在金屬學中，把高于金屬再結(jié)晶溫度的加工叫熱加工，熱加工可分為金屬鑄造、熱軋、鍛造、焊接和金屬熱處理等工藝。近十年來，熱加工在機械制造行業(yè)普遍得到重視，推動了產(chǎn)品質(zhì)量的改進和制造效率的提升。在現(xiàn)代航空制造業(yè)中，熱工藝水平是技術(shù)最密集、最能代表航空制造水平的高技術(shù)領(lǐng)域之一。隨著技術(shù)的進步，熱加工零件要求越來越高，加工方法和工藝設(shè)計在不斷進步，熱加工技術(shù)正經(jīng)歷著深刻的變革。

    金屬鑄造

    鑄造是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。中國約在公元前1700～前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的水平。中國商朝的重875公斤的司母戊方鼎，戰(zhàn)國時期的曾侯乙尊盤，西漢的透光鏡，都是古代鑄造的代表產(chǎn)品。

    古代鑄造青銅器

    18世紀的工業(yè)革命以后，蒸汽機、紡織機和鐵路等工業(yè)興起，鑄件進入為大工業(yè)服務(wù)的新時期，鑄造技術(shù)開始有了大的發(fā)展。進入20世紀，鑄造的發(fā)展速度很快，其重要因素之一是產(chǎn)品技術(shù)的進步，要求鑄件各種機械物理性能更好，同時仍具有良好的機械加工性能；另一個原因是機械工業(yè)本身和其他工業(yè)如化工、儀表等的發(fā)展，給鑄造業(yè)創(chuàng)造了有利的物質(zhì)條件。

    在這一時期內(nèi)開發(fā)出大量性能優(yōu)越，品種豐富的新鑄造金屬材料，如球墨鑄鐵，能焊接的可鍛鑄鐵，超低碳不銹鋼，鋁銅、鋁硅、鋁鎂合金，鈦基、鎳基合金等，并發(fā)明了對灰鑄鐵進行孕育處理的新工藝，使鑄件的適應性更為廣泛。

    現(xiàn)在鑄造技術(shù)已成為航空制造技術(shù)中關(guān)鍵技術(shù)之一，因此鑄造的技術(shù)進步對加速航空產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高新機種的性能，縮短產(chǎn)品的制造周期，大幅度減輕重量，以及減少能源消耗和成本上都具有非常重要的意義。特別是在航空發(fā)動機的制造上，鑄造技術(shù)更有其重要的意義。

    如燃氣渦輪發(fā)動機從第二次世界大戰(zhàn)以來其最大推力提高了50倍，推動比已達到10，渦輪葉片的工作溫度也提高了幾百度，而燃油消耗卻降低為原來的一半。為此，渦輪葉片從材質(zhì)到結(jié)構(gòu)都改變了，要生產(chǎn)出這些性能更好的渦輪葉片就要求鑄造技術(shù)的進步。

   
    上圖是1960年以來渦輪葉片材質(zhì)及工藝發(fā)展情況。渦輪葉片的材質(zhì)從IN100、B1900到MM200、MM247，再發(fā)展到PWA1480、PWA1484、CMSX-11。同時因凝固技術(shù)的發(fā)展和應用，生產(chǎn)渦輪葉片的工藝，則從傳統(tǒng)的普通鑄造到定向凝固鑄造，再發(fā)展到單晶鑄造葉片，另外，為了降低渦輪葉片工作溫度、葉片結(jié)構(gòu)從實心向空心發(fā)展。如果沒有鑄造技術(shù)的進步就很難生產(chǎn)出新型的渦輪葉片空氣的型芯。就難以保證發(fā)動機性能的提高，因此說鑄造技術(shù)是航空工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑄件在航空飛行器中，尤其是航空發(fā)動機中所占的比重也逐年增加。如美國GE公司制造的航空發(fā)動機1985年時鑄件只占發(fā)動機重量的18%，而到1994年已到44%。

