《航空发动机构件先进热处理技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《航空发动机构件先进热处理技术（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、航空发动机构件先进热处理技术摘要：伴随着航空飞行器的发展，航空发动机的研制迎来了前所未有的新高度， 为适应新型发动机的需要，新材料和新工艺不断的研发和制造，保证构件的高性 能、高可靠性和长寿命制造是必然趋势。文章重点就航空发动机构件先进热处理 技术进行研究分析，以供参考。关键字：航空发动机；热处理技术；研究引言 热处理技术是材料基础、共性的关键技术，同时也是构件获得极限性能的关 键因素、获得极限服役性能的重要途径，既具有很强的理论性，又具有很强的实 践性，一直是“材料科学与工程”和“机械制造”两大学科的研究前沿，同时也是发 达国家的研究热点，美、德、日等发达国家都有专门的发展路线图和规划，以不
2、 断的技术创新，确保其关键构件的领先水平。1 热处理技术概述 热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织 和性能的一种金属热加工工艺。在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程 中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770-222 年，中国人在生产实 践中就已发现，钢铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。一般来讲，热处 理技术的用途主要在以下三个方面：第一，改变零件或者毛坯的内部组织，而不 改变其形状和尺寸；第二，可以提高硬度和强度，使经过热处理的材料提高使用 寿命；第三，可以降低硬度和强度，使材料易于加工。2 航空发动机构件先进热处理技术2.1 渗铝技术 涡轮
3、发动机由于推重比提高，涡轮前温度随之升高，因而要求构件必须具有 抗热冲击、耐高温腐蚀、抗高热交变和复杂应力的能力。渗铝技术是解决叶片抗 高温氧化与腐蚀的最好方法，传统的渗铝技术主要有固体渗铝和料浆渗铝两种。 但随着发动机涡轮叶片向着提高冷却效率发展，叶片内腔的结构走向精细化和复 杂化，传统的固体渗铝法和料浆涂层渗铝法都不能彻底解决内部渗层不均匀和容 易堵塞问题，其盲孔、内腔渗铝技术成为研究焦点。气相渗铝方法具备温度控制 精确，渗层均匀性好，对盲孔、内腔结构有效等优点，得到广泛应用。目前典型 的气相渗铝方法是使渗剂中的金属铝生成铝的卤素化合物，经分解还原或置换产 生活性高的新生态铝原子，采用惰性
4、气体作为载气，将活性铝原子带到工件表面 在高温下通过吸附渗入构件表层，扩散渗入基体，形成渗铝层。设备结构一般为 井式或钟罩式，带有预抽真空泵，预抽真空后在惰性气体保护下加热零件，渗铝 的温度一般控制在900-980C。2.2 钛合金离子渗氮技术 钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、高温强度高以及较好的蠕变抗力 和抗氧化性等优点，在先进航空发动机上应用越来越广泛。为满足系统减重需要 钛合金正在取代其他材料，同时钛基复合材料、先进钛合金材料及相关构件的研 制也正在开展。但是钛合金缺点和其优点一样明显，由于钛合金硬度低、摩擦系 数高、耐磨性差、黏着磨损严重及对磨动损伤敏感，因此限制了其在作为转动构
5、 件或存在微动磨损行为构件中的使用，钦合金轴、叶片等关重构件的应用必须解 决其磨损性能不足的问题。钦合金耐磨性问题有多种解决方案，包括热喷涂、电 镀、微弧氧化、离子注入、无氢渗碳和渗氮等，这些方法各有优势，都可以提高 钦合金的耐磨性能。2.3 梯度热处理技术 航空发动机用涡轮盘，盘心部位（轮毂）工作温度低，但它相应的要受到涡 轮轴的扭转作用，需要细晶组织以保证足够的拉伸强度和疲劳抗力；盘缘部位 （轮缘）要承受的工作温度高（因为它接近高温气体通道），所以需要粗晶组织 保证足够的持久、蠕变和抗疲劳裂纹扩展性能，这样就要求涡轮盘件的不同区域 具有不同晶粒尺寸的显微组织，以获得相应的力学性能，双性能涡
