¿Por qué las piezas aeroespaciales tienen requisitos particularmente estrictos de tratamiento térmico?

1. Las circunstancias laborales extremas ponen a prueba los límites del buen funcionamiento de los materiales.
Las técnicas de tratamiento térmico tienen dificultades para satisfacer al mismo tiempo las numerosas necesidades de rendimiento de las piezas aeroespaciales.
Resistencia a altas temperaturas y resistencia a la fluencia: las palas de las turbinas deben mantenerse fuertes a una temperatura alta de 1300 grados. El tratamiento térmico necesita formar una fase de fortalecimiento de la precipitación mediante una solución sólida y un tratamiento de envejecimiento. Esto puede hacer que las aleaciones de alta temperatura-a base de níquel-duren más de tres veces más antes de romperse debido a la fluencia. Por ejemplo, la resistencia a altas temperaturas-de cierto tipo de pala de motor de avión pasó de 400 MPa a 650 MPa después de un tratamiento térmico y de solidificación dirigida.
Para aumentar el límite elástico de 150 MPa a 350 MPa y al mismo tiempo mantener la densidad en solo un-tercio de la del acero, las piezas estructurales del fuselaje de aleación de aluminio deben pasar por un tratamiento térmico T6 (solución sólida más envejecimiento artificial).. 7075 La aleación de aluminio tiene una resistencia específica de 200 MPa/(g/cm ³) después del tratamiento térmico. Por eso es la aleación de aluminio más común utilizada en la industria de la aviación.
El tren de aterrizaje debe poder soportar 10 ⁷ ciclos de carga, y el proceso de tratamiento térmico debe crear una estructura de fase dual inferior de bainita + martensita mediante enfriamiento isotérmico de bainita. Esto eleva el límite de fatiga del acero 40CrNi2MoA de 450MPa a 650MPa. Después de calentarse, la tasa de propagación de fracturas de cierto tipo de tren de aterrizaje de avión se redujo en un 60% cuando se puso en condiciones de servicio simuladas.
2. El control de procesos es particularmente difícil con estructuras complicadas.
Las intrincadas características geométricas de los componentes aeroespaciales presentan un obstáculo importante para la coherencia del tratamiento térmico:
Controlar la deformación de estructuras de paredes delgadas-: las piezas de paredes delgadas- (con espesores de pared de 0,5 a 2 mm) en las cámaras de combustión de los motores tienden a deformarse durante el enfriamiento porque se enfrían a diferentes velocidades. La tecnología de enfriamiento con gas al vacío-a alta presión gestiona cuidadosamente la presión del nitrógeno (de 2 a 6 bares) para evitar que las piezas de paredes delgadas-se doblen demasiado, del 0,3% al 0,05%, que es lo que se necesita para un ensamblaje de precisión.
El disco de turbina de cierto tipo de motor de aviación tiene un diámetro de 800 mm y un espesor de 200 mm. Esto significa que la calefacción es uniforme en todas las zonas. Cuando se calienta con un horno de aire típico, la diferencia de temperatura entre el núcleo y la superficie puede ser de hasta 150 grados Celsius. La uniformidad de la temperatura se mantiene dentro de ± 5 grados después de cambiar a un horno de vacío con control de temperatura inteligente multi-zona. Esto es para detener el fracaso temprano causado por una organización desigual.
Es difícil procesar los canales de flujo en la cavidad interior: el canal de flujo de enfriamiento de la cavidad interna de todo el disco de la cuchilla tiene solo 2 a 3 mm de ancho, por lo que es difícil lograr una organización uniforme con un tratamiento térmico normal. Utilizando técnicas de calentamiento por inducción y enfriamiento por pulverización, la diferencia de dureza entre la superficie del canal de flujo y el núcleo se redujo de 15 HRC a 5 HRC. Esto hizo que el canal de flujo fuera mucho más resistente a la fatiga térmica.
3. Se deben seguir los requisitos de trazabilidad de la calidad durante todo el ciclo de vida.
La industria aeroespacial ha establecido un sistema de circuito cerrado-completamente cerrado para comprobar la calidad del tratamiento térmico:
Soporte de base de datos de procesos: una empresa de fabricación de aviación ha creado una base de datos de procesos de tratamiento térmico que comprende más de 2000 variedades de materiales. Cada proceso tiene que llamar a los parámetros correctos. La temperatura de transición de fase beta de la aleación de titanio TC4 es de 980 ± 5 grados. La base de datos mantiene con precisión la temperatura de la solución sólida entre 975 y 985 grados para evitar que se queme demasiado o se engrose la microestructura.
Trazabilidad completa de los registros del proceso: Es necesario registrar y conservar más de 30 cosas durante al menos 15 años durante el proceso de tratamiento térmico. Estos incluyen la curva de calentamiento, la velocidad de enfriamiento y el grado de vacío. Después de cinco años de uso, cierto tipo de boquilla de motor de cohete comenzó a romperse. Al observar los registros del tratamiento térmico, se encontró que la desviación de la concentración del medio de enfriamiento era del 0,5%. Finalmente se descubrió que esta era la causa principal de la grieta.
Las pruebas no-destructivas son imprescindibles: todas las piezas importantes deben probarse con ondas ultrasónicas el 100 % del tiempo, con una sensibilidad de hasta 0,2 mm para orificios de fondo-plano. Después de calentarlo, una prueba ultrasónica de matriz en fase detectó una microfisura de 0,1 mm en el límite de grano de un rodamiento de aviación específico. Los retrabajos se realizaron a tiempo para evitar accidentes graves.
4. Las necesidades específicas-de la industria motivan la mejora constante de la tecnología.
La industria aeroespacial está presionando para que las tecnologías de tratamiento térmico avancen en la dirección de "tres máximos y uno mínimo":
Entorno de alto vacío: la aleación de titanio reacciona fácilmente con el oxígeno a temperaturas superiores a 600 grados. El tratamiento térmico al vacío puede mantener el nivel de oxígeno por debajo de 10 ppm, lo que hace que la aleación de titanio TC11 sea un 25 % más resistente a la fatiga. El tratamiento térmico al vacío ha aumentado la vida operativa de cierto tipo de soporte de satélite en órbita de 5 a 8 años.
Control de temperatura muy preciso: para tratar térmicamente un tipo especial de pala monocristalina de motor de aviación, la temperatura debe permanecer dentro de ± 1,5 grados. Se utiliza un sistema de control de temperatura por infrarrojos y un sistema de gestión de circuito cerrado- para reducir la desviación estándar del contenido de fase alfa inicial de la pala del 3 % al 0,5 %. Esto hace que el rendimiento de la hoja a altas-temperaturas sea mucho más estable.
Procesamiento de haz de alta energía: la tecnología de fortalecimiento de superficies con láser puede crear una capa endurecida de hasta 0,5 mm de profundidad en la pieza. Esto aumenta la vida útil de la fatiga por contacto de cierto tipo de equipo de helicóptero de 10 ⁷ veces a 10 ⁸ veces y lo hace un 15% más liviano.
El tratamiento térmico de aviación eliminó por completo los medios de enfriamiento que contienen cianuro y se cambió a una solución acuosa de alcohol polivinílico (PVA). Esto ha reducido el valor de DQO de las aguas residuales de 5.000 mg/l a 200 mg/l, lo que está en consonancia con las normas medioambientales.