航空領(lǐng)域真空熱處理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
我們知道，航空工業(yè)是高科技產(chǎn)業(yè)，大量采用前沿科學(xué)技術(shù)，選用各種比強(qiáng)度高的新材料，發(fā)展近無余量成形技術(shù)、精密和超精密加工技術(shù)，等等。為了確保航空產(chǎn)品高性能和安全可靠，航空系統(tǒng)研究和采用熱處理新技術(shù)，率先實現(xiàn)了熱處理全面質(zhì)量控制，加快了技術(shù)改造力度。
隨著國家“兩機(jī)”重大專項和軍民融合規(guī)劃的實施和開展，未來幾年將會有更多的熱處理企業(yè)參與到航空制造業(yè)中，并帶來高溫合金真空熱處理技術(shù)的迅速發(fā)展。
真空熱處理是獨特的整體改性技術(shù)。經(jīng)過真空熱處理的關(guān)鍵構(gòu)件，不但可以保證其所要求的組織、力學(xué)性能與工藝性能，還可以深入挖掘出關(guān)鍵構(gòu)件的潛能，保證和提高關(guān)鍵構(gòu)件的質(zhì)量和壽命，最大限度地發(fā)揮材料的潛力，從而滿足關(guān)鍵構(gòu)件長壽命、高性能、結(jié)構(gòu)減重的技術(shù)要求，實現(xiàn)全壽期成本的經(jīng)濟(jì)可承受性，獲得自主創(chuàng)新的知識產(chǎn)權(quán)，達(dá)到國際先進(jìn)水平，真空熱處理技術(shù)屬于國家核心競爭力。
真空熱處理由于具有無氧化、無脫碳、可保持表面光亮的熱處理效果，同時可使零件脫脂、脫氣、變形小和便于自動控制等優(yōu)點，適應(yīng)了精密熱處理的發(fā)展方向，實現(xiàn)了精密形狀和尺寸控制及精密組織性能控制。因此，真空熱處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)高溫合金的退火、固溶、時效和去應(yīng)力熱處理。
為解決航空附件的高強(qiáng)鋼、不銹鋼、彈性合金等零件的熱處理氧化、變形問題，最好的辦法就是采用真空熱處理。
試舉幾例——
●被譽(yù)為“工業(yè)制造皇冠上的明珠”的航空發(fā)動機(jī)，一般在加工制造完成后，會對葉片進(jìn)行熱處理，以消除表面應(yīng)力。選擇合適的熱處理制度，對其已加工完成的零件尺寸變化有直接影響，特別是葉冠裝配尺寸的影響。通過選擇合適的真空熱處理制度，既消除了機(jī)械加工過程中帶來的殘余應(yīng)力，同時又滿足了航空發(fā)動機(jī)葉片最終裝配特性和材料性能特性。
●某航空附件廠用真空熱處理爐代替鹽浴爐，使處理的柱塞彈簧的合格率由原來的10%提高到80%。而且，在真空中進(jìn)行化學(xué)熱處理可大大縮短時間，如波音公司對直升飛機(jī)齒輪進(jìn)行真空滲碳，由普通滲碳的8小時減少為4小時。
●航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)整流葉片采用鈦合金制造，在試制初期，毛坯是通過下料、模鍛、空氣爐熱處理、化銑而成的。但這樣帶來的問題是：在生產(chǎn)過程中存在葉片氫含量不穩(wěn)定、變形超差等問題。用真空熱處理取代普通熱處理，明顯減少了熱處理變形，降低了葉片氫含量。
真空熱處理的現(xiàn)狀
真空熱處理技術(shù)作為國防工業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)之一，受到世界各國的高度重視。例如美國熱處理設(shè)備約有50%以上為真空熱處理爐，且規(guī)格齊全、配套完整。美國為了加速其航天飛機(jī)的發(fā)展，由5家公司組成聯(lián)合體共同開發(fā)針對5種新材料的成形及真空熱處理工藝，即高溫Ti-Al化合物、C/C復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、高蠕變強(qiáng)度材料、高導(dǎo)熱材料。美國經(jīng)韌化處理后的金屬間化合物可顯著提高韌性，而且，經(jīng)真空工藝處理的金屬間化合物，更適于高溫下使用。
