De ce piesele aerospațiale au cerințe deosebit de stricte pentru tratamentul termic?

1. Circumstanțele extreme de lucru testează limitele cât de bine funcționează materialele.
Tehnicile de tratare termică îndeplinesc cu greu numeroasele nevoi de performanță concurente ale pieselor aerospațiale în același timp.
Rezistență la temperaturi ridicate și rezistență la fluaj: paletele turbinei trebuie să rămână puternice la o temperatură ridicată de 1300 de grade. Tratamentul termic trebuie să formeze „precipitări de fază de întărire prin soluție solidă și tratament de îmbătrânire. Acest lucru poate face ca aliajele pe bază de-nichel la temperatură înaltă-să reziste de mai mult de trei ori mai mult înainte de a se rupe din cauza fluajului. De exemplu, rezistența la temperatură ridicată-a unui anumit tip de pale de motor de avion a trecut de la 400 MPa la 650 MPa după solidificare direcționată și tratament termic.
Pentru a crește limita de curgere de la 150 MPa la 350 MPa, menținând în același timp densitatea la doar o-treime din cea a oțelului, piesele structurale ale fuzelajului din aliaj de aluminiu trebuie să treacă printr-un tratament termic T6 (soluție solidă plus îmbătrânire artificială). 7075 aliajul de aluminiu are o rezistență specifică de 200MPa/)(g/cm³ după tratamentul termic. Acesta este motivul pentru care este cel mai comun aliaj de aluminiu utilizat în industria aviației.
Trenul de aterizare trebuie să poată face față a 10 ⁷ cicluri de încărcare, iar procesul de tratare termică trebuie să creeze o structură dublă fază mai mică de bainită+martensită prin stingerea izotermă cu bainită. Acest lucru crește limita de oboseală a oțelului 40CrNi2MoA de la 450MPa la 650MPa. După ce a fost încălzit, rata de propagare a ruperii a unui anumit tip de tren de aterizare a avionului a scăzut cu 60% atunci când a fost pus în condiții de serviciu simulate.
2. Controlul procesului este deosebit de dificil în cazul structurilor complicate.
Caracteristicile geometrice complicate ale componentelor aerospațiale reprezintă un obstacol semnificativ în calea consistenței tratamentului termic:
Controlul deformării structurilor cu pereți-subțiri: părțile cu pereți-subțiri (cu grosimi ale peretelui de 0,5 până la 2 mm) din camerele de ardere ale motorului tind să se deformeze în timpul călirii, deoarece se răcesc la viteze diferite. Tehnologia de stingere cu gaz de înaltă presiune-vacuum gestionează cu atenție presiunea azotului (2–6 bar) pentru a împiedica piesele cu pereți-subțiri să nu se îndoaie prea mult, de la 0,3% la 0,05%, ceea ce este necesar pentru asamblarea de precizie.
Discul turbinei unui anumit tip de motor de aviație are un diametru de 800 mm și o grosime de 200 mm. Aceasta înseamnă că încălzirea este uniformă în toate zonele. Când se încălzește cu un cuptor cu aer obișnuit, diferența de temperatură dintre miez și suprafață poate fi de până la 150 de grade Celsius. Uniformitatea temperaturii este menținută la ± 5 grade după trecerea la un cuptor cu vid cu control inteligent al temperaturii cu mai multe zone-. Acest lucru este pentru a opri eșecul timpuriu cauzat de organizarea neuniformă.
Greu de procesat canalele de curgere din cavitatea interioară: canalul de curgere de răcire al cavității interioare al întregului disc al lamei are doar 2–3 mm lățime, prin urmare este greu să obțineți o organizare uniformă cu un tratament termic normal. Folosind tehnici de încălzire prin inducție și stingere prin pulverizare, diferența de duritate dintre suprafața și miezul canalului de curgere a fost redusă de la 15HRC la 5HRC. Acest lucru a făcut canalul de curgere mult mai rezistent la oboseala termică.
3. Cerințele privind trasabilitatea calității trebuie respectate pe tot parcursul ciclului de viață.
Industria aerospațială a creat un sistem complet-în buclă închisă pentru verificarea calității tratamentului termic:
Suport pentru baza de date a proceselor: O companie de producție de aviație a realizat o bază de date a proceselor de tratare termică care cuprinde mai mult de 2000 de varietăți de materiale. Fiecare proces trebuie să apeleze parametrii potriviți. Temperatura de tranziție a fazei beta a aliajului de titan TC4 este de 980 ± 5 grade. Baza de date menține cu precizie temperatura soluției solide între 975 și 985 de grade pentru a preveni supra-ardere sau îngroșarea microstructurii.
Trasabilitate completă a înregistrării procesului: Mai mult de 30 de lucruri trebuie înregistrate și păstrate timp de cel puțin 15 ani în timpul procesului de tratament termic. Acestea includ curba de încălzire, viteza de răcire și gradul de vid. După cinci ani de utilizare, un anumit tip de duză pentru motorul rachetei a început să se spargă. Analizând înregistrările de tratament termic, s-a constatat că abaterea concentrației mediului de stingere a fost de 0,5%. S-a constatat în cele din urmă că aceasta este principala cauză a fisurii.
Testarea ne-distructivă este obligatorie: toate piesele importante trebuie testate cu unde ultrasonice 100% din timp, cu o sensibilitate de până la 0,2 mm pentru găurile cu fund-plat. După ce a fost încălzit, un test cu ultrasunete cu matrice în fază a detectat o micro fisura de 0,1 mm la granița unui rulment specific de aviație. Relucrarea a fost făcută la timp pentru a preveni accidentele grave.
4. Nevoile specifice-industriei motivează îmbunătățirea constantă a tehnologiei.
Industria aerospațială face forță pentru avansarea tehnologiilor de tratament termic în direcția „trei maxime și una scăzută”:
Mediu cu vid înalt: aliajul de titan reacționează ușor cu oxigenul la temperaturi de peste 600 de grade. Tratamentul termic cu vid poate menține nivelul de oxigen sub 10 ppm, ceea ce face ca aliajul de titan TC11 să fie cu 25% mai puternic împotriva oboselii. Tratamentul termic în vid a mărit durata de viață operațională a unui anumit tip de suport satelit pe orbită de la 5 ani la 8 ani.
Control foarte precis al temperaturii: pentru tratarea termică a unui tip special de lamă cu un singur cristal de motor de aviație, temperatura trebuie să rămână în intervalul de ± 1,5 grade. Un sistem de monitorizare a temperaturii în infraroșu și un sistem de gestionare-închisă sunt utilizate pentru a reduce abaterea standard a conținutului inițial al fazei alfa a lamei de la 3% la 0,5%. Acest lucru face ca performanța lamei la temperatură ridicată-mult mai stabilă.
Procesare cu fascicul de energie înaltă: Tehnologia de întărire a suprafeței cu laser poate crea un strat întărit de până la 0,5 mm adâncime pe piesă. Acest lucru crește durata de viață la oboseală de contact a unui anumit tip de echipament de elicopter de la 10 ⁷ ori la 10 ⁸ ori și îl face cu 15% mai ușor.
Tratamentul termic pentru aviație a scăpat complet de mediile de stingere care conține cianură și a trecut la o soluție apoasă de alcool polivinilic (PVA). Acest lucru a redus valoarea COD a apei uzate de la 5000 mg/L la 200 mg/L, ceea ce este în conformitate cu regulile de mediu.