Tại sao các bộ phận hàng không vũ trụ có yêu cầu đặc biệt nghiêm ngặt về xử lý nhiệt?

1. Các điều kiện làm việc khắc nghiệt kiểm tra giới hạn hoạt động của vật liệu.
Kỹ thuật xử lý nhiệt gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhiều nhu cầu về hiệu suất cạnh tranh của các bộ phận hàng không vũ trụ cùng một lúc.
Độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống rão: Cánh tuabin cần phải bền ở nhiệt độ cao 1300 độ. Xử lý nhiệt cần hình thành 'tăng cường kết tủa pha thông qua dung dịch rắn và xử lý lão hóa. Điều này có thể làm cho hợp kim nhiệt độ cao-làm từ niken có tuổi thọ cao hơn gấp ba lần trước khi chúng bị gãy do dão. Ví dụ: độ bền-ở nhiệt độ cao của một loại cánh động cơ máy bay nhất định đã tăng từ 400MPa lên 650MPa sau quá trình hóa rắn và xử lý nhiệt theo chỉ đạo.
Để nâng cường độ chảy từ 150MPa lên 350MPa trong khi vẫn giữ mật độ chỉ bằng 1-so với thép, các bộ phận kết cấu thân máy bay bằng hợp kim nhôm phải trải qua quá trình xử lý nhiệt T6 (dung dịch rắn cộng với lão hóa nhân tạo). 7075 hợp kim nhôm có cường độ riêng 200MPa/(g/cm ³) sau khi xử lý nhiệt. Đây là lý do tại sao nó là hợp kim nhôm phổ biến nhất được sử dụng trong ngành hàng không.
Thiết bị hạ cánh cần có khả năng xử lý 10 ⁷ chu kỳ tải và quy trình xử lý nhiệt cần tạo ra cấu trúc pha kép bainite + martensite thấp hơn thông qua quá trình làm nguội đẳng nhiệt bainite. Điều này làm tăng giới hạn mỏi của thép 40CrNi2MoA từ 450MPa lên 650MPa. Sau khi được làm nóng, tốc độ lan truyền vết nứt của một loại thiết bị hạ cánh máy bay nhất định đã giảm 60% khi đặt trong điều kiện dịch vụ mô phỏng.
2. Kiểm soát quy trình đặc biệt khó hơn với các cấu trúc phức tạp.
Các đặc điểm hình học phức tạp của các bộ phận hàng không vũ trụ gây trở ngại đáng kể cho tính nhất quán của xử lý nhiệt:
Kiểm soát sự biến dạng của các cấu trúc có thành-mỏng: Các bộ phận có thành-mỏng (có độ dày thành từ 0,5 đến 2 mm) trong buồng đốt động cơ có xu hướng cong vênh trong quá trình làm nguội vì chúng nguội đi ở các tốc độ khác nhau. Công nghệ làm nguội khí áp suất cao chân không-quản lý cẩn thận áp suất nitơ (2–6 bar) để giữ cho các bộ phận có thành mỏng-không bị uốn cong quá nhiều, từ 0,3% đến 0,05%, đây là mức cần thiết để lắp ráp chính xác.
Đĩa tuabin của một loại động cơ hàng không có đường kính 800mm và dày 200mm. Điều này có nghĩa là hệ thống sưởi đồng đều khắp tất cả các khu vực. Khi nung nóng bằng lò không khí thông thường, chênh lệch nhiệt độ giữa lõi và bề mặt có thể lên tới 150 độ C. Độ đồng đều nhiệt độ được duy trì trong khoảng ± 5 độ sau khi chuyển sang lò chân không điều khiển nhiệt độ thông minh đa vùng. Điều này nhằm ngăn chặn những thất bại sớm do tổ chức không đồng đều gây ra.
Khó xử lý các kênh dòng chảy trong khoang bên trong: Kênh dòng làm mát khoang bên trong của toàn bộ đĩa lưỡi chỉ rộng 2–3 mm, do đó khó có được một tổ chức đồng nhất với xử lý nhiệt thông thường. Sử dụng kỹ thuật gia nhiệt cảm ứng và làm nguội phun, sự khác biệt về độ cứng giữa bề mặt và lõi của kênh dòng chảy đã giảm từ 15HRC xuống 5HRC. Điều này làm cho kênh dòng chảy có khả năng chống mỏi nhiệt tốt hơn nhiều.
