孫 楓，賀瑞軍，江志華，王 琳，佟小軍，韓 勁，周 舸

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

孫 楓

碩士，高級(jí)工程師，2007年至今在北京航空材料研究院從事熱處理技術(shù)研發(fā)工作，獲中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1次。

伴隨著第三、四代航空飛行器的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制迎來(lái)了前所未有的新高度，為適應(yīng)新型發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，新材料和新工藝不斷的研發(fā)和制造，保證構(gòu)件的高性能、高可靠性和長(zhǎng)壽命制造是必然的發(fā)展趨勢(shì)。熱處理技術(shù)是材料基礎(chǔ)、共性的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是構(gòu)件獲得極限性能的關(guān)鍵因素、獲得極限服役性能的重要途徑，既具有很強(qiáng)的理論性，又具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，一直是“材料科學(xué)與工程”和“機(jī)械制造”兩大學(xué)科的研究前沿，同時(shí)也是發(fā)達(dá)國(guó)家的研究熱點(diǎn)，美、德、日等發(fā)達(dá)國(guó)家都有專門(mén)的發(fā)展路線圖和規(guī)劃，以不斷的技術(shù)創(chuàng)新，確保其關(guān)鍵構(gòu)件的領(lǐng)先水平[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)制造對(duì)熱處理技術(shù)提出越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，熱處理技術(shù)自身為滿足發(fā)展的需要，也在不斷地進(jìn)步，向精密化、復(fù)合化、功能化、數(shù)字化方向發(fā)展，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件（特別是構(gòu)件表層）微觀組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)、尺寸精度、變形等關(guān)鍵因素的控制，賦予其滿足設(shè)計(jì)要求的服役性能。本文就航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤(pán)、齒輪、軸承、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵構(gòu)件制造，對(duì)先進(jìn)熱處理技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹和分析。

真空熱處理技術(shù)

真空熱處理技術(shù)可以使材料脫脂、脫氣，有效避免表面污染和氫脆，具有無(wú)氧化、無(wú)脫碳、無(wú)元素貧化的特點(diǎn)，有效提高材料性能，同時(shí)還具有自動(dòng)化、柔性化和清潔熱處理等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得真空熱處理技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件制造中廣泛應(yīng)用，并獲得迅速發(fā)展，是發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金、單晶合金、功能材料、鈦合金、鋼材料構(gòu)件的熱處理必選工藝。

真空熱處理技術(shù)加熱過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，以單晶葉片構(gòu)件為例，其合金特點(diǎn)對(duì)固溶、時(shí)效過(guò)程的溫度窗口、表面貧化、變形控制要求嚴(yán)格，通過(guò)爐溫均勻性控制（≤±5℃）、惰性氣體分壓等手段解決，同時(shí)采用負(fù)載溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證處理溫度的準(zhǔn)確、均勻，已形成規(guī)范，在產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中取得了良好的效果。

目前，冷卻過(guò)程是真空熱處理技術(shù)研究的重點(diǎn)，冷卻方式可以分為油冷、水冷、氣冷或爐冷，其中真空加壓氣冷的冷卻壓力氮?dú)庾罡哌_(dá)2MPa，氬氣最高達(dá)1.2MPa，大大提高了冷卻速度，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣冷、部分材料的油冷或分級(jí)淬火，實(shí)現(xiàn)控制冷卻，達(dá)到合理冷卻的目的，因此近些年真空加壓氣冷技術(shù)得到重視和應(yīng)用。

