于智敏1 陈晓旭2
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摘要：热处理是在一定介质中加热、保温、冷却的工艺手段或过程；它是通过改变金属材料或零件表面和内部的结构、应力和应变来控制金属材料或零件性能的技术手段或过程。
关键词：航空厂；金属材料；热处理；质量控制；
航空厂用钢、铝合金、钛合金等金属材料的热处理具有牌号品种规格多、质量要求高、工艺类型复杂等特点，随着热处理在航空厂中的被重视程度得到提升，一些长期存在的问题也逐步得到解决。与以往的高度关注热处理结果和合格率相比，航空厂应更加注重对热处理过程参数的控制以及对现有数据潜力的挖掘。
一、铝合金热处理
1.铝合金热处理以空气循环电炉代替硝盐炉。航空工业中使用大量铝合金，传统热处理采用硝盐炉加热，存在环境污染严重、能源消耗和浪费较大的现象。空气循环电炉具有启动快、节能效果好;淬火转移时间快并可调，满足不同铝合金零件的要求;没有环境污染，可放在铝合金零件生产线上;空气循环电炉加热后固溶淬火对冷却介质无污染，有利于推广使用有机淬火介质，减少热处理畸变，提高生产效率。空气循环电炉的第一个关键技术是如何保证炉温均匀性(±3℃～±5℃)，特别是大尺寸的炉子要求，如何满足较低温度(100～150℃)的炉温均匀性要求;第二个关键技术如何保证快的淬火转移时间(5、7、10、15、20、25 s)，并且可以根据零件不同要求很方便调整和控制。
2.有机淬火介质。铝合金淬火介质通常用水或热水，但对于热处理变形较大或变形要求较严的情况，热水不能满足要求，必须选用有机淬火介质水溶液。在空气循环电炉上使用有机淬火介质水溶液代替水，减少铝合金热处理变形和钣金件校正工时50%以上。
3.电导率检测。铝合金零件的状态检查是确保零件热处理质量的重要控制手段。铝合金材料用于飞机制造以来，一直采用拉伸试验或硬度测试来检验铝合金热处理质量。由于铝合金热处理后，在一个强度(硬度)值下，可能有两个不同状态，反之在一个状态下，可能有两个不同的强度(硬度)值。因此，只用硬度或强度来控制铝合金热处理后的质量是一种落后的检测方法，不能确保质量。由于电导率检测具有方便快捷、工作效率高、基本不受被检件形状重量等条件限制、对零件无损伤等独有优势，自20世纪80年代以来，电导率检测在国内也逐渐被广泛地应用到铝合金材料/零件的热处理状态检验中。
二、钛合金热处理
由于钛异常活泼，很容易受碳、氧、氢的污染而使合金性能降低，所以钛合金热处理时应采用真空炉或氩气保护炉;如果在氧化性气氛中加热，则应严格控制和去除工件表面氧化层。需要进行真空热处理的钛合金零件也越来越多，除了通常进行的钛合金钣金件和铸件的去应力退火、钛合金紧固标准件的固溶处理和时效处理、钛合金的除氢退火均需在真空炉中进行以外，高强度钛合金钣金零件的约束时效处理也必须在真空炉中进行。真空热处理是钛合金零件制造过程中的关键工序，其最终性能在很大程度上取决于热处理过程是否正确完成。钛合金真空热处理的关键影响因素为真空工作压强、惰性气体、处理后工件的出炉温度以及固溶处理淬火允许延迟时间。
三、高温合金热处理
1.热处理设备。固溶处理的目的是消除加工硬化，恢复合金的组织和性能，决定合金组织和性能的关键因素是固溶处理温度，其次是固溶温度下的保温时间。因此，热处理设备的炉温均匀性要求对合金组织和性能的影响较大。
