Perché le parti aerospaziali hanno requisiti particolarmente severi per il trattamento termico?

1. Circostanze lavorative estreme mettono alla prova i limiti del funzionamento dei materiali.
Le tecniche di trattamento termico hanno difficoltà a soddisfare contemporaneamente le numerose esigenze prestazionali concorrenti delle parti aerospaziali.
Resistenza alle alte temperature e resistenza allo scorrimento: le pale delle turbine devono rimanere resistenti a temperature elevate di 1300 gradi. Il trattamento termico deve formare una fase di rafforzamento della precipitazione attraverso la soluzione solida e il trattamento di invecchiamento. Ciò può far sì che le leghe ad alta temperatura-a base di nichel- durino più di tre volte di più prima di rompersi a causa dello scorrimento viscoso. Ad esempio, la resistenza alle alte-temperature di un certo tipo di pala di motore aeronautico è passata da 400 MPa a 650 MPa dopo solidificazione diretta e trattamento termico.
Per aumentare la resistenza allo snervamento da 150 MPa a 350 MPa mantenendo la densità solo a un-terzo di quella dell'acciaio, le parti strutturali della fusoliera in lega di alluminio devono passare attraverso un trattamento termico T6 (soluzione solida più invecchiamento artificiale).. 7075 La lega di alluminio ha una resistenza specifica di 200 MPa/(g/cm ³) dopo il trattamento termico. Questo è il motivo per cui è la lega di alluminio più comunemente utilizzata nell'industria aeronautica.
Il carrello di atterraggio deve essere in grado di gestire 10 ⁷ cicli di carico e il processo di trattamento termico deve creare una struttura a doppia fase bainite+martensite inferiore attraverso l'estinzione isotermica della bainite. Ciò aumenta il limite di fatica dell'acciaio 40CrNi2MoA da 450 MPa a 650 MPa. Dopo essere stato riscaldato, il tasso di propagazione della frattura di un certo tipo di carrello di atterraggio di un aereo è diminuito del 60% se messo in condizioni di servizio simulate.
2. Il controllo del processo è particolarmente difficile con strutture complicate.
Le complesse caratteristiche geometriche dei componenti aerospaziali rappresentano un ostacolo significativo alla coerenza del trattamento termico:
Controllo della deformazione di strutture a pareti sottili-: le parti a pareti sottili-(con spessori da 0,5 a 2 mm) nelle camere di combustione del motore tendono a deformarsi durante l'estinzione perché si raffreddano a velocità diverse. La tecnologia di raffreddamento del gas sottovuoto ad alta{5}pressione gestisce attentamente la pressione dell'azoto (2–6 bar) per evitare che le parti con pareti sottili-si pieghino eccessivamente, dallo 0,3% allo 0,05%, che è ciò che è necessario per l'assemblaggio di precisione.
Il disco della turbina di un certo tipo di motore aeronautico ha un diametro di 800 mm e uno spessore di 200 mm. Ciò significa che il riscaldamento è uniforme in tutte le aree. Durante il riscaldamento con un tipico forno ad aria, la differenza di temperatura tra il nucleo e la superficie potrebbe arrivare fino a 150 gradi Celsius. L'uniformità della temperatura viene mantenuta entro ± 5 gradi dopo il passaggio a un forno a vuoto con controllo intelligente della temperatura multi-zona. Questo per fermare i fallimenti precoci causati da un'organizzazione irregolare.
Difficile da elaborare i canali di flusso nella cavità interna: il canale di flusso di raffreddamento della cavità interna dell'intero disco a lame è largo solo 2–3 mm, quindi è difficile ottenere un'organizzazione uniforme con un normale trattamento termico. Utilizzando tecniche di riscaldamento a induzione e raffreddamento a spruzzo, la differenza di durezza tra la superficie e il nucleo del canale di flusso è stata ridotta da 15 HRC a 5 HRC. Ciò ha reso il canale di flusso molto più resistente alla fatica termica.
3. I requisiti di tracciabilità della qualità devono essere rispettati durante l'intero ciclo di vita.
L'industria aerospaziale ha creato un sistema completo-a circuito chiuso per verificare la qualità del trattamento termico:
Supporto del database dei processi: un'azienda manifatturiera aeronautica ha creato un database dei processi di trattamento termico che comprende più di 2000 varietà di materiali. Ogni processo deve chiamare i parametri giusti. La temperatura di transizione della fase beta della lega di titanio TC4 è 980 ± 5 gradi. Il database mantiene accuratamente la temperatura della soluzione solida tra 975 e 985 gradi per evitare bruciature eccessive o ingrossamento della microstruttura.
Tracciabilità completa dei registri del processo: più di 30 elementi devono essere registrati e conservati per almeno 15 anni durante il processo di trattamento termico. Questi includono la curva di riscaldamento, la velocità di raffreddamento e il grado di vuoto. Dopo cinque anni di utilizzo, un certo tipo di ugello del motore a razzo ha iniziato a rompersi. Osservando i registri del trattamento termico, si è riscontrato che la deviazione della concentrazione del mezzo di raffreddamento era dello 0,5%. Alla fine si scoprì che questa era la causa principale del crack.
I test non-distruttivi sono obbligatori: tutte le parti importanti devono essere testate con onde ultrasoniche il 100% delle volte, con una sensibilità fino a 0,2 mm per i fori a fondo piatto-. Dopo essere stato riscaldato, un test a ultrasuoni con array di fasi ha rilevato una microcricca di 0,1 mm sul bordo della grana di uno specifico cuscinetto aeronautico. La rilavorazione è stata eseguita in tempo per prevenire gravi incidenti.
4. Le esigenze specifiche del settore-motivano il costante miglioramento della tecnologia.
L’industria aerospaziale sta spingendo per l’avanzamento delle tecnologie di trattamento termico nella direzione dei “tre massimi e uno basso”:
Ambiente ad alto vuoto: la lega di titanio reagisce facilmente con l'ossigeno a temperature superiori a 600 gradi. Il trattamento termico sotto vuoto può mantenere il livello di ossigeno al di sotto di 10 ppm, il che rende la lega di titanio TC11 più resistente del 25% contro la fatica. Il trattamento termico sotto vuoto ha aumentato la vita operativa di un certo tipo di supporto satellitare in orbita da 5 a 8 anni.
Controllo della temperatura molto preciso: per trattare termicamente un tipo speciale di pala monocristallo di un motore aeronautico, la temperatura deve rimanere entro ± 1,5 gradi. Vengono utilizzati un sistema di monitoraggio della temperatura a infrarossi e un sistema di gestione a circuito chiuso-per ridurre la deviazione standard del contenuto della fase alfa iniziale del blade dal 3% allo 0,5%. Ciò rende le prestazioni del blade ad alta-temperatura molto più stabili.
Elaborazione con raggio ad alta energia: la tecnologia di rafforzamento della superficie laser può creare uno strato indurito fino a 0,5 mm di profondità sulla parte. Ciò aumenta la durata a fatica da contatto di un certo tipo di equipaggiamento per elicotteri da 10 ⁷ volte a 10 ⁸ volte e lo rende più leggero del 15%.
Il trattamento termico aeronautico ha completamente eliminato i mezzi di raffreddamento contenenti cianuro e è passato a una soluzione acquosa di alcol polivinilico (PVA). Ciò ha abbassato il valore COD delle acque reflue da 5.000 mg/l a 200 mg/l, in linea con le norme ambientali.