真空加壓氣冷技術(shù)的核心是冷卻速度的控制，這與兩個(gè)因素有關(guān)。首先是設(shè)備的冷卻能力，包括氣體噴嘴的分布、風(fēng)機(jī)的功率、氣流的循環(huán)方式、冷卻水的溫度和壓力、冷卻氣體的種類(lèi)、冷卻氣體的壓力、卡具的結(jié)構(gòu)、擺放方式、制件的外形尺寸及裝爐量等，加熱和冷卻分開(kāi)的雙室結(jié)構(gòu)冷卻室處于室溫，比單室結(jié)構(gòu)具備更強(qiáng)的冷卻能力，單室真空爐各種壓力氣冷的冷卻速度，其結(jié)果如圖1所示[2]；然后是材料的成分起關(guān)鍵作用，一般規(guī)律是碳含量的提升會(huì)降低材料淬硬能力，合金元素含量的增加會(huì)提高材料的淬硬能力，同時(shí)材料截面尺寸越大淬硬能力越低，在現(xiàn)有的設(shè)備能力下很多鋼材料的臨界淬透直徑超過(guò)了φ200mm[3]。真空加壓氣冷技術(shù)與設(shè)備和制件相關(guān)性極強(qiáng)，影響因素眾多，比常規(guī)的真空油淬技術(shù)更為復(fù)雜，在航空制造中的應(yīng)用需要切實(shí)可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。

圖1 真空加壓氣冷冷速曲線Fig.1 Cooling rate of vacuum gas quenching（1-0.05MPa，2-0.1MPa，3-靜止空氣冷卻，4-0.2MPa，5-0.3MPa，6-0.4MPa，7-0.5MPa，8-0.6MPa）

圖2是單晶葉片不同熱處理過(guò)程裝爐量與真空加壓氣冷冷卻時(shí)間的關(guān)系，冷卻時(shí)間的計(jì)算方法為從工藝溫度冷至100℃。從圖2中可以看出，單晶葉片在固溶、一級(jí)時(shí)效、二級(jí)時(shí)效的冷卻過(guò)程中，冷卻時(shí)間并沒(méi)有隨著裝爐量的提高而增加，而是出現(xiàn)了無(wú)規(guī)律的波動(dòng)，在相同的工藝條件下葉片實(shí)際的冷卻速度是不同的，這種現(xiàn)象說(shuō)明了真空加壓氣冷技術(shù)的復(fù)雜性。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，即使是在同一個(gè)葉片構(gòu)件上，不同部位經(jīng)過(guò)冷卻后γ'相的尺寸也在50～70μm間變化，冷速的波動(dòng)對(duì)同爐葉片γ'相尺寸的影響將會(huì)更大，加之設(shè)備結(jié)構(gòu)因素，造成同爐不同位置的冷速區(qū)別，必然存在工藝控制的危險(xiǎn)區(qū)，也就是“弱區(qū)”，“弱區(qū)”內(nèi)的葉片質(zhì)量難以保證。“弱區(qū)”的影響程度需要進(jìn)一步的研究來(lái)進(jìn)行表征。

真空加壓氣冷技術(shù)的冷卻能力可以滿足很多材料的需要，是真空熱處理技術(shù)研究的重點(diǎn)方向，下一步應(yīng)結(jié)合具體構(gòu)件的性能要求及變形控制要求進(jìn)行深入的研究。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于航空下一代軸承的制造，也完全可以滿足大尺寸關(guān)鍵齒輪制造的需求，并可有效降低構(gòu)件的變形，是取代齒輪真空油淬的有效方法。同時(shí)針對(duì)新一代單晶葉片構(gòu)件的需要，相應(yīng)的真空加壓雙冷速技術(shù)和裝備的研發(fā)工作也正在開(kāi)展。

化學(xué)熱處理技術(shù)

化學(xué)熱處理技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用主要解決以下3類(lèi)問(wèn)題：一是提高高溫端制件的抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，典型技術(shù)葉片的滲鋁；二是提高承載能力、功率傳遞，典型技術(shù)是齒輪、軸承的滲碳、滲氮技術(shù)；三是提高耐磨損性能，典型技術(shù)是鈦合金制件的離子滲氮。

1 滲鋁技術(shù)

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)由于推重比提高，渦輪前溫度隨之升高，因而要求構(gòu)件必須具有抗熱沖擊、耐高溫腐蝕、抗高熱交變和復(fù)雜應(yīng)力的能力。滲鋁技術(shù)是解決葉片抗高溫氧化與腐蝕的最好方法，傳統(tǒng)的滲鋁技術(shù)主要有固體滲鋁和料漿滲鋁兩種。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片向著提高冷卻效率發(fā)展，葉片內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)走向精細(xì)化和復(fù)雜化，傳統(tǒng)的固體滲鋁法和料漿涂層滲鋁法都不能徹底解決內(nèi)部滲層不均勻和容易堵塞的問(wèn)題，其盲孔、內(nèi)腔的滲鋁技術(shù)成為研究焦點(diǎn)。氣相滲鋁方法具備溫度控制精確，滲層均勻性好，對(duì)盲孔、內(nèi)腔結(jié)構(gòu)有效等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用[4]。