固溶处理时热处理设备类别不低于±10℃，应尽量采用±8℃或±5℃的设备。高温合金固溶处理一般加热温度比较高，热处理设备必须满足高温长期使用和定期测定炉温均匀性要求。时效过程中，时效硬化型高温合金经固溶处理获得固溶体和一定的晶粒尺寸后必须经时效处理以达到晶内和晶界强化相的合适数量、形态和分布，并获得所需的强度和适当的性能组合。对每种合金来说都存在一个时效析出的峰值温度，该温度范围一般还比较窄。因此，时效温度的控制对合金的组织和性能有着重要影响，国外对高温合金的时效处理、去应力处理的设备类别要求非常严格。推荐采用±5℃或±8℃加热炉，在能保证设计或工艺要求时，允许采用±10℃加热炉。
2.保护气氛要求。热处理设备的气氛可以采用空气、保护气氛、惰性气体和氮气以及真空炉。保护气氛应采用稀释的放热型保护气氛，不宜使用吸热式保护气氛，因为吸热式气氛有渗碳作用。采用惰性气体保护气氛时，炉子进口处的气氛露点均应低于－50℃。采用氮气作保护气氛时，应采用高纯氮(≥99．99%)。由于高温下氮气有增氮作用，使用氮气作保护气体时，仅允许在不高于770℃下使用。采用真空炉加热时，要充分考虑合金的合金元素饱和蒸汽压，选择真空压强时应兼顾考虑既不产生氧化、脱碳，又不产生合金元素的贫化。
四、钢的热处理
1.氮基气氛保护热处理。氮基气氛保护主体气氛是氮气，为了达到与处理工件相当的碳势，还应加入富化剂，富化剂一般选用甲醇或无水乙醇。炉内碳势一般采用氧探头和碳势控制仪控制。氮基保护气氛炉气主要成分N2、CO和H2。采用无水乙醇做富化剂时，CO含量约为5%时对应的H2含量约为6%，并与氮气流量有关。对于采用甲醇做富化剂而言，当CO含量约为5%时对应的H2含量应约为10%，这是其完全裂解时的化学反应所决定的。氮基气氛保护热处理后，脱碳层深度≤0．075 mm，满足HB 5354—1994《热处理工艺质量控制》要求。在航空热处理生产中曾发生过甲醇裂解气氛保护热处理氢脆的问题，为防止甲醇裂解气氛保护热处理氢脆，必须在热处理后增加长时间除氢处理。氮基气氛保护热处理氢脆研究结果表明，氮基气氛保护淬火时，炉气中氢含量在10%左右，对钢件不会产生增氢，淬火试样中氢含量有所下降。油淬和225℃等温淬火后未回火情况下，缓慢拉伸性能降低，延迟破坏试验的保持时间只有3 min和4 h，远低于要求200 h的合格标准，有氢脆现象;但回火后，氢脆现象消失。对于300℃等温淬火，即使未经回火也没有氢脆现象。因此对于氮基气氛保护热处理淬火后应及时回火，不必专门进行除氢处理。
2.可控渗碳。可控渗碳要求在保证炉温均匀性和温度精确控制前提下，采用碳势传感器和碳控仪进行碳势控制。在滴注式气氛和直生式气氛条件下，还需要用红外仪对CH4和CO进行控制。可控渗碳采取的控制方案主要有氧探头控制、红外仪控制、电阻探头控制等。常用的是氧探头控制，从单一参数控制逐渐发展到氧势—CO—温度三参数控制，碳势控制精度±(0．025～0．05)%C。
3.可控渗氮。提高渗氮控制精度，改善渗氮层质量和稳定性是当前化学热处理另一个重要方向。精密渗氮的基本要求是炉子密封良好，保证炉内正压，炉温均匀性±3℃～±5℃，气氛均匀达到渗氮层偏差≤0．05～0．10 mm，渗氮层组织在1～4级，波动范围2级，白亮层≤0．01 mm，氨分解率波动±(1.0%～1.5%)。一种方案是采用氢分析仪或氨分析仪控制，另一种是采用氢探头控制。
总之，航空热处理技术正处于迅速发展的时期，新技术、新工艺不断被研究和应用，技术改造全面展开，航空工业与国际合作和接轨的形势又对热处理提出更多更新的要求，我们将抓住大好时机，精心运作，通力协作，抓紧热处理新技术应用研究，借鉴国内外先进热处理技术，把航空热处理技术水平推上新台阶。
参考文献：
［1］刘生．航空热处理标准应用手册．2018．
［2］李自军，浅谈航空产品热处理的质量检验.2020.