Защо аерокосмическите части имат особено строги изисквания за топлинна обработка?

1. Екстремните работни обстоятелства тестват границите на ефективността на материалите.
Техниките за топлинна обработка трудно могат да отговорят едновременно на многото конкуриращи се нужди от производителност на аерокосмическите части.
Якост при висока температура и устойчивост на пълзене: Турбинните лопатки трябва да останат здрави при висока температура от 1300 градуса. Топлинната обработка трябва да образува „укрепване на фазата на утаяване чрез твърд разтвор и обработка със стареене. Това може да направи -базираните на никел високотемпературни-сплави да издържат повече от три пъти по-дълго, преди да се счупят поради пълзене. Например издръжливостта при високи-температури на определен тип лопатка на авиационен двигател премина от 400MPa до 650MPa след насочено втвърдяване и термична обработка.
За да се повиши границата на провлачане от 150MPa на 350MPa, като същевременно се запази плътността само на една-трета от тази на стоманата, структурните части на фюзелажа от алуминиева сплав трябва да преминат през термична обработка T6 (твърд разтвор плюс изкуствено стареене). 7075 алуминиевата сплав има специфична якост от 200MPa/(g/cm³) след термична обработка. Ето защо това е най-разпространената алуминиева сплав, използвана в авиационната индустрия.
Колесникът трябва да може да издържи 10 ⁷ цикъла на натоварване, а процесът на термична обработка трябва да създаде двуфазна структура с по-нисък бейнит+мартензит чрез изотермично закаляване на бейнит. Това повишава границата на умора на стомана 40CrNi2MoA от 450MPa на 650MPa. След нагряване, скоростта на разпространение на счупване на определен тип колесник на самолет спадна с 60%, когато се постави при симулирани условия на експлоатация.
2. Контролът на процеса е особено труден при сложни структури.
Сложните геометрични характеристики на аерокосмическите компоненти представляват значителна пречка за последователността на термичната обработка:
Контролиране на деформацията на тънко{0}}стенни конструкции: Тънкостенните-части (с дебелина на стената от 0,5 до 2 mm) в горивните камери на двигателя са склонни да се изкривяват по време на охлаждане, защото се охлаждат с различна скорост. Технологията за закаляване с газ под високо-налягане на вакуум внимателно управлява налягането на азота (2–6 бара), за да предпази тънкостенните-части от прекалено огъване, от 0,3% до 0,05%, което е необходимото за прецизно сглобяване.
Турбинният диск на определен тип авиационен двигател е с диаметър 800 mm и дебелина 200 mm. Това означава, че отоплението е равномерно във всички зони. При нагряване с типична въздушна пещ разликата в температурата между сърцевината и повърхността може да бъде до 150 градуса по Целзий. Еднородността на температурата се поддържа в рамките на ± 5 градуса след преминаване към много-зонова интелигентна вакуумна пещ за контрол на температурата. Това е за спиране на ранен провал, причинен от неравномерна организация.
Трудно се обработват каналите на потока във вътрешната кухина: Каналът за охлаждащ поток на вътрешната кухина на целия диск с острието е широк само 2–3 mm, поради което е трудно да се получи еднаква организация с нормална топлинна обработка. Използвайки индукционно нагряване и техники за охлаждане чрез спрей, разликата в твърдостта между повърхността на канала на потока и ядрото беше намалена от 15HRC на 5HRC. Това направи канала на потока много по-устойчив на термична умора.
3. Изискванията за проследяване на качеството трябва да се спазват през целия жизнен цикъл.
Авиокосмическата индустрия е създала система с пълен{0}}затворен цикъл за проверка на качеството на термичната обработка:
Поддръжка на база данни за процеси: Една авиационна производствена компания е направила база данни за процеси на топлинна обработка, която включва повече от 2000 разновидности на материали. Всеки процес трябва да извика правилните параметри. Температурата на бета фазовия преход на титановата сплав TC4 е 980 ± 5 градуса. Базата данни поддържа точно температурата на твърдия разтвор между 975 и 985 градуса, за да се предотврати прегаряне или загрубяване на микроструктурата.
Пълна проследимост на записите на процеса: Повече от 30 неща трябва да бъдат записани и съхранявани най-малко 15 години по време на процеса на термична обработка. Те включват кривата на нагряване, скоростта на охлаждане и степента на вакуум. След пет години употреба определен тип дюза на ракетен двигател започна да се счупва. Чрез разглеждане на записите за термична обработка беше установено, че отклонението в концентрацията на охлаждащата среда е 0,5%. Най-накрая се установи, че това е основната причина за пукнатината.
Не-разрушителният тест е задължителен: Всички важни части трябва да бъдат тествани с ултразвукови вълни през 100% от времето, с чувствителност до 0,2 mm за отвори с плоско-дъно. След нагряване, ултразвуков тест с фазова решетка откри микропукнатина от 0,1 mm на границата на зърното на специфичен авиационен лагер. Преработката е извършена навреме, за да се предотвратят сериозни инциденти.
4. Специфичните-отраслови нужди мотивират постоянното подобряване на технологиите.
Аерокосмическата индустрия настоява за напредъка на технологиите за топлинна обработка в посока „три високи и един нисък“:
Среда с висок вакуум: Титановата сплав лесно реагира с кислорода при температури над 600 градуса. Вакуумната термична обработка може да поддържа нивото на кислорода под 10 ppm, което прави титановата сплав TC11 с 25% по-здрава срещу умора. Вакуумната топлинна обработка увеличи експлоатационния живот на определен тип сателитна скоба в орбита от 5 години на 8 години.
Много прецизен контрол на температурата: За термична обработка на специален тип еднокристално острие на авиационен двигател, температурата трябва да остане в рамките на ± 1,5 градуса. Инфрачервено наблюдение на температурата и система за управление със затворен -контур се използват за понижаване на стандартното отклонение на първоначалното съдържание на алфа фаза на острието от 3% на 0,5%. Това прави работата на острието при висока-температура много по-стабилна.
Обработка с високоенергиен лъч: Технологията за лазерно повърхностно укрепване може да създаде втвърден слой с дълбочина до 0,5 mm върху частта. Това увеличава издръжливостта на контактна умора на определен тип хеликоптерно оборудване от 10 ⁷ пъти до 10 ⁸ пъти и го прави с 15% по-лек.
Авиационната термична обработка напълно се отървава от охлаждащата среда, която съдържа цианид, и преминава към воден разтвор на поливинил алкохол (PVA). Това понижи стойността на COD на отпадъчните води от 5000 mg/L на 200 mg/L, което е в съответствие с екологичните правила.