Warum gelten für Luft- und Raumfahrtteile besonders strenge Anforderungen an die Wärmebehandlung?

1. Extreme Arbeitsbedingungen stellen die Leistungsfähigkeit von Materialien an ihre Grenzen.
Wärmebehandlungstechniken haben es schwer, die vielen konkurrierenden Leistungsanforderungen von Luft- und Raumfahrtteilen gleichzeitig zu erfüllen.
Hochtemperaturfestigkeit und Kriechfestigkeit: Turbinenschaufeln müssen bei einer hohen Temperatur von 1300 Grad stabil bleiben. Durch die Wärmebehandlung muss eine Phasenausfällung durch Festlösungs- und Alterungsbehandlung verstärkt werden. Dies kann dazu führen, dass Nickel-basierte Hochtemperaturlegierungen mehr als dreimal länger halten, bevor sie durch Kriechen brechen. Beispielsweise stieg die Hochtemperatur-Dauerfestigkeit einer bestimmten Art von Flugzeugtriebwerksschaufeln nach gezielter Erstarrung und Wärmebehandlung von 400 MPa auf 650 MPa.
Um die Streckgrenze von 150 MPa auf 350 MPa zu erhöhen und gleichzeitig die Dichte bei nur einem -Drittel der von Stahl zu halten, müssen Rumpfstrukturteile aus Aluminiumlegierung einer T6-Wärmebehandlung (Mischkristall plus künstliche Alterung) unterzogen werden. . 7075 Aluminiumlegierung hat nach der Wärmebehandlung eine spezifische Festigkeit von 200 MPa/(g/cm³). Aus diesem Grund ist es die am häufigsten in der Luftfahrtindustrie verwendete Aluminiumlegierung.
Das Fahrwerk muss in der Lage sein, 10 ⁷ Lastzyklen zu bewältigen, und der Wärmebehandlungsprozess muss durch isothermes Bainit-Abschrecken eine Zweiphasenstruktur aus niedrigerem Bainit und Martensit erzeugen. Dadurch erhöht sich die Ermüdungsgrenze von 40CrNi2MoA-Stahl von 450 MPa auf 650 MPa. Nach dem Erhitzen sank die Bruchausbreitungsrate eines bestimmten Flugzeugfahrwerkstyps unter simulierten Betriebsbedingungen um 60 %.
2. Bei komplizierten Strukturen ist die Prozesskontrolle besonders schwieriger.
Die komplizierten geometrischen Eigenschaften von Luft- und Raumfahrtkomponenten stellen ein erhebliches Hindernis für die Konsistenz der Wärmebehandlung dar:
Kontrolle der Verformung dünnwandiger Strukturen: Dünnwandige Teile (mit Wandstärken von 0,5 bis 2 mm) in Motorbrennkammern neigen dazu, sich beim Abschrecken zu verziehen, da sie unterschiedlich schnell abkühlen. Die Vakuum-Hochdruck-Gasabschrecktechnologie regelt sorgfältig den Stickstoffdruck (2–6 bar), um zu verhindern, dass sich dünnwandige Teile zu stark verbiegen (von 0,3 % bis 0,05 %), was für eine Präzisionsmontage erforderlich ist.
Die Turbinenscheibe eines bestimmten Flugzeugtyps hat einen Durchmesser von 800 mm und eine Dicke von 200 mm. Das bedeutet, dass die Erwärmung in allen Bereichen gleichmäßig ist. Beim Erhitzen mit einem typischen Luftofen kann der Temperaturunterschied zwischen Kern und Oberfläche bis zu 150 Grad Celsius betragen. Die Temperaturgleichmäßigkeit wird nach der Umstellung auf einen Mehrzonen-Vakuumofen mit intelligenter Temperaturregelung innerhalb von ± 5 Grad gehalten. Dadurch soll ein vorzeitiges Scheitern durch ungleichmäßige Organisation verhindert werden.
Die Strömungskanäle im Innenhohlraum sind schwer zu bearbeiten: Der Kühlströmungskanal im Innenhohlraum der gesamten Schaufelscheibe ist nur 2–3 mm breit, daher ist es schwierig, bei normaler Wärmebehandlung eine gleichmäßige Organisation zu erreichen. Mithilfe von Induktionserwärmungs- und Sprühabschrecktechniken wurde der Härteunterschied zwischen der Oberfläche des Strömungskanals und dem Kern von 15 HRC auf 5 HRC gesenkt. Dadurch wurde der Strömungskanal wesentlich widerstandsfähiger gegen thermische Ermüdung.
