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真空热处理在航空领域应用
标签: 热处理
2021-12-23  阅读

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  【康沃真空网】我们知道,航空工业是高科技产业,大量采用前沿科学技术,选用各种比强度高的新材料,发展近无余量成形技术、精密和超精密加工技术,等等。为了确保航空产品高性能和安全可靠,航空系统研究和采用热处理新技术,率先实现了热处理全面质量控制,加快了技术改造力度。

  随着国家“两机”重大专项和军民融合规划的实施和开展,未来几年将会有更多的热处理企业参与到航空制造业中,并带来高温合金真空热处理技术的迅速发展。

  真空热处理优势明显

  真空热处理是独特的整体改性技术。经过真空热处理的关键构件,不但可以保证其所要求的组织、力学性能与工艺性能,还可以深入挖掘出关键构件的潜能,保证和提高关键构件的质量和寿命,最大限度地发挥材料的潜力,从而满足关键构件长寿命、高性能、结构减重的技术要求,实现全寿期成本的经济可承受性,获得自主创新的知识产权,达到国际先进水平,真空热处理技术属于国家核心竞争力。

  真空热处理由于具有无氧化、无脱碳、可保持表面光亮的热处理效果,同时可使零件脱脂、脱气、变形小和便于自动控制等优点,适应了精密热处理的发展方向,实现了精密形状和尺寸控制及精密组织性能控制。因此,真空热处理技术广泛应用于航空发动机高温合金的退火、固溶、时效和去应力热处理。

  为解决航空附件的高强钢、不锈钢、弹性合金等零件的热处理氧化、变形问题,最好的办法就是采用真空热处理。试举几例——

  l 被誉为“工业制造皇冠上的明珠”的航空发动机,一般在加工制造完成后,会对叶片进行热处理,以消除表面应力。选择合适的热处理制度,对其已加工完成的零件尺寸变化有直接影响,特别是叶冠装配尺寸的影响。通过选择合适的真空热处理制度,既消除了机械加工过程中带来的残余应力,同时又满足了航空发动机叶片最终装配特性和材料性能特性。

  l 某航空附件厂用真空热处理炉代替盐浴炉,使处理的柱塞弹簧的合格率由原来的10%提高到80%。而且,在真空中进行化学热处理可大大缩短时间,如波音公司对直升飞机齿轮进行真空渗碳,由普通渗碳的8小时减少为4小时。

  l 航空发动机的压气机整流叶片采用钛合金制造,在试制初期,毛坯是通过下料、模锻、空气炉热处理、化铣而成的。但这样带来的问题是:在生产过程中存在叶片氢含量不稳定、变形超差等问题。用真空热处理取代普通热处理,明显减少了热处理变形,降低了叶片氢含量。

  真空热处理的现状

  真空热处理技术作为国防工业系统关键制造技术之一,受到世界各国的高度重视。例如美国热处理设备约有50%以上为真空热处理炉,且规格齐全、配套完整。美国为了加速其航天飞机的发展,由5家公司组成联合体共同开发针对5种新材料的成形及真空热处理工艺,即高温Ti-Al化合物、C/C复合材料、陶瓷基复合材料、高蠕变强度材料、高导热材料。美国经韧化处理后的金属间化合物可显著提高韧性,而且,经真空工艺处理的金属间化合物,更适于高温下使用。

  发展关键构件的真空热处理技术研究,复合我国国防科技发展对国防工业系统关键制造技术研究所提出的要求。我国真空热处理以每年30%左右的速度递增,热处理加工量占1/3以上。航空工业还制定了真空热处理的新工艺标准。

  真空退火、真空油淬、真空气淬、真空回火、真空除气、真空除油、真空加压气淬等真空热处理技术都已经很成熟,广泛用于生产当中。在真空油淬增碳现象及其防止、真空加热元素贫化规律、真空度与光亮度的关系、真空加压气淬冷速测定、真空热处理工艺及工艺参数优化等方面的研究已经完成。真空热处理已用于飞机起落架、梁、接头及发动机叶片等重要受力件。

  据了解,国内在真空热处理领域也开展了相应的研究工作,并取得了显著成果:

  ①解决了真空热处理技术硬件的“有无”问题;

  ②打破了西方发达国家对真空热处理技术硬件的垄断;

  ③打破了西方发达国家对真空热处理技术尖端硬件的禁运;

  ④促成了西方发达国家对真空热处理技术尖端硬件的合理定价;

  ⑤促成了西方发达国家对真空热处理技术尖端硬件在国内生产的局面;