目前，典型的氣相滲鋁方法是使?jié)B劑中的金屬鋁生成鋁的鹵素化合物（AlCl3），經(jīng)分解還原或置換產(chǎn)生活性高的新生態(tài)鋁原子，采用惰性氣體作為載氣，將活性鋁原子帶到工件表面，在高溫下通過(guò)吸附滲入構(gòu)件表層，擴(kuò)散滲入基體，形成滲鋁層。設(shè)備結(jié)構(gòu)一般為井式或鐘罩式，帶有預(yù)抽真空泵，預(yù)抽真空后在惰性氣體保護(hù)下加熱零件，滲鋁的溫度一般控制在 900～980℃。

圖2 單晶葉片不同裝爐量與冷卻時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 Cooling time of single crystal blade with different loads

采用此種方法，在鎳基高溫合金葉片葉身最高可得到接近100μm的滲鋁層，但經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)腔滲層深淺不均勻、局部無(wú)滲層的現(xiàn)象[5]。為解決葉片內(nèi)腔滲層均勻性的問(wèn)題，航材院開(kāi)展了很多相關(guān)的研究工作予以解決：一是提高滲前葉片內(nèi)腔的表面質(zhì)量，改善粗糙度，完善清理、清洗的手段；二是改進(jìn)工藝方法，采取類(lèi)似真空滲碳工藝的真空脈沖方式，把工藝過(guò)程分解成若干個(gè)脈沖段，每個(gè)脈沖段由強(qiáng)滲段和擴(kuò)散段組成，強(qiáng)滲段與常規(guī)工藝相同，通過(guò)擴(kuò)散段將內(nèi)腔和小孔中的殘余氣體抽走，保證后續(xù)強(qiáng)滲段過(guò)程中新鮮氣氛持續(xù)補(bǔ)充入內(nèi)腔中，提高滲層深度和均勻性；三是采用特殊的導(dǎo)風(fēng)卡具，控制滲鋁氣氛的走向，將氣氛直接導(dǎo)入葉片內(nèi)腔中。通過(guò)以上幾方面的調(diào)整，目前葉片內(nèi)腔的滲鋁層深度已經(jīng)達(dá)到40μm以上，并具有很好的均勻性，滿足技術(shù)要求。

近些年的研究表明，預(yù)先電鍍或化學(xué)氣相沉積鉑涂層后，再進(jìn)行氣相滲鋁得到鉑改性鋁層技術(shù)，相對(duì)于單一滲鋁層可進(jìn)一步提升高溫抗氧化和抗熱腐蝕性能[6-9]，是未來(lái)滲鋁工藝發(fā)展的重要方向。

2 復(fù)合硬化熱處理技術(shù)

航空齒輪、軸承的發(fā)展史從一定意義上說(shuō)是一部表層硬化技術(shù)的發(fā)展史、表層硬度的提高史，熱處理對(duì)其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、高可靠性具有獨(dú)特的作用。表層硬化技術(shù)的典型工藝是滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承最早用AISI52100鋼制造，表面硬度達(dá)到58～62HRC；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高，主軸承承載和壽命要求提高，改用M50鋼制造主軸承，硬度達(dá)到 62～64HRC，壽命隨之提高了3.2倍；20世紀(jì)末，又改用CSS-42L鋼制造主軸承，表面硬度達(dá)到超高硬度68～72HRC，壽命再提高24倍，高出Si3N4陶瓷軸承4倍[1]。