發(fā)展關(guān)鍵構(gòu)件的真空熱處理技術(shù)研究，復(fù)合我國國防科技發(fā)展對國防工業(yè)系統(tǒng)關(guān)鍵制造技術(shù)研究所提出的要求。我國真空熱處理以每年30%左右的速度遞增，熱處理加工量占1/3以上。航空工業(yè)還制定了真空熱處理的新工藝標(biāo)準(zhǔn)。
真空退火、真空油淬、真空氣淬、真空回火、真空除氣、真空除油、真空加壓氣淬等真空熱處理技術(shù)都已經(jīng)很成熟，廣泛用于生產(chǎn)當(dāng)中。在真空油淬增碳現(xiàn)象及其防止、真空加熱元素貧化規(guī)律、真空度與光亮度的關(guān)系、真空加壓氣淬冷速測定、真空熱處理工藝及工藝參數(shù)優(yōu)化等方面的研究已經(jīng)完成。真空熱處理已用于飛機(jī)起落架、梁、接頭及發(fā)動機(jī)葉片等重要受力件。
據(jù)了解，國內(nèi)在真空熱處理領(lǐng)域也開展了相應(yīng)的研究工作，并取得了顯著成果：
①解決了真空熱處理技術(shù)硬件的“有無”問題；
②打破了西方發(fā)達(dá)國家對真空熱處理技術(shù)硬件的壟斷；
③打破了西方發(fā)達(dá)國家對真空熱處理技術(shù)尖端硬件的禁運；
④促成了西方發(fā)達(dá)國家對真空熱處理技術(shù)尖端硬件的合理定價；
⑤促成了西方發(fā)達(dá)國家對真空熱處理技術(shù)尖端硬件在國內(nèi)生產(chǎn)的局面；
⑥促進(jìn)了國內(nèi)真空熱處理技術(shù)硬件的長足進(jìn)步。
因此，國內(nèi)的真空熱處理技術(shù)的硬件的確有了長足發(fā)展，具備了由“仿制技術(shù)”向“自主創(chuàng)新技術(shù)”發(fā)展的前提條件，只要能得到相關(guān)政策的扶持，實現(xiàn)上述飛躍只是時間問題。
（1）真空油淬
真空油淬是真空熱處理的主要工藝，近年來解決了真空淬火油和真空油淬表面增碳等關(guān)鍵技術(shù)問題，除在工模具熱處理方面應(yīng)用外，還成功用于重要結(jié)構(gòu)件的精密熱處理。
（2）真空加壓氣淬
真空加壓氣淬是近年來真空熱處理重要和迅速發(fā)展的領(lǐng)域，主要問題是淬透性和淬硬性及與傳統(tǒng)的氣淬、油淬、分級淬火或等溫淬火對比和銜接，應(yīng)從冷速測定和臨界直徑測定去研究。航空工業(yè)中，真空加壓氣淬已成功用于不銹鋼、高溫合金、鈦合金、精密合金和部分結(jié)構(gòu)鋼等零件的熱處理，發(fā)揮了重要作用。
目前，對于真空加壓氣淬技術(shù)的關(guān)鍵，是對重要的合金結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼和不銹鋼等進(jìn)行測試，確定不同淬火壓強(qiáng)的臨界淬透直徑，以指導(dǎo)真空加壓氣淬熱處理生產(chǎn)。
（3）真空滲碳
傳統(tǒng)的滲碳工藝爐采用低碳鋼和低碳合金鋼，近年航空工業(yè)發(fā)展提出了高合金鋼和不銹鋼滲碳要求，以提高使用溫度和耐磨性。典型材料有2W10Cr3N:V、13CrMo4VA（M50N:L）、1Cr11N:2W2MoV、1Cr12N:2WMoVN、1Cr17N:2、1Cr13、2Cr13等。
高合金鋼和不銹鋼滲碳的技術(shù)關(guān)鍵有兩個：第一，采用真空滲碳可以圓滿解決不銹鋼鈍化膜的去除問題；第二，滲碳溫度高。由于真空滲碳爐的加熱元件和保溫層是石墨和碳?xì)郑婵障碌哪蜏乜筛哌_(dá)1700℃，因此很容易實現(xiàn)高溫滲碳。先進(jìn)真空滲碳爐的最高溫度可達(dá)1350℃，完全能夠滿足任何不銹鋼滲碳的溫度要求。
（4）真空磁場熱處理
磁場熱處理可以提高磁性材料的電磁性能，也可以提高結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能。真空磁場熱處理把真空熱處理技術(shù)與電磁場技術(shù)結(jié)合起來，形成真空熱處理的又一個分支。與普通真空熱處理相比，真空磁場熱處理在磁感應(yīng)強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相同的情況下，矯頑力明顯降低。該技術(shù)已成功用于航空工業(yè)生產(chǎn)。