    航空工業(yè)中使用的發(fā)動機零件、結(jié)構(gòu)件、附件有相當數(shù)量的鑄件。這些鑄件材料種類繁多，所用鑄造方法也很多。主要材料有高溫合金、不銹鋼、鈦合金和鋁合金等有色合金，以及復合材料等。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，新材料研制和使用在不斷前進，品種也在不斷增加。所使用的鑄造方法有熔模鑄造、石膏型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等。

    隨著發(fā)動機葉片的越來越復雜和精密，對于空心復雜葉片，熔模鑄造已經(jīng)成為其生產(chǎn)的獨一無二的工藝技術(shù)。另外，為了減輕飛機重量、降低油耗、減少制造和維修周期，近年來很多結(jié)構(gòu)件開始用大型復雜薄壁整體件代替組裝件，在生產(chǎn)此類鑄件上熔模鑄造業(yè)具有優(yōu)勢。因此，在航空工業(yè)中使用的眾多鑄造技術(shù)中，熔模鑄造技術(shù)是應更加被關(guān)注的鑄造技術(shù)。

    焊接技術(shù)

    焊接技術(shù)是熱加工技術(shù)的一種重要技術(shù)，是通過加熱、加壓，或兩者并用，使同性或異性兩工件產(chǎn)生原子間結(jié)合的加工工藝和聯(lián)接方式，焊接既可用于金屬，也可以用于非金屬。

    焊接技術(shù)是隨著金屬的應用而出現(xiàn)的，古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊和鍛焊。中國商朝制造的鐵刃銅鉞，就是鐵與銅的鑄焊件，其表面銅與鐵的熔合線婉蜒曲折，接合良好。古代焊接技術(shù)長期停留在鑄焊、鍛焊和釬焊的水平上，使用的熱源都是爐火，溫度低、能量不集中，無法用于大截面、長焊縫工件的焊接，只能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器。

    20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應用，同時還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質(zhì)量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。1957年美國的蓋奇發(fā)明等離子弧焊；40年代德國和法國發(fā)明的電子束焊，也在50年代得到實用和進一步發(fā)展；60年代又出現(xiàn)激光焊等離子、電子束和激光焊接方法的出現(xiàn)，標志著高能量密度熔焊的新發(fā)展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。此外在1956年，美國的瓊斯發(fā)明超聲波焊；蘇聯(lián)的丘季科夫發(fā)明摩擦焊；50年代末蘇聯(lián)又制成真空擴散焊設(shè)備。

    下面就簡單地介紹幾個熱門的焊接工藝：

    電子束焊

    電子束焊是在真空環(huán)境下利用會聚的高速電子流轟擊工件接縫，將電子動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡缓附饘偃酆系囊环N焊接方法。作為高能束流加工技術(shù)的重要組成部分，電子束焊具有能量密度高、焊接深寬比大、焊接變形小、可控精度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定和易實現(xiàn)自動控制等突出優(yōu)點。也正是這些特點，電子焊接技術(shù)在航空、航天等領(lǐng)域已得到廣泛應用。

    在航空制造業(yè)中，電子束焊接技術(shù)的應用，大大提高了飛機發(fā)動機的制造水平，使發(fā)動機中的許多減重設(shè)計及異種材料的焊接成為現(xiàn)實，同時為許多整體加工難以實現(xiàn)的零件制造提供一種加工途徑。

    攪拌摩擦焊

    攪拌摩擦焊技術(shù)是英國焊接研究所在1991年發(fā)明的新型固相連接技術(shù)。它是利用一種非耗損的攪拌頭、高速旋轉(zhuǎn)著壓入待焊界面，摩擦加熱被焊金屬界面使其產(chǎn)生熱塑性、在壓力、推力和擠壓力的綜合作用下實現(xiàn)材料擴散連接，形成致密的金屬間固相連接。它具有無飛濺，無需焊接材料，不需要保護氣體，被焊材料損傷小，焊縫熱影響區(qū)小，焊縫強度高等特點。