表層硬化技術(shù)朝著復(fù)合化、深層化和超硬化方向發(fā)展，復(fù)合硬化熱處理技術(shù)也顯示出了很強(qiáng)的潛力。目前較為成熟的復(fù)合硬化熱處理技術(shù)是復(fù)合滲碳氮技術(shù)，復(fù)合滲碳氮技術(shù)與單一滲碳、滲氮技術(shù)及碳氮或氮碳共滲技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別，它吸收了滲碳和滲氮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在具有很深滲碳承載層的基礎(chǔ)上，復(fù)合以滲氮技術(shù)又大幅提高了表面硬度，起到了兩全其美的效果。以第二代齒輪軸承鋼M50NiL的復(fù)合硬化熱處理技術(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明，該鋼的回火溫度為550℃，為該技術(shù)的應(yīng)用提供了可行性。首先采用真空滲碳的方法在M50NiL材料表面形成1.5～1.8mm的滲層，經(jīng)過(guò)真空淬火，多次冰冷回火處理消除其滲層中的殘余奧氏體，然后在500℃下60h的滲氮，形成了0.2mm以上的滲氮層。經(jīng)過(guò)以上復(fù)合硬化熱處理后，M50NiL鋼的表面硬度大幅度提高，可達(dá)到1000HV以上，高于單一滲氮后的900HV和單一滲碳的750HV，是目前齒輪軸承材料化學(xué)硬化熱處理后的最高硬度；同時(shí)在滲層硬度梯度分布上比單一的滲碳、滲氮技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，在0.8mm的深度硬度仍能達(dá)到750HV以上，3種工藝的滲層硬度梯度曲線見(jiàn)圖3；在該工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行了接觸疲勞試驗(yàn)，并與單一滲碳工藝進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，M50NiL鋼采用復(fù)合硬化熱處理的中值壽命L10較單一滲碳工藝提高了6倍以上，效果顯著；圖5是滲層金相組織，以點(diǎn)狀的碳化物和氮化物為主，分布均勻、彌散，這也是提高其接觸疲勞壽命的重要原因。

復(fù)合硬化熱處理技術(shù)適用于具有良好中溫回火抗性的中等合金含量鋼材料，能最大程度地挖掘這類(lèi)材料的潛力，是下一代航空主軸承硬化熱處理的最優(yōu)方案。

3 鈦合金離子滲氮技術(shù)

圖3 復(fù)合熱處理與單一滲碳、滲氮滲層硬度梯度曲線Fig.3 Hardness distribution of combined hardenging heat treatment, carburizing and nitriding

圖4 復(fù)合熱處理與單一滲碳接觸疲勞壽命曲線Fig.4 Contact fatigue life of combined hardenging heat treatment and carburizing

圖5 M50NiL鋼復(fù)合硬化熱處理滲層金相組織Fig.5 Microstructure of M50NiL steel after combined hardenging heat treatment

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫強(qiáng)度高以及較好的蠕變抗力和抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為滿足系統(tǒng)減重需要，鈦合金正在取代其他材料，同時(shí)鈦基復(fù)合材料和TiAl金屬間化合物等先進(jìn)鈦合金材料及相關(guān)構(gòu)件的研制也正在開(kāi)展。但是鈦合金缺點(diǎn)和其優(yōu)點(diǎn)一樣明顯，由于鈦合金硬度低、摩擦系數(shù)高、耐磨性差、黏著磨損嚴(yán)重及對(duì)磨動(dòng)損傷敏感，因此限制了其在作為轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件或存在微動(dòng)磨損行為構(gòu)件中的使用，鈦合金軸、葉片等關(guān)重構(gòu)件的應(yīng)用必須解決其磨損性能不足的問(wèn)題。

鈦合金耐磨性問(wèn)題有多種解決方案，包括熱噴涂、電鍍、微弧氧化、離子注入、無(wú)氫滲碳、滲氮等，這些方法各有優(yōu)勢(shì)，都可以提高鈦合金的耐磨性能[10-15]。其中鈦合金滲氮技術(shù)主要包括離子滲氮、氣體滲氮和激光滲氮，離子滲氮技術(shù)特點(diǎn)是具有表面離子轟擊效應(yīng)，活性高、滲速快，更容易達(dá)到較深的滲層，處理后的滲層組織與基體不存在結(jié)合力的問(wèn)題，且表面狀態(tài)完整，無(wú)后續(xù)加工及表面缺陷問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于內(nèi)腔耐磨需求的構(gòu)件有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)點(diǎn)使得鈦合金離子滲氮技術(shù)有望成為發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金制造中的優(yōu)選工藝。

