航空工业热处理现状与发展

航空工业热处理现状与发展

周英赵青华贾敏梅龙

航空工业西飞质量管理部特种工艺检验站陕西西安710089

摘要：由于飞行器对寿命、可靠性、安全性及其他战技指标的苛刻要求，航空制造技术一直被视为工业制造领域的先进代表，引领着新材料、新工艺的应用和发展趋势。热处理技术作为飞机制造中的重要环节，对改变材料组织、提升材料性能和满足材料使用要求方面起到至关重要的作用。近年来，随着我国航空工业的迅猛发展，为满足大量新材料、新工艺的应用需求，热处理技术的重要性日益凸显，且受军机民机制造中对关键过程控制理念的影响，热处理质量控制及检测技术在航空厂的重视程度正逐步得到提升。

关键词：航空；热处理

引言：

航空厂热处理工作正逐步得到重视，基于热处理工艺的重要性和严谨性，对新技术的采用以及现有技术的优化更改都应建立在充分试验验证和分析的基础上。

1.航空厂热处理的应用现状

1.1钢零件的热处理

随着先进飞机对钛合金、复合材料等用量大幅提升，钢在飞机结构中的比例有所减少。由于钢具有高强度和高模量优势，在结构空间受限、局部刚度要求高的部位仍有重要用途，例如，飞机起落架主支柱、重要部位连接螺栓等。在航空厂，由于钢材料的采购状态一般为预备热处理状态，需在粗加工或精加工后进行最终热处理，或进行工序间除氢、消除应力等热处理，因此钢目前仍然是航空主机厂中热处理种类最多、热处理工作量最大的材料。目前航空主机厂热处理的钢主要涉及优质碳素结构钢（如45A）、低合金结构钢（如30CrMnSiA）、低合金超高强度结构钢（如30CrMnSiNi2A、40CrNi2Si2MoVA）、高合金超高强度结构钢（如23Co14Ni12Cr3MoE）、高强或超高强度不锈钢（如0Cr16Ni6、0Cr13Ni8Mo2Al）等。涉及的热处理工艺类型有淬火（或固溶）、回火（或时效）、正火、退火、冷处理、消除应力等。钢制零件的热处理一般控制材料的力学性能（拉伸强度、冲击、断裂韧度等）和冶金性能（脱碳、晶间氧化等）。钢制零件热处理设备一般有真空炉、空气炉、保护气氛炉和盐浴炉等。随着热处理设备的发展，零件淬火逐步以真空炉为主，以满足绝大部分带有精加工面的零件热处理需求，逐步淘汰高污染的盐浴炉。与盐浴炉、空气炉热处理技术相比，真空炉热处理的零件氧化（脱碳）危害小、热处理变形程度低，综合性能特别是疲劳性能更佳。值得注意的是，钢制零件的热处理制度选择时不仅应保证达到零件所需要的强度或硬度，还应注意避免产生回火脆性，以及高强钢零件需要在表面处理后增加除氢处理。使用中由回火脆性、氢脆等导致的失效还时有发生[1]。

1.2钛合金零件的热处理

目前飞机用钛合金结构件大部分采用退火态和固溶时效态使用，例如飞机上广泛应用的Ti6-Al4-V结构件几乎都在退火态使用。航空厂可直接采购最终热处理状态的毛坯料进行机械加工，一般不再做提升性能为目的的退火热处理。但是，考虑到钛合金零件加工过程中应力释放导致的变形，航空厂往往需要在钛合金加工过程中或加工完成后进行消除残余应力退火处理，钛合金零件消除残余应力退火主要控制3方面内容：第一，控制内应力。选择正确的热处理参数，最大限度地控制和平衡钛合金零件的内应力。第二，控制变形。钛合金零件经锻造、热处理、机加、焊接等工艺产生和叠加应力，在最终消除残余应力退火过程中容易造成零件的翘曲变形，大型长梁类零件尤为突出。为控制这类钛合金零件变形，需定制专用工装夹具，对零件易变形方向进行约束，一起进行热处理，有时还需采用其他辅助手段，如控制原材料残余应力水平、安排预留加工余量、增加消除应力次数或采用“矫枉需过正”等办法。第三，控制表面质量。随着加热温度的升高，表面颜色不断加深，由银白色变为淡黄色、深黄色、蓝色直到棕褐色。为保证零件表面质量，一般采用真空消除应力热处理。经真空消除应力的钛合金精加工零件要求表面不允许出现超过淡黄色的颜色。钛合金零件消除应力退火一般采用真空炉进行热处理。随着大型整体化钛合金结构件的大量应用，对设备尺寸要求逐步增加。目前采用的设备尺寸已超过1500mm（直径）×5000m（长度）。

2.航空热处理发展趋势

2.1真空热处理新技术

第一，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和气体回收技术。第二，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技术。第三，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。第四，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。第五，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[2]。

2.2特种可控气氛热处理

首先，推广精密渗碳和精密渗氮技术，采用底装料立式多用炉代替盐炉，适应航空热处理高质量、少批量、多品种的特点；其次，发展氮基气氛大型立式底装料多用炉，解决长杆型零件少无氧化脱碳等温淬火问题，防止超高强度钢淬火氢脆；最后，随着钛合金在航空航天等尖端工业中越来越广泛的应用，发展提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性，研究高水平的钛合金真空离子渗氮技术和设备。

2.3多功能复合化学热处理技术

复合化学热处理技术与装备是使优化的复合化学热处理工艺技术在一台装备或一条生产线上实现，以达到对零件有最佳强化效果，提高零件使用性能，同时热处理畸变最小，降低成本，提高生产效率，适应新型武器装备和先进制造业发展要求，同时工艺路线协调、可降低设备数量和成本，减少热量和工艺材料消耗[3]，具有很好的节能减排效果。采用离子-气体复合深层渗氮或渗碳加渗氮，为防风沙影响，还需采用离子渗硫，提高减摩性能。采用先离子渗氮，可以有效去除不锈钢、高合金钢表面钝化膜，加快渗氮速度；精密气体渗氮可以精确控制氮势，提高硬度和氮势均匀性，保证零件渗氮的组织和性能的均一性与稳定性，提高产品性能和质量。螺杆等重要部件，不但需求很高的表面硬度和耐磨性，还要求热处理畸变小。目前迫切需求研究开发离子-气体渗氮与离子渗硫多功能复合化学热处理技术与装备，以满足航空航天大尺寸齿轮、齿圈提高耐磨性和尺寸精度的要求。同时，淘汰落后工艺设备。淘汰含氯化钡的盐浴炉、重质耐火砖炉衬的实验电阻炉、普通箱式、井式、台车炉、插入式盐浴炉、中频感应电源等（原国家经贸委2002年颁布《淘汰落后生产工艺和产品的目录》的32号令、2005年国家发改委颁布的第40号令、工信部工节［2009］第67号文）。

结论：

简而言之，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[4]。

参考文献：

[1]赵振业，潘健生.《中国热处理与表层改性技术路线图》建议书[C]//第10届中国热处理活动周暨中国热处理技术路线图论坛论文集.青岛，2014.

[2]张长英.航空结构件热处理CAPP系统中的工艺决策[J].热加工工艺，2016，40（22）：149-150.

[3]张公绪，孙静.新编质量管理学[M].北京：高等教育出版社，2018.

[4]孙枫，王广生，佟小军．航空工业中热处理现状和发展[J].金属热处理，2017，3（1）：58-66.