    美國Eolipse公司在Eolipse N500型商務(wù)飛機制造中首次大規(guī)模成功運用可FSW技術(shù)，包括飛機蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等基本上全部利用攪拌摩擦焊技術(shù)制造，70%的鉚接被焊縫替代，不僅極大地提高了十倍，生產(chǎn)成本大大降低。波音公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于C-17和C-130運輸機地板的制造，利用攪拌摩擦焊代替緊固件連接，簡化了地板設(shè)計并提高了構(gòu)件的生產(chǎn)效率。

    擴散焊

    擴散焊又稱擴散連接，是把兩個或兩個以上的固相材料緊壓在一起，置于真空或保護氣氛中加熱至母材熔點以下溫度，對其施加壓力使連接界面微觀塑性變形達到緊密接觸，再經(jīng)保溫、原子相互擴散而形成牢固結(jié)合的一種連接方法。它具有接頭質(zhì)量好，焊后無需機加工，焊件變形量小，一次可焊接多個接頭等優(yōu)點。擴散焊已在直升機上鈦合金旋翼槳轂、飛機大梁、發(fā)動機機匣以及整體渦輪等方面試用，渦輪葉片、鈦合金寬葉弦蜂窩夾層風扇葉片等的擴散焊已應用于生產(chǎn)。

    鍛造技術(shù)

    鍛造技術(shù)早在幾千年前就被人們所掌握。到了近代，隨著工業(yè)革命的進行，鍛造技術(shù)才真正有了長足的發(fā)展。1842年，內(nèi)史密斯發(fā)明了雙作用錘，1860年，哈斯韋爾發(fā)明了第一臺自由鍛水壓機。這些設(shè)備的出現(xiàn)標志著鍛壓技術(shù)成為一門具有影響力的科學的開始，之后學者又更系統(tǒng)的論述了壓力加工原理，從而有了如今的鍛造技術(shù)。

    隨著航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對航空裝備極端輕質(zhì)化與可靠化的追求越來越急迫，對材料和材料和鍛件的性能要求也越來越高。鈦合金、高溫合金等材料的應用日益廣泛，以航空工業(yè)為例，F(xiàn)-22和F-33飛機鈦合金用量已分別高達39%和27%，先進航空發(fā)動機中高溫合金和鈦合金重量占發(fā)動機總結(jié)構(gòu)重量的55%和65%。而高溫合金、鈦合金屬于難變形材料，即加工參數(shù)范圍狹窄、變形抗力大、組織性能對加工過程十分敏感。所以鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應用相比其他工業(yè)領(lǐng)域難度較大。

    精密鍛造技術(shù)

    精密鍛造是指零件鍛造成形后，只需少量加工或不再加工即符合零件尺寸精度要求的成形技術(shù)。實現(xiàn)精鍛成形的途徑主要有精化毛坯、即直接鍛造出滿足精密機加工要求的毛坯。精鍛件，整個或零件一些部分直接采用精鍛工藝加工而成，從而減少機加量。目前應用于生產(chǎn)的精密鍛造工藝很多，按成形溫度不同可以分為熱精鍛、冷精鍛、溫精鍛、復合精鍛等。

    等溫鍛造技術(shù)

    等溫鍛造技術(shù)是一種先進的近凈成型技術(shù)。它是指在整個模鍛過程中，模具和坯料的溫度保持相同或者相近的恒定值，并以較慢的變形速度完成變形的一種模鍛技術(shù)。