鈦合金離子滲氮工藝的溫度在800～900℃之間，采用的氣體一般為氨氣、氮?dú)猓婵斩仍?00～400Pa之間。典型的鈦合金滲氮層組織見(jiàn)圖6，其硬度的提升主要來(lái)源于表面化合物層中的TiN和Ti2N。在900℃下不同時(shí)間滲氮（10～50h），表面硬度可達(dá)1250HV以上，滲層深度可達(dá)80～150μm，其中化合物層厚度從6μm逐漸增加到接近20μm，滲氮層深度及化合物層厚度均隨滲氮時(shí)間逐步增加。

對(duì)鈦合金基材及滲氮樣品的摩擦磨損痕跡進(jìn)行形貌測(cè)量分析，分別獲得了其磨痕的三維模擬視圖（圖7）及截面磨痕深度和寬度數(shù)據(jù)[16]。結(jié)果表明，滲氮后的耐磨性能比基材提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，鈦合金離子滲氮工藝改善耐磨性能效果顯著。

圖6 典型的鈦合金滲氮層組織金相圖片F(xiàn)ig.6 Typical microstructure of TC4 alloy after plasma nitriding

我國(guó)開(kāi)展鈦合金離子滲氮技術(shù)比較早，但由于該技術(shù)本身的特殊性和復(fù)雜性，一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段，工程應(yīng)用技術(shù)研究數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏。目前該技術(shù)的工程化應(yīng)用研究集中在兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上：一是滲氮溫度的控制，如何在保證有效滲層深度的基礎(chǔ)上，降低滲氮溫度，把對(duì)基體性能的影響降至最低；二是針對(duì)鈦合金構(gòu)件的變形，降低滲氮溫度、掌握變形規(guī)律的同時(shí)，還需要采用特殊的卡具設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制其變形量。目前圍繞這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)正在開(kāi)展鈦合金離子滲氮技術(shù)的全面研究。

圖7 磨痕截面數(shù)據(jù)Fig.7 Cross-section of wear trace

特種熱處理技術(shù)

特種熱處理技術(shù)是指針對(duì)制件特殊結(jié)構(gòu)要求或性能要求而發(fā)展的有別于常規(guī)熱處理的特殊熱處理技術(shù)，典型技術(shù)如渦輪盤(pán)的梯度熱處理技術(shù)和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)熱處理技術(shù)。

1 梯度熱處理技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用渦輪盤(pán)，盤(pán)心部位（輪轂）工作溫度低，但它相應(yīng)的要受到渦輪軸的扭轉(zhuǎn)作用，需要細(xì)晶組織以保證足夠的拉伸強(qiáng)度和疲勞抗力；盤(pán)緣部位（輪緣）要承受的工作溫度高（因?yàn)樗咏邷貧怏w通道），所以需要粗晶組織保證足夠的持久、蠕變和抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能，這樣就要求渦輪盤(pán)件的不同區(qū)域具有不同晶粒尺寸的顯微組織，以獲得相應(yīng)的力學(xué)性能，雙性能渦輪盤(pán)就是具有雙晶粒組織（盤(pán)心細(xì)晶組織、盤(pán)緣粗晶組織）的新一代渦輪盤(pán)[17]。

雙性能盤(pán)的制備有多種技術(shù)途徑，包括鍛造、噴射成形、擴(kuò)散連接、熱處理等方法，熱處理是粉末冶煉高溫合金制備的最后一道關(guān)鍵技術(shù)，從目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，梯度熱處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)渦輪盤(pán)雙性能的優(yōu)選工藝。

