热处理技术详解与应用

航天航空技术与材料关系极为密切，材料的基本性能和使用性能是航天航空产品设计选材的主要依据。 目前金属材料仍然是航天航空产品的最主要材料，为减少产品重量、提高服役性能和改善加工工艺性，航天航空大部分零件都需要进行热处理。航天航空热处理技术将朝着优质、高效、低耗、环保、清洁的方向发展，重点发展小（无）变形、少（无）氧化的先进热处理技术。真空热处理、表层硬化热处理、激光热处理和虚拟热处理等先进热处理技术是航天航空产品热处理发展方向和研究重点。

1）精密零件、超高强度钢薄壁壳体真空高压气淬技术

真空高压气淬热处理是高效、优质、环保的一种先进热处理方式，是热处理清洁生产的关键技术之一。运载火箭、商用飞机常用合金结构钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等材料存在真空高压气淬时淬透性数据不足、均匀性不高的问题，需要针对不同系列材料开展不同压力下淬火冷却烈度和淬透层深度研究，提高运载和战术武器型号产品零件质量和性能。突破真空高压气淬均匀性控制技术，解决合金结构钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等材料高压气淬不均匀问题及零件高压气淬装炉方式和装炉量问题，形成不少于5种马氏体不锈钢材料高压气淬压力与硬度对应关系数据表。加强零件热处理控制精度，提高热处理质量。

2）大型薄壁铝合金热处理技术

铝合金固溶和人工时效为铝合金热处理的典型工艺，由于航天航空领域的铝合金零件一般都存在尺寸大、壁厚薄、形状复杂的特点，给铝合金的热处理带来巨大挑战。大型薄壁铝合金的热处理除了要保证零件的机械性能外，还必须对零件的热处理变形进行控制。大型薄壁铝合金热处理技术应着重研究以下项目：探索使用空气循环炉进行铝合金热处理的特点，确定大型薄壁铝合金合理的装炉方式，控制零件热处理变形；探索常用变形铝合金使用空气循环炉进行热处理的工艺参数；摸索零件的热处理变形的影响因素，并探索有效的变形控制措施；突破大型薄壁铝合金热处理技术，解决大型薄壁铝合金在空气循环炉内热处理工艺参数及热处理变形控制问题，取得稳定的大型薄壁铝合金热处理工艺应用效果。图3-15所示为大尺寸可热处理强化铝合金钣金零件。

图3-15　大尺寸可热处理强化铝合金钣金零件

3）复杂结构件智能热处理模拟仿真技术

智能热处理是智能制造的重要环节，使用数学建模、物理建模、实验测试相结合的方法，在准确预测材料组织性能变化规律的基础上优化热处理生产工艺的多学科交叉集成技术。智能热处理的基本要素包括热处理工艺的设计与优化、热处理装备的设计与优化、热处理工艺过程的智能控制。主要应突破复杂结构件热处理变形控制技术，包括大型复杂结构件热处理过程模拟仿真技术；热处理过程中温度-相变-应力相互作用机理和模型的研究；热处理工艺过程温度-相变-应力三场耦合数值分析算法研究及热处理工艺优化；解决航天航空复杂结构件热处理过程变形问题，进行热处理淬火过程温度、组织和应力应变演变模拟，预测热处理过程组织和变形，为优化热处理工艺参数提供模拟基础，为实现航天航空产品数字化生产制造奠定基础。该项技术利用计算机模拟热处理生产条件下工件内温度场、浓度场、相变和应力场的演变过程，作为制订合理的热处理工艺和开发热处理新技术的依据。计算机模拟的应用将使热处理摆脱依赖于经验和操作者技能的落后状态，向着精确预测生产结果和实现可靠的质量控制的方向跨越。通过对热处理过程模拟仿真技术研究、航天航空材料及产品热处理工艺数据库建立，提高中心热处理专业数字化程度，推动研究成果应用于型号生产，优化工艺参数，制订合理的工艺方法，切实控制热处理组织及变形，满足力学性能指标，提高产品的使用寿命，缩短产品工艺开发周期，降低生产成本。

图3-16所示为助推器轴承支座热处理；图3-17所示为气温10℃预冷时的温度云图；图3-18所示为助推器轴承支座热处理仿真。

图3-16　助推器轴承支座热处理(www.xing528.com)

图3-17　气温10℃预冷时的温度云图

图3-18　助推器轴承支座热处理仿真

4）基于损伤容限的热处理精密控制技术

铝锂合金结构件从受力状态上可分为主承力结构件和次承力结构件。根据其受力结构件使用位置及其性能要求，对其热处理后性能的评价重点也存在差异。在飞机次承力或者非承力结构件（地板支撑结构、地板滑轨等）中，强度、刚度和耐腐蚀性是其主要的性能要求，而在主承力结构件（机身蒙皮、机翼壁板等）中，除了强度、刚度和耐腐蚀性等的要求外，最重要的一点是损伤容限等性能的要求。因此根据部件在飞机中使用状况的不同，对铝锂合金热处理精度的要求也不同。

以铝锂合金结构件承力状态为依据，将铝锂合金热处理工艺分为基于强度的时效工艺和基于损伤容限的时效工艺两种。等效时间的工艺控制方法可以有效控制沉淀强化相的析出，获得满足强度和损伤不同性能要求的工艺。为铝锂合金在地板支撑件和双曲蒙皮中的应用奠定了基础。通过对室温力学性能和沉淀强化微观机制的研究，揭示影响铝锂合金沉淀强化的作用机理，并实现新型铝锂合金蒙皮结构件热处理工艺的精确控制。

5）真空低压碳氮共渗技术研究

基于真空低压渗碳技术的研究基础，开展航天航空产品的中、小零件真空碳氮共渗技术研究，突破真空低压碳氮共渗工艺技术，研究真空碳氮共渗工艺参数对共渗层组织结构和性能的影响，获得优良的共渗层组织和表面质量，与高压气淬或油淬相结合，降低淬火开裂风险和减少变形，节约能源，降低生产成本，缩短生产周期，并有利于环保。该技术应用于航天航空中传动零件在服役过程中产生摩擦、磨损，要求零件表面具有很高的硬度、强度、耐磨性和抗疲劳强度，需要进行表面渗碳/碳氮共渗处理。在真空低压渗碳工艺基础上研发真空低压碳氮共渗技术，改善传统气体共渗方法存在的渗碳层不均匀、表面硬度波动大、表面脱碳、渗层易出现黑色组织及生产效率低、生产周期长等问题，改善渗层组织质量及表面性能，提高型号产品传动零件服役状态及寿命。

6）激光表面热处理技术研究

突破航天航空精密零件表面激光热处理技术，解决航天产品零件表面高硬、耐磨、抗疲劳问题，进行激光表面淬火技术研究，保留心部组织韧性的同时强化表面层，提高产品表面性能。12Cr2Ni4A材料激光淬火后表面硬度不低于HV600； GCr15耐磨件激光重熔后表面硬度不低于HV850。该技术应用于航天航空轴类零件最终热处理精密尺寸要求，需要开展激光热处理技术研究，实现激光表面相变硬化等处理，改善零件表面的力学性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。激光热处理是当前材料先进热处理的重要方向，机械制造的标志性技术之一。