飞机零件失效与金属热处理不当的关系探究

飞机零件失效与金属热处理不当的关系探究

张一可李佳珊 刘畅

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨市 150060

摘要：金属材料热处理过程是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来改变其性能的一种工艺。正确的热处理工艺能够提高金属材料的机械性能，而不合理的热处理条件，会降低金属材料的性能。因此，在热处理技术使用的过程中，必须根据金属材料与成分，合理分析该种金属材料与热处理工艺之间的关系。

关键词：飞机；热处理；金属零件 

近年来，随着社会经济的不断发展，金属处理工艺也有了很大的进步和提高。在金属零件制造过程中，热处理工艺是影响金属零件制造水平的重要措施。热处理技术能够帮助金属零件在获得所需性能的前提下，通过改变相应的参数指标，例如金属零件的加热温度、保温时间、冷却方式等，改变金属零件的加工过程，从而实现节能降耗、缩短生产周期的目的。热处理技术在金属工艺制造过程中是一种值得推广的、对提高金属工艺水平有帮助的金属加工工艺。热处理技术属于材料的控性和改性技术，采用加热-保温-冷却手段来控制材料的相变和内部显微组织，通过改变材料内部组织结构来挖掘材料的极限性能并达到构件的极限服役要求。随着飞机工业精密制造技术以及飞机新材料技术的不断发展，对飞机产品热处理技术创新和质量控制提出了新的要求。

一、飞机热处理的特点

飞机维修主要负责对飞机装备进行定期保养和维修，使飞机装备保持、 恢复和改善规定的技术状态。修理内容包括固定换新件的更换和故障件的修理，与主机厂类似，其零部件产品制造特点也是小批量、多品种，又由于飞机维修热处理包括故障件修复热处理，因此其热处理工艺特点与飞机主机厂既有相似之处，又有其独特的特点。

1、飞机金属材料和热处理工艺的多样性。一架飞机一般具有数以万计的金属零部件，所涉及的材料种类和牌号更是复杂繁多，主要包括各种钢、钛合金、铝合金、铜合金、镁合金和高温合金等材料。各类飞机材料制成的零件性能要求和使用要求均不同，需制定的预备热处理和最终热处理工艺规范以及所需的加热设备和冷却介质也不尽相同，小批量、多材料及多品种的产品特点决定了航修热处理工艺的多样性，除了自制件，飞机维修热处理零件还包括一部分拆解下来的修理件，需进行修复热处理来达到其使用性能。一是通过热处理恢复零件性能，改善零件塑性，利于零件的补焊和矫形；二是在补焊缺陷的同时进行修复热处理来恢复性能，通过淬火和回火等热处理工序强化修理件，既消除了缺陷，又改善了性能；三是到寿部件经恢复性能热处理后延长寿命，即修复零件内部损伤，使零件内部组织完全或部分恢复到初始状态，这是修理件热处理的工艺特点。

2、热处理设备的多样性及排产计划的随机性。航修热处理工艺多样性决定了其热处理设备的多样性。加热设备包括普通空气电炉，用于毛料、锻件预备及强化热处理。真空淬火、退火炉用于半成品及成品零件光亮热处理以及钛合金、 电磁纯铁的退火热处理。盐浴炉及碱槽用于半成品零件淬回火、等温淬火热处理。 硝盐槽用于铝合金淬火热处理。气体渗碳、渗氮炉用于零件渗碳、渗氮等化学热处理。感应加热炉，用于零件表面热处理。通常飞机热处理车间拥有所有这些设备，以满足飞机材料所需不同的炉子类别、温度范围以及加热气氛等热处理工艺要求。因航修热处理产品的小批量、多品种，以及航空修理每架飞机对零件需求的不一致性，使得热处理生产计划不能形成确定的大批量，且产品类型随机性较大，无法保证热处理设备满负荷连续运转。

二、热处理工艺对金属零件的作用

1、热处理工艺能够提高金属材料切削功能和切削强度。随着社会的不断发展，对金属零件的性能要求变得越来越高，传统的工艺技术已经不能满足现代社会的需要。在进行金属零件加工的过程中，要求金属零件要具备较高的切削功能和切削强度。为了满足这一要求，在进行加工的过程中需要做好金属材料切削和热处理工艺之间的沟通，使其能配合得较为默契，从而完成对金属材料的热处理，这样不仅能减少切削过程中的缺陷，提高金属零件加工的性能，同时还能提高金属零件制造的效率。