3. Phải tuân thủ các yêu cầu về truy xuất nguồn gốc chất lượng trong toàn bộ vòng đời sản phẩm.
Ngành hàng không vũ trụ đã thiết lập một hệ thống-vòng khép kín hoàn chỉnh để kiểm tra chất lượng xử lý nhiệt:
Hỗ trợ cơ sở dữ liệu quy trình: Một công ty sản xuất hàng không đã tạo ra cơ sở dữ liệu quy trình xử lý nhiệt bao gồm hơn 2000 loại vật liệu. Mỗi quá trình phải gọi đúng tham số. Nhiệt độ chuyển pha beta của hợp kim titan TC4 là 980 ± 5 độ. Cơ sở dữ liệu duy trì chính xác nhiệt độ dung dịch rắn trong khoảng từ 975 đến 985 độ để ngăn chặn tình trạng cháy quá mức hoặc làm thô cấu trúc vi mô.
Truy xuất nguồn gốc hồ sơ toàn bộ quá trình: Hơn 30 thứ cần được ghi lại và lưu giữ ít nhất 15 năm trong quá trình xử lý nhiệt. Chúng bao gồm đường cong gia nhiệt, tốc độ làm mát và độ chân không. Sau 5 năm sử dụng, một loại vòi phun của động cơ tên lửa bắt đầu bị hỏng. Khi xem xét hồ sơ xử lý nhiệt, người ta thấy rằng độ lệch nồng độ của môi trường tôi là 0,5%. Đây cuối cùng đã được tìm ra là nguyên nhân chính gây ra vết nứt.
Kiểm tra không{0}}phá hủy là điều bắt buộc: Tất cả các bộ phận quan trọng phải được kiểm tra bằng sóng siêu âm 100% thời gian, với độ nhạy lên tới 0,2mm đối với các lỗ có đáy phẳng. Sau khi được làm nóng, thử nghiệm siêu âm mảng pha đã phát hiện một vết nứt vi mô 0,1mm ở ranh giới hạt của ổ trục hàng không cụ thể. Việc làm lại được thực hiện đúng thời gian để ngăn ngừa tai nạn nghiêm trọng.
4. Nhu cầu cụ thể của ngành thúc đẩy sự cải tiến không ngừng của công nghệ.
Ngành hàng không vũ trụ đang thúc đẩy sự tiến bộ của công nghệ xử lý nhiệt theo hướng “ba cao và một thấp”:
Môi trường chân không cao: Hợp kim titan phản ứng dễ dàng với oxy ở nhiệt độ trên 600 độ. Xử lý nhiệt chân không có thể giữ mức oxy dưới 10 ppm, giúp hợp kim titan TC11 chống mỏi mạnh hơn 25%. Xử lý nhiệt chân không đã tăng tuổi thọ hoạt động của một loại giá đỡ vệ tinh nhất định trên quỹ đạo từ 5 năm lên 8 năm.
Kiểm soát nhiệt độ rất chính xác: Để xử lý nhiệt một loại lưỡi tinh thể đơn của động cơ hàng không đặc biệt, nhiệt độ phải nằm trong khoảng ± 1,5 độ. Hệ thống quản lý vòng lặp khép kín và giám sát nhiệt độ hồng ngoại-được sử dụng để giảm độ lệch chuẩn của hàm lượng pha alpha ban đầu của cánh từ 3% xuống 0,5%. Điều này giúp cho hiệu suất-ở nhiệt độ cao của lưỡi dao ổn định hơn nhiều.
Xử lý chùm tia năng lượng cao: Công nghệ tăng cường bề mặt bằng laser có thể tạo ra một lớp cứng sâu tới 0,5mm trên bộ phận. Điều này làm tăng tuổi thọ mỏi tiếp xúc của một loại thiết bị trực thăng nhất định từ 10 ⁷ lần lên 10 ⁸ lần và làm cho nó nhẹ hơn 15%.
Xử lý nhiệt hàng không đã loại bỏ hoàn toàn môi trường làm nguội có chứa xyanua và chuyển sang dung dịch nước chứa rượu polyvinyl (PVA). Điều này đã hạ giá trị COD của nước thải từ 5000mg/L xuống 200mg/L, phù hợp với quy định về môi trường.