航空工业中热处理现状和发展

来源:中国航空工业集团公司作者:孙枫

航空工业是高端制造业,航空工业中热处理采用各种先进技术,总体上处于领先行列。本文介绍了航空热处理特点和近年的发展,从铝合金、钛合金、高温合金、钢的热处理及真空热处理、全面质量控制等方面阐述了航空热处理先进技术,今后发展方向是真空热处理新技术、特种可控气氛热处理、多功能复合化学热处理技术及热处理清洁生产技术。

航空工业生产各种航空器,减轻重量和确保安全是突出的矛盾。为了提高航空器飞行性能,希望每个航空零件越轻越好,一方面千方百计减轻每一克重量,另一方面飞行器安全是严重危及人身安全,甚至造成机毁人亡的大事,为解决重量与安全性这一矛盾,尤其是在航空零件状态繁多、热处理工艺复杂多样的情况下,对热处理设备要求性能和质量高、适应性强。航空工业生产与其他军工生产的共同的特点是小批量多品种,航空热处理作为航空工业生产的一个环节,同样具有这种特点。

航空热处理另一个特点是实行热处理全面质量控制。航空热处理对象除了钢铁材料之外,还包括众多的有色金属( 铝、镁、钛、铜) 合金、精密合金、贵金属合金、高温合金等材料和制件。航空工业于1986 年就制定了HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》标准,用于规范航空热处理生产,内容主要包括设备与仪表控制、工艺材料及槽液控制、工艺控制、技术文件资料控制、人员素质控制、作业环境控制等,并在国内率先推行和实施了全面质量控制。

航空工业是高科技产业,大量采用发展前沿的科学技术,选用各种比强度高的材料,发展近无余量成形技术、精密和超精密加工技术、柔性加工生产线等精密制造技术。飞机机体材料由传统的铝合金和钢为主体,逐渐扩大钛合金材料和树脂基复合材料的用量。F22 战斗机钛合金用量已达40%,树脂基复合材料用量为24%。民用飞机机体用材仍以铝合金材料为主,但钛合金材料和复合材料用量也在不断增加,其中特别是复合材料用量比例提高很快,第五代干线客机上复合材料用量己达10% 左右。先进发动机中高温合金占55% ~ 65%,钛合金占25% ~ 40%,钢和铝合金占10%左右。随着发动机性能提高,高温聚合物和金属基复合材料、陶瓷基复合材料、C /C 复合材料逐步代替了传统的高温合金和钛合金。当前铝合金发展方向是改进热处理方法以提高综合性能,发展高强高韧耐蚀铝合金、铝锂合金、高温粉末铝合金。铝合金热处理的特点是控温准确度、温度均匀性要求高,淬火转移时间要求严。钛合金发展方向是高温钛合金、高强钛合金、阻燃钛合金。钛合金热处理的特点是采用高真空度的真空热处理。

高温合金叶片材料重点发展定向合金和单晶合金,涡轮盘材料重点发展粉末高温合金以及金属间化合物合金。高温合金热处理的特点是加热温度高,如DD-6 固溶处理温度为1315 ℃。飞机起落架高强度钢主要用300M 钢,为提高强度和断裂韧性研制成功A-100 高合金二次硬化型超高强度钢,其热处理特点是采用真空热处理,回火温度要求严格,为± 3 ℃,还要求进行冷处理。不锈钢方面大量使用沉淀硬化不锈钢,热处理特点是调整热处理和除氢处理,温度均匀性要求± 8 ℃,还要求冷处理。精密制坯和精密超精密加工技术方面,精密铸造涡轮叶片单面余量可达到0. 05 ~ 0. 10 mm,合格率最高达到70% ~90%; 镍基合金精锻叶片单面余量可达0. 10 ~ 0. 25 mm;超精密加工的精度已达0. 10 ~ 0. 01 μm 级别,同时要求热处理精密化,热处理不能损伤零件表面,热处理质量分散度和变形趋向于零。为适应航空工业这些新材料、新产品和精密制造技术的发展需要,航空热处理重点要发展精密热处理,通过精确的生产过程控制,实现精密形状和尺寸控制及精确组织与性能控制。航空热处理近年来有了较大发展和变化,概括起来有如下几方面:

1) 热处理厂房面积扩大,近几年生产厂房面积增加1 倍以上。

2) 全面实施了质量控制和炉温均匀性测量,提高了热处理质量控制和产品的水平。

3) 普通电炉全面改造或更新,结合设备大修、技改、搬迁、新厂房建设,实现了节能、提高炉温均匀性、双偶控温和仪表智能化,使普通电炉的设备水平提升了一个档次。

4) 积极采用先进的热处理技术。真空热处理设备以每年30%左右的速度递增,大约有近千台真空炉,真空炉的热处理加工量占1 /3 以上; 氮基气氛热处理技术成为可控气氛首选,应用不断扩大; 可控渗碳技术代替传统的滴注渗碳技术,已占约80%,氢探头或氢分析仪( 或氨分析仪) 控制渗氮迅速发展,每年新增5 ~ 10 台;铝合金空气循环电炉全面采用,已成为铝合金热处理的主力炉型; 有机淬火介质在铝合金淬火中应用有突破性进展,在减少热处理畸变和环境污染方面显现了明显的效果; 高能束热处理,如激光热处理、离子注入等已开始在航空工业应用; 智能仪表和计算机广泛用于工艺控制,计算机网络开始更多地在航空热处理车间出现,使热处理车间呈现出现代化气息。

5) 航空热处理标准化体系更完整和先进。以HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》为龙头,补充完善了各种航空材料热处理工艺标准和热处理质量检验标准,建立热处理工艺材料标准系列,制定了真空热处理、氮基气氛保护热处理、铝合金电导率测定等新工艺标准。现有航空热处理标准50 余项,形成了完整体系,并得到了认真贯彻执行。

6) 在基础条件( 设备、人员素质等) 不断改善的前提下,航空热处理生产管理水平不断提高,技术文件和管理体系与世界先进国家接轨,形成了本国产品和转包生产国内外一体化,完全按国际先进水平进行生产和管理。

4、结束语

航空热处理技术正处于迅速发展的时期,新技术、新工艺不断被研究和应用,技术改造全面展开,航空工业与国际合作和接轨的形势又对热处理提出更多更新的要求,我们将抓住大好时机,精心运作,通力协作,抓紧热处理新技术应用研究,借鉴国内外先进热处理技术,把航空热处理技术水平推上新台阶。