3. Qualitätsanforderungen an die Rückverfolgbarkeit müssen während des gesamten Lebenszyklus eingehalten werden.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat ein vollständig geschlossenes -Kreislaufsystem zur Überprüfung der Qualität der Wärmebehandlung eingerichtet:
Unterstützung von Prozessdatenbanken: Ein Luftfahrtunternehmen hat eine Datenbank für Wärmebehandlungsprozesse erstellt, die mehr als 2000 Materialarten umfasst. Jeder Prozess muss die richtigen Parameter aufrufen. Die Beta-Phasenübergangstemperatur der TC4-Titanlegierung beträgt 980 ± 5 Grad. Die Datenbank hält die Temperatur der festen Lösung genau zwischen 975 und 985 Grad, um ein Überbrennen oder eine Vergröberung der Mikrostruktur zu verhindern.
Vollständige Rückverfolgbarkeit der Prozessaufzeichnungen: Mehr als 30 Dinge müssen während des Wärmebehandlungsprozesses aufgezeichnet und mindestens 15 Jahre lang aufbewahrt werden. Dazu gehören die Heizkurve, die Abkühlrate und der Vakuumgrad. Nach fünf Jahren im Einsatz begann eine bestimmte Art von Raketentriebwerksdüse zu brechen. Bei der Betrachtung der Wärmebehandlungsaufzeichnungen wurde festgestellt, dass die Konzentrationsabweichung des Abschreckmediums 0,5 % betrug. Es stellte sich schließlich heraus, dass dies die Hauptursache für den Riss war.
Zerstörungsfreie Prüfung ist ein Muss: Alle wichtigen Teile müssen zu 100 % mit Ultraschallwellen geprüft werden, mit einer Empfindlichkeit von bis zu 0,2 mm für Löcher mit flachem Boden. Nach dem Erhitzen wurde bei einem Phased-Array-Ultraschalltest ein Mikroriss von 0,1 mm an der Korngrenze eines bestimmten Luftfahrtlagers festgestellt. Die Nacharbeiten wurden rechtzeitig durchgeführt, um schwere Unfälle zu verhindern.
4. Branchenspezifische Anforderungen motivieren die ständige Verbesserung der Technologie.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie drängt auf die Weiterentwicklung der Wärmebehandlungstechnologien in Richtung „drei Hochs und ein Tief“:
Hochvakuumumgebung: Titanlegierung reagiert bei Temperaturen über 600 Grad leicht mit Sauerstoff. Durch Vakuumwärmebehandlung kann der Sauerstoffgehalt unter 10 ppm gehalten werden, wodurch die Titanlegierung TC11 um 25 % widerstandsfähiger gegen Ermüdung wird. Die Vakuumwärmebehandlung hat die Lebensdauer einer bestimmten Art von Satellitenhalterung im Orbit von 5 auf 8 Jahre erhöht.
Sehr präzise Temperaturkontrolle: Um eine spezielle Art von Einkristallschaufel für Flugzeugtriebwerke wärmezubehandeln, muss die Temperatur innerhalb von ± 1,5 Grad bleiben. Eine Infrarot-Temperaturüberwachung und ein geschlossenes Regelkreissystem werden verwendet, um die Standardabweichung des anfänglichen Alpha-Phasengehalts der Klinge von 3 % auf 0,5 % zu senken. Dadurch wird die Hochtemperaturleistung des Blades deutlich stabiler.
Hochenergiestrahlbearbeitung: Die Laser-Oberflächenverstärkungstechnologie kann eine gehärtete Schicht von bis zu 0,5 mm Tiefe auf dem Teil erzeugen. Dies erhöht die Kontaktermüdungslebensdauer einer bestimmten Art von Hubschrauberausrüstung vom 10⁷-fachen auf das 10⁸fache und macht sie um 15 % leichter.
Bei der Wärmebehandlung in der Luftfahrt wurde vollständig auf cyanidhaltige Abschreckmedien verzichtet und auf eine wässrige Lösung von Polyvinylalkohol (PVA) umgestellt. Dadurch wurde der CSB-Wert des Abwassers von 5000 mg/L auf 200 mg/L gesenkt, was den Umweltvorschriften entspricht.