Havacılık ve uzay parçalarının ısıl işlem için neden özellikle katı gereksinimleri var?

1. Aşırı çalışma koşulları, malzemelerin ne kadar iyi çalıştığının sınırlarını zorlar.
Isıl işlem teknikleri, havacılık ve uzay parçalarının birbiriyle yarışan birçok performans ihtiyacını aynı anda karşılamakta zorlanıyor.
Yüksek sıcaklık mukavemeti ve sürünme direnci: Türbin kanatlarının 1300 derecelik yüksek sıcaklıkta güçlü kalması gerekir. Isıl işlemin, katı çözelti ve yaşlandırma işlemi yoluyla 'faz çökeltme güçlendirmesi' oluşturması gerekir. Bu, nikel-bazlı yüksek-sıcaklık alaşımlarının sürünme nedeniyle kırılmadan önce üç kat daha uzun süre dayanmasını sağlayabilir. Örneğin, belirli bir türdeki uçak motoru kanadının yüksek-sıcaklık dayanıklılık mukavemeti, yönlendirilmiş katılaştırma ve ısıl işlem sonrasında 400MPa'dan 650MPa'ya çıktı.
Yoğunluğu çeliğin yalnızca -üçte biri düzeyinde tutarken akma mukavemetini 150MPa'dan 350MPa'ya çıkarmak için, alüminyum alaşımlı gövde yapısal parçalarının T6 ısıl işleminden geçmesi gerekir (katı çözelti artı yapay yaşlandırma). 7075 alüminyum alaşımının ısıl işlemden sonra 200MPa/(g/cm³) özgül gücü vardır. Bu nedenle havacılık endüstrisinde en yaygın kullanılan alüminyum alaşımıdır.
İniş takımının 10⁷ döngülük yükü kaldırabilmesi gerekir ve ısıl işlem prosesinin, beynit izotermal söndürme yoluyla daha düşük bir beynit+martensit çift fazlı yapı oluşturması gerekir. Bu, 40CrNi2MoA çeliğinin yorulma sınırını 450MPa'dan 650MPa'ya yükseltir. Belirli bir uçak iniş takımı tipinin ısıtıldıktan sonra kırılma yayılma oranı, simüle edilmiş hizmet koşulları altına alındığında %60 oranında azaldı.
2. Proses kontrolü özellikle karmaşık yapılarda daha zordur.
Havacılık bileşenlerinin karmaşık geometrik özellikleri, ısıl işlemin tutarlılığına önemli bir engel teşkil etmektedir:
İnce-cidarlı yapıların deformasyonunun kontrol edilmesi: Motorun yanma odalarındaki ince-cidarlı parçalar (duvar kalınlığı 0,5 ila 2 mm) farklı hızlarda soğuduklarından söndürme sırasında bükülme eğilimi gösterirler. Vakumlu yüksek-basınçlı gaz söndürme teknolojisi, ince duvarlı parçaların %0,3 ile %0,05 arasında çok fazla bükülmesini önlemek için nitrojen basıncını (2–6 bar) dikkatli bir şekilde yönetir; bu, hassas montaj için gerekli olan değerdir.
Belirli bir havacılık motorunun türbin diskinin çapı 800 mm ve kalınlığı 200 mm'dir. Bu, ısıtmanın tüm alanlarda eşit olduğu anlamına gelir. Tipik bir havalı fırınla ​​ısıtma sırasında çekirdek ile yüzey arasındaki sıcaklık farkı 150 santigrat dereceye kadar çıkabilir. Çok-bölgeli akıllı sıcaklık kontrollü vakum fırınına geçildikten sonra sıcaklık bütünlüğü ± 5 derece içinde tutulur. Bu, düzensiz organizasyonun neden olduğu erken başarısızlığı durdurmak içindir.
İç boşluktaki akış kanallarını işlemek zordur: Tüm bıçak diskinin iç boşluk soğutma akış kanalı yalnızca 2–3 mm genişliğindedir, bu nedenle normal ısıl işlemle tekdüze bir organizasyon elde etmek zordur. İndüksiyonla ısıtma ve püskürtmeli söndürme teknikleri kullanılarak akış kanalının yüzeyi ile çekirdek arasındaki sertlik farkı 15HRC'den 5HRC'ye düşürüldü. Bu, akış kanalını termal yorulmaya karşı çok daha dayanıklı hale getirdi.