圖8 雙重組織熱處理工藝裝置示意圖Fig.8 Cross-sectional view of DMHT device

雙性能盤(pán)目前采用的梯度熱處理工藝稱為雙重組織熱處理工藝（Dual Microstructure Heat Treatment，DMHT），其裝置示意圖見(jiàn)圖 8[18-19]。A部分是儲(chǔ)熱材料，B是隔熱陶瓷材料，C部位是渦輪盤(pán)輪轂位置，D部位是渦輪盤(pán)輪緣位置。首先通過(guò)試驗(yàn)得到材料晶粒尺寸與溫度、保溫時(shí)間的關(guān)系數(shù)據(jù)，在加熱過(guò)程中通過(guò)儲(chǔ)熱材料對(duì)熱量的吸收和隔熱材料對(duì)熱量的阻擋作用，在輪轂到輪緣之間形成有效的低到高的溫度梯度場(chǎng)，同時(shí)為抵消制件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，應(yīng)嚴(yán)格控制升溫速率和保溫時(shí)間，并通過(guò)不同部位的溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)控制，保證輪轂和輪緣之間的溫度差在相應(yīng)的保溫時(shí)間內(nèi)可控，使輪緣部位的組織晶粒長(zhǎng)大，在同一制件上形成雙晶粒組織。

目前，采用該種方法結(jié)合溫度場(chǎng)模擬技術(shù)成功地制備了具備雙組織的渦輪盤(pán)制件[17]，證實(shí)了該工藝的先進(jìn)性和實(shí)用性。

在解決渦輪盤(pán)雙組織加熱問(wèn)題之后，為了使盤(pán)件固溶后不產(chǎn)生過(guò)大的淬火相變組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，避免盤(pán)件在淬火時(shí)產(chǎn)生淬裂或變形，并在允許時(shí)間內(nèi)完成淬火處理成為新的研究重點(diǎn)。美國(guó)Ladish公司發(fā)明了一種自動(dòng)超冷卻設(shè)備，通過(guò)復(fù)雜的氣管、擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由程序自動(dòng)控制氣體的壓力、流速、流向、溫度等參數(shù)，可以對(duì)渦輪盤(pán)不同部位進(jìn)行精確的冷卻，并輔以冷卻溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模擬分析，很好地解決了這一問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證取得了滿意效果。國(guó)內(nèi)目前正在開(kāi)展相關(guān)的研究，該技術(shù)為保證大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的粉末高溫合金渦輪盤(pán)件熱處理淬火完整性，控制盤(pán)件淬火殘余應(yīng)力且使盤(pán)件達(dá)到足夠的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)[20-24]。

2 磁場(chǎng)熱處理技術(shù)

目前，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了多電技術(shù)，多電技術(shù)的關(guān)鍵部件是配裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)（IS/G）、集成電力裝置（IPU）以及主動(dòng)磁懸浮軸承（AMB），3者的核心材料均為結(jié)構(gòu)軟磁材料。在多電技術(shù)中，IS/G、IPU和AMB均含有轉(zhuǎn)速高達(dá)30000～60000r/min的磁性轉(zhuǎn)子部件，要求該制件具有高強(qiáng)度、耐高溫和高磁通的綜合性能。這些技術(shù)的基礎(chǔ)核心材料之一就是高強(qiáng)度、高溫Fe-Co軟磁合金。在Fe-Co軟磁合金轉(zhuǎn)子制造過(guò)程中，采用單一真空熱處理的方法矯頑力會(huì)超過(guò)240A/m，轉(zhuǎn)子的矯頑力和電機(jī)的磁滯損耗呈正向關(guān)系，過(guò)高的矯頑力會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱甚至短路，只能通過(guò)苛刻地調(diào)整熱處理溫度窗口和工藝參數(shù)，并犧牲部分磁性能，勉強(qiáng)達(dá)到其他技術(shù)指標(biāo)的要求。目前新型號(hào)發(fā)電機(jī)全部采用進(jìn)口材料，如何在保證轉(zhuǎn)子磁性能的條件下，有效地降低矯頑力成為目前的難題，電機(jī)調(diào)試依然困難重重。