2、热处理工艺能够提高金属材料的断裂韧性。在金属进行工艺处理过程中，金属零件最容易出现断裂现象，根据金属的断裂力学理论进行研究，金属断裂的现象是普遍存在的。任何材质的金属都会存在不同数量、不同尺寸的金属裂纹。根据每种金属的属性特点，金属的断裂韧性也有着很大的差别。所谓金属的断裂韧性就是指金属的裂纹在受到不同程度的外力作用时会产生抵抗裂纹的反作用力，这种抵抗裂纹扩展的性能就是金属的断裂韧性。日常生活中，在对金属进行裂纹韧性的测试时发现，对金属进行热处理可以让金属的组织发生变化，如果金属再次接受热处理，只有当应力和温度达到一定标准时，金属才有可能发生动态结晶。对于不同的金属材料，我们就可以通过控制不同的热处理的温度，来提高金属材料的断裂韧性。

三、飞机维修热处理的未来发展

飞机工业新型飞机装备研制不断加快，飞机新材料不断被设计开发和使用，飞机零件高可靠性和长使用寿命的需求不断加强。飞机维修行业在新装备交付后的终身保养和维修要面对更大的挑战，而对零件性能要求的不断提高与现有热处理技术现状之间的矛盾日益凸显。热处理属于能源消耗大户，污染问题突出，信息化智能化程度不高，使得绿色和可持续发展的工业目标与现有热处理技术现状之间的矛盾日益凸显。因此，急需进行飞机维修热处理行业的改造升级，使其不断向精密-高效-经济-绿色的方向发展，才能保证飞机修理技术的与时俱进。先进热处理设备、新技术和质量控制体系的引进和应用，采用先进设备铝合金空气循环炉，逐渐取代硝盐槽，实现铝合金淬火。采用感应加热技术逐渐取代铅浴加热，实现零件表面或局部热处理。采用底装料立式多用炉逐渐取代盐浴炉实现分级、等温淬火工艺，新设备使得车间易于实现自动化、数字化生产线，并解决环境污染和淬火水源污染等问题。 采用新型淬火冷却介质，提高聚合物淬火剂和有机淬火介质的使用，开展生物淬火油淬火冷却性能研究，为建立热处理工艺数据库提供支持。改造升级淬火冷却槽，从影响热处理质量因素方面制定措施，将油槽加入热处理生产线集成化、自动化建设中。采用真空热处理新技术，包括真空高压气淬、真空化学热处理以及真空等温淬火等，真空高压气淬后，工件表面质量好，无氧化、增碳，淬火均匀性好，冷却速度可控性好，工件变形小，全过程无污染和废气排放，淬火后工件无需二次清洗，效率高、节能、环保，真空化学热处理可实现不锈钢零件的渗碳。采用可控气氛热处理新技术，包括气氛保护热处理和气体渗碳、 气体渗氮热处理，气氛保护热处理通过采用氢、氩和氮气等保护气氛，实现零件的少无氧化和脱碳加热。当需要改变金属表面化学成分时，通入含所需渗入元素的渗剂气体，实现零件表面化学热处理。目前，国内热处理发展正逐步得到重视，热处理方面的国际化合作不断深入。 航修热处理工厂应充分关注，根据航修热处理工厂的自制零件和修理件的产品特点，针对性的多关注修复热处理技术，提高热处理零件金相组织检测和分析水平，建立有效的失效分析。

综上所述，在金属零件制造的过程中，热处理工艺的应用将会影响金属零件制造的水平。采用热处理工艺，不仅能保证金属零件的性能，同时还可以利用多种技术改变金属零件制造过程中的能耗问题，实现节能降耗的目标。此外，采用热处理工艺还能大大提高金属零件生产的效率，有效缩短生产周期。因此，在金属制造的过程中要对热处理技术给予高度的重视。

参考文献：

[1] 王衡，张旸，刘松良．飞机热处理、表面处理现状及展望[J]. 黑龙江科技信息，2018，46(19)：100．

[2] 孙枫，王广生，佟小军．飞机工业中热处理现状和发展[J]．金属热处理，2019(1)：58-66．