3. Kalite izlenebilirlik gerekliliklerine tüm yaşam döngüsü boyunca uyulmalıdır.
Havacılık ve uzay endüstrisi, ısıl işlemin kalitesini kontrol etmek için tam bir kapalı-döngü sistemi kurmuştur:
Proses veritabanı desteği: Bir havacılık imalat şirketi, 2000'den fazla malzeme çeşidini içeren bir ısıl işlem prosesi veritabanı oluşturmuştur. Her sürecin doğru parametreleri çağırması gerekir. TC4 titanyum alaşımının beta faz geçiş sıcaklığı 980±5 derecedir. Veritabanı, aşırı yanmayı veya mikro yapı kabalaşmasını önlemek için katı çözelti sıcaklığını 975 ila 985 derece arasında doğru bir şekilde korur.
Tam süreç kayıt izlenebilirliği: Isıl işlem sürecinde 30'dan fazla şeyin kaydedilmesi ve en az 15 yıl süreyle saklanması gerekir. Bunlar ısıtma eğrisini, soğutma hızını ve vakum derecesini içerir. Beş yıllık kullanımın ardından belirli bir tip roket motoru nozulu kırılmaya başladı. Isıl işlem kayıtlarına bakıldığında su verme ortamının konsantrasyon sapmasının %0,5 olduğu tespit edilmiştir. Sonunda çatlağın ana nedeninin bu olduğu anlaşıldı.
Tahribatsız-muayene şarttır: Tüm önemli parçalar, düz tabanlı delikler için 0,2 mm'ye kadar hassasiyetle %100 ultrasonik dalgalarla test edilmelidir. Isıtıldıktan sonra, aşamalı dizili ultrasonik test, belirli bir havacılık rulmanının tane sınırında 0,1 mm'lik bir mikro çatlak tespit etti. Ciddi kazaların önlenmesi için yeniden çalışmalar zamanında yapıldı.
4. Sektöre-özel ihtiyaçlar teknolojinin sürekli iyileştirilmesini motive eder.
Havacılık ve uzay endüstrisi, ısıl işlem teknolojilerinin "üç yüksek ve bir düşük" yönünde ilerlemesi için baskı yapıyor:
Yüksek vakum ortamı: Titanyum alaşımı 600 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda oksijenle kolayca reaksiyona girer. Vakumlu ısıl işlem, oksijen seviyesini 10 ppm'nin altında tutabilir, bu da TC11 titanyum alaşımını yorulmaya karşı %25 daha güçlü kılar. Vakumlu ısıl işlem, belirli bir tür uydu braketinin yörüngedeki çalışma ömrünü 5 yıldan 8 yıla çıkardı.
Çok hassas sıcaklık kontrolü: Özel tip bir havacılık motoru tek kristal bıçağının ısıl işlemi için sıcaklığın ± 1,5 derece içinde kalması gerekir. Blade'in başlangıç ​​alfa fazı içeriğinin standart sapmasını %3'ten %0,5'e düşürmek için kızılötesi sıcaklık izleme ve kapalı-döngü yönetim sistemi kullanılır. Bu, bıçağın yüksek-sıcaklık performansını çok daha kararlı hale getirir.
Yüksek enerjili ışın işleme: Lazer yüzey güçlendirme teknolojisi, parça üzerinde 0,5 mm derinliğe kadar sertleştirilmiş bir katman oluşturabilir. Bu, belirli bir tür helikopter dişlisinin temas yorulması ömrünü 10 ⁷ kattan 10 ⁸ kata çıkarır ve onu %15 daha hafif hale getirir.
Havacılıkta ısıl işlem, siyanür içeren söndürme ortamlarından tamamen kurtulmuş ve sulu bir polivinil alkol (PVA) çözeltisine geçmiştir. Bu sayede atık suyun KOİ değeri çevre kurallarına uygun olarak 5000mg/L'den 200mg/L'ye düşürülmüştür.