表1 不同熱處理工藝下Fe-Co合金的磁性能

磁場(chǎng)熱處理技術(shù)是通過(guò)熱處理過(guò)程中，對(duì)材料或制件施加一定電磁場(chǎng)，影響材料中的電磁場(chǎng)相關(guān)組織在熱處理過(guò)程能勢(shì)，如形核、晶化、晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，使之在磁場(chǎng)方向上形成一定的織構(gòu)，實(shí)現(xiàn)磁性能的優(yōu)化。研究表明，F(xiàn)e-Co軟磁合金的磁場(chǎng)熱處理技術(shù)是十分有效的方法[25-27]，同時(shí)結(jié)合氫氣保護(hù)和處理溫度、降溫速率等參數(shù)的控制，和單一真空氣淬工藝相比，氫氣保護(hù)處理可以明顯提升材料的磁性能，施加磁場(chǎng)后效果更加顯著，在提升飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時(shí)，矯頑力明顯降低。表1是Fe-Co軟磁合金經(jīng)過(guò)不同工藝熱處理后的磁性能變化[28]。采用磁場(chǎng)熱處理技術(shù)處理的轉(zhuǎn)子已經(jīng)進(jìn)入考核階段。納米型、復(fù)合型的Fe-Co材料是今后發(fā)展的代表方向，磁場(chǎng)熱處理仍能起到關(guān)鍵作用[29]。

航空發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是多極強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合熱處理技術(shù)。多極強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合熱處理技術(shù)是在單極磁場(chǎng)復(fù)合技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)轉(zhuǎn)子的多極特征，通過(guò)在熱場(chǎng)中形成多極（4極、6極或8極等）對(duì)稱磁場(chǎng)，磁場(chǎng)高于1.0T，形成沿工作磁路的優(yōu)化結(jié)構(gòu)組織，全面提高構(gòu)件的綜合性能，對(duì)于新材料研制和工藝創(chuàng)新具有極高的價(jià)值。

未來(lái)展望

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，并結(jié)合構(gòu)件制造的需要，作者認(rèn)為未來(lái)我國(guó)先進(jìn)熱處理技術(shù)的發(fā)展方向如下：

（1）真空熱處理技術(shù)向著精密控制方向發(fā)展，真空加壓氣冷技術(shù)應(yīng)用范圍將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，雙冷速冷卻技術(shù)具有潛力；化學(xué)熱處理技術(shù)研發(fā)難度大，關(guān)鍵構(gòu)件上需求迫切，目前氣相滲鋁技術(shù)是葉片抗高溫氧化的首選技術(shù)，復(fù)合硬化熱處理技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用階段，鈦合金離子滲氮技術(shù)具有很強(qiáng)的潛力；梯度熱處理技術(shù)在雙性能渦輪盤(pán)進(jìn)入工程應(yīng)用階段，磁場(chǎng)熱處理技術(shù)由單極向多極發(fā)展，是提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁性能的必選技術(shù)。

（2）未來(lái)新一代材料的研發(fā)企盼新概念熱處理。新一代發(fā)動(dòng)機(jī)目前發(fā)展的趨勢(shì)將采用高溫性能更優(yōu)、重量更輕的新型材料，如金屬間化合物、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、高熔點(diǎn)合金、陶瓷結(jié)構(gòu)材料、樹(shù)脂基復(fù)合材料等，熱處理在很大程度上決定這些材料的相成分、相結(jié)構(gòu)及界面性能等，需要?jiǎng)?chuàng)新的熱處理技術(shù)將其提升或轉(zhuǎn)化為工程材料。

（3）構(gòu)件結(jié)構(gòu)越來(lái)越精細(xì)復(fù)雜，熱處理冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，是造成構(gòu)件畸變的根源之一，復(fù)雜構(gòu)件變形是目前發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件制造中的難題之一。亟需開(kāi)發(fā)可以實(shí)時(shí)控制冷速的冷卻方法，并且針對(duì)構(gòu)件不同部位進(jìn)行精確控制，保證其應(yīng)力水平。同時(shí)應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真及模擬技術(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和模型，計(jì)算熱處理過(guò)程中畸變、應(yīng)力狀態(tài)變化，可有效地優(yōu)化工藝參數(shù)并縮短研發(fā)周期。

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