  ⑥促进了国内真空热处理技术硬件的长足进步。

  因此,国内的真空热处理技术的硬件的确有了长足发展,具备了由“仿制技术”向“自主创新技术”发展的前提条件,只要能得到相关政策的扶持,实现上述飞跃只是时间问题。

  (1)真空油淬

  真空油淬是真空热处理的主要工艺,近年来解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等关键技术问题,除在工模具热处理方面应用外,还成功用于重要结构件的精密热处理。

  (2)真空加压气淬

  真空加压气淬是近年来真空热处理重要和迅速发展的领域,主要问题是淬透性和淬硬性及与传统的气淬、油淬、分级淬火或等温淬火对比和衔接,应从冷速测定和临界直径测定去研究。航空工业中,真空加压气淬已成功用于不锈钢、高温合金、钛合金、精密合金和部分结构钢等零件的热处理,发挥了重要作用。

  目前,对于真空加压气淬技术的关键,是对重要的合金结构钢、工模具钢和不锈钢等进行测试,确定不同淬火压强的临界淬透直径,以指导真空加压气淬热处理生产。

  (3)真空渗碳

  传统的渗碳工艺炉采用低碳钢和低碳合金钢,近年航空工业发展提出了高合金钢和不锈钢渗碳要求,以提高使用温度和耐磨性。典型材料有2W10Cr3N:V、13CrMo4VA(M50N:L)、1Cr11N:2W2MoV、1Cr12N:2WMoVN、1Cr17N:2、1Cr13、2Cr13等。

  高合金钢和不锈钢渗碳的技术关键有两个:第一,采用真空渗碳可以圆满解决不锈钢钝化膜的去除问题;第二,渗碳温度高。由于真空渗碳炉的加热元件和保温层是石墨和碳毡,真空下的耐温可高达1700℃,因此很容易实现高温渗碳。先进真空渗碳炉的最高温度可达1350℃,完全能够满足任何不锈钢渗碳的温度要求。

  (4)真空磁场热处理

  磁场热处理可以提高磁性材料的电磁性能,也可以提高结构材料的力学性能。真空磁场热处理把真空热处理技术与电磁场技术结合起来,形成真空热处理的又一个分支。与普通真空热处理相比,真空磁场热处理在磁感应强度和屈服强度相同的情况下,矫顽力明显降低。该技术已成功用于航空工业生产。

  (5)真空热处理生产线

  近年来,随着真空热处理发展和应用的扩大,已不满足于单台或几台炉子的非连续生产,正在向真空热处理生产线方向发展。国外已有很多真空淬火生产线,真空渗碳高气淬生产线,航空工业已建成真空淬回火生产线,由两台真空淬火炉+一台清洗机和两台回火炉组成,运行状况良好,提高了真空热处理生产水平和质量,减轻了工人劳动强度,改善了工作环境。

  (6)炉温均匀性检测新技术

  近些年发展应用的直插式测试方法,解决了高温炉、连续炉炉温均匀性测试问题。炉温追踪仪可以实现与测温架或工件一起入炉、随系统移动、记录炉子温度均匀性或工件热工艺过程。

  航空真空热处理发展趋势

  l 真空加压气淬:提高冷却性能、控制加热和冷却、发展更好淬透性的材料、气体回收技术;

  l 真空渗碳等真空化学热处理:提高真空渗碳技术,发展其他真空化学热处理技术、真空化学热处理传感器;

  l 真空功能热处理:真空磁场热处理、真空氢气热处理、真空焊接与热处理结合;

  l 真空气氛热处理:针对高温真空热处理元素贫化和双性能零件的真空热处理问题,开展真空/气氛热处理的控制冷却技术研究;

  l 发展:真空热处理生产线和柔性化技术,提高自动化和智能化水平,与各种冷热加工生产线配合,适应先进制造技术发展要求。

  结语

  虽然我国航空工业真空热处理取得了巨大进步,但并不意味着已经走到了世界前列。国外对于真空热处理,将其视为“特殊工艺过程”予以高度关注,并将真空热处理技术视为绝对的技术秘密加以严格保护。而国内却将真空热处理视为“不会带来经济效益的中间工序”予以削弱与忽视。

  航空热处理正处于迅速发展时期,新技术、新工艺不断被研究和应用。不过,我们在关注研究和应用新技术、新工艺的同时,更需要借鉴和应用国际航空工业先进的管理经验和规范要求,完善热处理技术和质量控制体系,把热处理技术水平推上新台阶。

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