6、轮盘就是具有 双晶粒组织（盘心细晶组织、盘缘粗晶组织）的新一代涡轮盘。双性能盘的制备 有多种技术途径，包括锻造、喷射成形、扩散连接以及热处理等方法，热处理是 粉末冶炼高温合金制备的最后一道关键技术。从目前的发展趋势来看，梯度热处 理技术是实现涡轮盘双性能的优选工艺。首先通过试验得到材料晶粒尺寸与温度、 保温时间的关系数据，在加热过程中通过储热材料对热量的吸收和隔热材料对热 量的阻挡作用，在轮毂到轮缘之间形成有效的低到高的温度梯度场，同时为抵消 制件内部的热传导作用，应严格控制升温速率和保温时间，并通过不同部位的温 度传感器进行检测控制，保证轮毂和轮缘之间的温度差在相应的保温时间内可控， 使轮缘
7、部位组织晶粒长大，在同一制件上形成双晶粒组织。目前采用该种方法结 合温度场模拟技术成功地制备了具备双组织的涡轮盘制件，证实了该工艺的先进 性和实用性。在解决涡轮盘双组织加热问题之后，为了使盘件固溶后不产生过大 的淬火相变组织应力和热应力，避免盘件在淬火时产生淬裂或变形，并在允许时 间内完成淬火处理成为新的研究重点。美国Ladish公司发明了一种自动超冷却设 备，通过复杂的气管、挡板结构设计，由程序自动控制气体的压力、流速、流向、 温度等参数，可以对涡轮盘不同部位进行精确的冷却，并辅以冷却温度场、应力 场模拟分析，很好地解决了这一问题，通过试验验证取得了满意效果。国内目前 正在开展相关的研究，该
8、技术为保证大型复杂结构的粉末高温合金涡轮盘件热处 理淬火完整性，控制盘件淬火残余应力且使盘件达到足够的力学性能奠定了基础 2.4 复合硬化热处理技术航空齿轮、轴承的发展史从一定意义上说是一部表层硬化技术的发展史、表 层硬度的提高史，热处理对其实现长寿命、高可靠性具有独特的作用。表层硬化 技术的典型工艺是渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗，航空发动机主轴承最早用 AISI52100 钢制造，表面硬度较高，随着发动机性能提高，主轴承承载和寿命要求 提高，改用M50钢制造主轴承，硬度和寿命进一步提升。二十世纪末，又改用 CSS-42L 钢制造主轴承，表面硬度达到超高硬度，寿命再次提高，高出陶瓷轴承 4
9、倍左右。表层硬化技术朝着复合化、深层化和超硬化方向发展，复合硬化热处理 技术也显示出了很强的潜力。目前较为成熟的复合硬化热处理技术是复合渗碳氮 技术，复合渗碳氮技术与单一渗碳、渗氮技术及碳氮或氮碳共渗技术有本质区别， 它吸收了渗碳和渗氮技术的优点，在具有很深渗碳承载层的基础上，复合以渗氮 技术又大幅提高了表面硬度，起到了两全其美的效果。以第二代齿轮轴承钢 M50NiL的复合硬化热处理技术为例进行说明，该钢的回火温度为550C，为该技 术的应用提供了可行性。首先采用真空渗碳的方法在M50NiL材料表面形成1.5- 1.8mm 的渗层，经过真空淬火，多次冰冷回火处理消除其渗层中的残余奥氏体， 然后
10、在500C下60h的渗氮，形成了 0.2mm以上的渗氮层。经过以上复合硬化热 处理后，M50NiL钢的表面硬度大幅度提高，可达到1000HV以上，高于单一渗氮 后的900HV和单一渗碳的750HV，是目前齿轮轴承材料化学硬化热处理后的最高 硬度，同时在渗层硬度梯度分布上比单一的渗碳、渗氮技术具有明显优势。结束语 综上所述，发动机制造对热处理技术提出越来越严苛的要求，热处理技术自 身为满足发展的需要，也在不断地进步，向精密化、复合化、功能化和数字化方 向发展，通过对关键构件微观组织结构、应力状态、尺寸精度和变形等关键因素 的控制，赋予其满足设计要求的性能。参考文献：1 郑娟.基于真空热处理制度对航空发动机涡轮叶片影响的研究J.机械管理开 发,2020,35(02):48-50+113.2 刘石球.TiAl基合金凝固组织及热处理纳米化强韧机制研究D.哈尔滨工业大 学,2019.3 陈燕,党文哲,李林燊,梁键,张澜禹.航空发动机火焰筒翻边孔位置度提升工艺研究 J.内燃机与配件,2019(08):30-32.