（5）真空熱處理生產(chǎn)線
近年來，隨著真空熱處理發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)大，已不滿足于單臺或幾臺爐子的非連續(xù)生產(chǎn)，正在向真空熱處理生產(chǎn)線方向發(fā)展。國外已有很多真空淬火生產(chǎn)線，真空滲碳高氣淬生產(chǎn)線，航空工業(yè)已建成真空淬回火生產(chǎn)線，由兩臺真空淬火爐+一臺清洗機(jī)和兩臺回火爐組成，運行狀況良好，提高了真空熱處理生產(chǎn)水平和質(zhì)量，減輕了工人勞動強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。
（6）爐溫均勻性檢測新技術(shù)
近些年發(fā)展應(yīng)用的直插式測試方法，解決了高溫爐、連續(xù)爐爐溫均勻性測試問題。爐溫追蹤儀可以實現(xiàn)與測溫架或工件一起入爐、隨系統(tǒng)移動、記錄爐子溫度均勻性或工件熱工藝過程。
航空真空熱處理發(fā)展趨勢
●真空加壓氣淬：提高冷卻性能、控制加熱和冷卻、發(fā)展更好淬透性的材料、氣體回收技術(shù)；
●真空滲碳等真空化學(xué)熱處理：提高真空滲碳技術(shù)，發(fā)展其他真空化學(xué)熱處理技術(shù)、真空化學(xué)熱處理傳感器；
●真空功能熱處理：真空磁場熱處理、真空氫氣熱處理、真空焊接與熱處理結(jié)合；
●真空氣氛熱處理：針對高溫真空熱處理元素貧化和雙性能零件的真空熱處理問題，開展真空/氣氛熱處理的控制冷卻技術(shù)研究；
●發(fā)展：真空熱處理生產(chǎn)線和柔性化技術(shù)，提高自動化和智能化水平，與各種冷熱加工生產(chǎn)線配合，適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展要求。
結(jié)語
雖然我國航空工業(yè)真空熱處理取得了巨大進(jìn)步，但并不意味著已經(jīng)走到了世界前列。國外對于真空熱處理，將其視為“特殊工藝過程”予以高度關(guān)注，并將真空熱處理技術(shù)視為絕對的技術(shù)秘密加以嚴(yán)格保護(hù)。而國內(nèi)卻將真空熱處理視為“不會帶來經(jīng)濟(jì)效益的中間工序”予以削弱與忽視。
航空熱處理正處于迅速發(fā)展時期，新技術(shù)、新工藝不斷被研究和應(yīng)用。不過，我們在關(guān)注研究和應(yīng)用新技術(shù)、新工藝的同時，更需要借鑒和應(yīng)用國際航空工業(yè)先進(jìn)的管理經(jīng)驗和規(guī)范要求，完善熱處理技術(shù)和質(zhì)量控制體系，把熱處理技術(shù)水平推上新臺階。
【參考文獻(xiàn)】
[1]陳思覺. 鈦合金葉片的真空退火工藝試驗[J]. 材料工程，1994（3）：31.
[2]鄭娟. 基于真空熱處理制度對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片影響的研究[J]. 機(jī)械管理開發(fā)，2020（2）：48-51.
[3]劉明玲. 航空附件熱處理技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1994，25：70-73.
[4]王廣生，張善慶. 航空熱處理特點和發(fā)展[J]. 航空材料學(xué)報，2003，23：250-255.
[5]王廣生. 航空熱處理發(fā)展的思考[J]. 金屬加工：熱加工，2012，23：17-22.
[6]張善慶. 航空領(lǐng)域真空熱處理發(fā)展趨勢[J]. 金屬加工：熱加工：2013，23：15-18.
[7]薛文利，高莎，王銀，等. 航空發(fā)動機(jī)高溫合金真空熱處理技術(shù)[J]. 金屬熱處理，2019，44（1）：13-17.
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