    目前等溫鍛造技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)的各個領(lǐng)域特別是航空工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，涉及的材料有鈦合金、高溫合金、鋁合金、鎂合金、金屬間化合物、金屬復合材料等，研制的等溫鍛件種類有盤類、軸類、葉片類以復雜結(jié)構(gòu)件等。美國、俄國在等溫鑄造技術(shù)領(lǐng)域一直處于國際領(lǐng)先。利用等溫鑄造技術(shù)，美國鋁業(yè)公司、NASA等制造了飛機水平安定面連桿、TAZ-8A高溫合金的渦輪葉片、Ti6Al4V2Sn鈦合金起落架前輪、TC4鈦合金框架加強板、隔艙及軸承支座等零件。目前有國外研究者在探索使用其他新型材料用作模具材料，如陶瓷材料、碳纖維復合材料等，這是目前等溫鑄造技術(shù)研究的一個熱點。

    粉末鍛造技術(shù)

    粉末鍛造是將傳統(tǒng)的粉末冶金和精密鍛造相結(jié)合的一種近凈成形工藝。粉末鍛造以粉末為原料，利用粉末冶金方法先制取具有一定形狀和尺寸的多孔頂成形坯，簡稱預型件，在保護氣氛下燒結(jié)和鍛前加熱結(jié)合為一個工序，然后很快轉(zhuǎn)移到閉式鍛模中一次鍛壓成型，其工藝如下圖。

    粉末鍛造工藝

    粉末鍛造技術(shù)保持了粉末冶金近凈成型的優(yōu)點，具有材料利用率高，尺寸精度高，機械加工量少等特點。燒結(jié)后的預形件一次鍛壓后的致密度可達到98%以上，內(nèi)部均勻致密，晶粒尺寸小，具有相當于傳統(tǒng)鑄件甚至超過傳統(tǒng)鑄件的力學性能。由于粉末鍛造溫度低，無氧化皮，模具表面磨損小，且鍛造單位壓力遠低于普通模鍛，與普通模鍛相比，其模具壽命可提高10-20倍以上。此外，粉末鍛造技術(shù)采用粉末作為原料，可以根據(jù)零件的實際工況和性能要求，在大范圍內(nèi)調(diào)整材料成分，以獲得最佳性價比。

    熱處理技術(shù)

    在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770至前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)，鋼鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。

    1863年，英國金相學家和地質(zhì)學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎(chǔ)。

    二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術(shù)的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個顯著的進展是1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應用轉(zhuǎn)筒爐進行氣體滲碳；30年代出現(xiàn)露點電位差計，使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術(shù)運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ；激光、電子束技術(shù)的應用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。

    在航空航天工業(yè)發(fā)展的過程中，工作人員在極力地減輕設(shè)備的重量，在此過程中，還需要確保航空工程進行的安全性。航空熱處理的特點比較明顯，其中質(zhì)量控制的全面性是比較典型的特點之一。航空熱處理的對象包括鋼鐵材料、金屬合金以及各種高溫合金等。

    近年來，熱處理技術(shù)發(fā)展很快，熱處理技術(shù)的發(fā)展與物理冶金、新材料、新科學技術(shù)的發(fā)展密切聯(lián)系，以物理冶金理論研究為先導，發(fā)展了等溫淬火、分級淬火、亞溫淬火，形變熱處理、磁場熱處理等新工藝。在鋼鐵材料廣泛應用的基礎(chǔ)上，發(fā)展應用于鋁、鎂、鈦、銅等合金和精密合金，使熱處理從Fe-C平衡范圍走出來，發(fā)展了有色金屬熱處理。

    陶瓷材料、復合材料等新型材料的發(fā)展又給熱處理提出許多課題。熱處理技術(shù)的發(fā)展充分利用了新的科學技，如在制氮技術(shù)發(fā)展基術(shù)礎(chǔ)上發(fā)展了氦基可控氣氛熱處理；在真空技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了真空熱處理和離子化熱處理；

    在激光技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展了激光熱處理及表面合金化；在計算機技術(shù)基礎(chǔ)了發(fā)展了微機控制熱處理技術(shù)等，其目的的是提高熱處理質(zhì)量和效率，節(jié)約能源，減少公害和污染，降低成本，提高經(jīng)濟技術(shù)效益。

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責任編輯：王元

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