳钢是毋庸置疑的。但要采用什么样的合金化系统才能得到好的综合性能,的确不是一件容易的事。
为设计成分,又进行了大量试验,研究铬、钼元素对回火曲线的影响特征及其二次硬化峰的准确温度以及碳化物的转变程序。为研究相变特征,赵振业到本溪钢厂用膨胀仪做试验,一住就是几个月。
赵振业从二次硬化和强韧化基本理论出发,在硬化特征、相变、淬透性、力学性能、工艺性能等方面系统探索的基础上,巧妙地利用钼元素的强二次硬化效应,以及少量钼即可引发高的峰值,来获得超高强度和更高耐热温度;少量铬元素虽不能引发二次硬化峰,但与钼配伍能降低钼的硬化峰值,减少其对基体韧性的伤害程度,从而调整钢的韧性;少量铬还可以提高钼硬化峰前的硬度,调整钢的回火曲线,拓宽回火温度范围等。GC-19钢不仅达到了超高强度,综合力学性能良好,耐温高达500℃。而且合金元素总添加量不足5%,将该类中温钢由中合金体系降为低合金体系,钢中合金元素较H11钢减少35%,实现了合金设计创新,综合力学性能优于美国使用的H11钢。
在实验室,中温性能达到规定技术性能指标后,本溪第一炼钢厂以5吨电弧炉加电渣重熔工艺做了工业大炉试制,并进行了全面性能的试验研究。
对于钢而言,其S曲线十分重要,关系到热处理工艺、组织、性能和淬透性,本溪钢厂从法国引进了一台测S曲线的膨胀仪,自动控制水平高。为测定钢的S曲线,赵振业在本溪钢厂与试验小组的几位同志,连续试验几个月,终于绘制出了钢的S曲线。
GC-19钢的试验研究主要在本溪第一炼钢厂研究室进行。该室的朴相俊在从成分设计、小炉熔炼到大炉试制等方面都做出了重要贡献。如果没有朴相俊的全身心投入,GC-19钢研究很难开展。朴相俊是朝鲜族人,为人实在,做事稳重、牢靠。后来,本溪钢厂研究室升格为研究所,他担任了所长,曾获得国家有突出贡献的中青年专家称号。
GC-19钢用作主承力框构件。框是由角钢缘条弯制而成。中温超高强度钢角钢在鞍山钢铁公司(简称鞍钢)焊管厂试制。鞍钢是普钢厂,焊管厂以往轧的都是普通钢。第一次轧超高强度钢,设备能力不足。为获得超高强度角钢,赵振业又转辗到鞍钢做试验,与分课题负责人王洪开一起制定试制方案。该厂改造热处理炉子,调试轧机,千方百计创造条件。王洪开还专门设计了轧制生产线。GC-19角钢强度高、壁薄、条长,一次变形量大,冷却后几乎不能校正,角钢变形成了难题。为此,王洪开在冷却床下设计并安装了冷却气嘴,以控制长度各处的冷却速度,实现了变形小,解决了角钢变形难题,从而研制成功了我国第一个抗拉强度达1800兆帕的超高强度角钢。
1980年10月,在本溪钢厂举行了GC-19钢科研课题总结鉴定会,通过了GC-19钢热轧(锻)棒材、热轧角材预鉴定,结论是“可以在飞机上试用”。由于歼9飞机研制下马,同年12月, 611所向航空部提出了在歼7Ⅲ飞机后机身结构上试用GC-19钢的报告。
GC-19钢用作歼7Ⅲ飞机后机身36框的应用研究开始了。611所设计负责人是张凤,组内还有黄建云、廖肇裕、黄根柄等。经过设计、计算,提出了GC-19钢元件试验的任务书和试验条件,以评价钢的疲劳行为。
为了可靠用于主承力框,赵振业与621所力学性能研究室一起做了各种元件试验,取得了系统的疲劳数据。
1981年8月,在621所召开了关于在歼7Ⅲ飞机上试用GC-19钢的审定讨论会。经621所、611所、132厂等有关单位和领导审议后报部。航空部科技局于同年9月批复,同意报告提出用该钢制作歼7Ⅲ飞机3个零件进行0批试用。
132厂跟产又开始了。在框件的制造中,每次缘条的拉弯赵振业都全过程跟产,根据拉弯实际变形状况制定软化回火工艺,反复进行,直至成功。赵振业长年累月待在生产现场,每天同611所项目组的同志一起坐班车到厂里去上班。
试制生产还算顺利,可一个预料不及的问题把赵振业难住了。缘条件流水到钳工钻孔时,工人师傅几经周折也钻不下去。问题反映到工艺室和车间主任那里,车间主任对GC-19钢能否使用提出了异议。由于实验室研究时,切削加工研究少,赵振业一时拿不出解决办法,初步判断是高速钢钻头硬度不够。
为获得高硬度钻头,赵振业打听到成都刃具厂有金刚石钻头,就急忙乘车到厂家借钻头。厂家听了情况介绍后,二话没说就借给他气钻和钻头,谁知回到132厂一试还是不行。此时,他又想到621所试样加工车间钳工组组长张惠民是一位技术高超的钳工师傅,或许能有解决办法。回到北京领着张师傅又来到成都,结果问题还是没能解决。赵振业犯愁了。一天,他在611所与项目组谈论此事时,设计员廖肇裕自告奋勇说去试试。廖肇裕曾在132厂工作过,他用普通的碳钢钻头磨了一个形状与众不同的钻头,几个人看了都直摇头,但没想到用它一钻就钻通了。在场的人都十分惊讶,对老廖也刮目相看。问题解决了,试制生产继续进行。赵振业感慨地说,这次真是开了一次眼界,知道什么叫绝活。同时又惭愧地说,这次经历让他体会到了哪个环节研究不到位,就会在哪个地方出问题。这是他一生谨慎中的疏漏,一次刻骨铭心的教训。
1985年8月13日,航空部科技局、冶金部军工办公室组织专家对GC-19钢进行了鉴定。专家们认为, GC-19钢是我国自行研制的第一种航空用中温超高强度钢。成分设计合理,是个创新。与国外同类钢种H11相比,节省合金元素约35%。该钢在中温下组织稳定,适合制造500℃以下长期工作的飞机结构零件。该钢的韧性、疲劳、应力腐蚀、中温持久强度等性能优于H11钢。采用GC-19钢可将飞机结构零件中温用钢强度水平由120千克力/毫米 2级提高到170千克力/毫米 2级。为解决目前普遍存在的后机身超温问题以及为新机发展提供了一种新的高强度材料。建议推广应用。
新钢种的研究成功,开拓了航空中温超高强度钢新领域,解决了我国高速飞机后机身超温超重的选材难题。
1988年,这项研究成果获国家发明三等奖,赵振业为第一发明人。
如今,GC-19钢用于歼击机后机身主承力框,生产使用几十年来无故障。
追赶国外先进水平