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发展热处理和表面改性技术,提升国家核心竞争力 [
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:435

 评述了先进热处理和表面改性技术赋予材料极限性能、赋予关键构件极限服役性能的作用,国家核心技术地位,解决关键构件的“三大问题”、提高疲劳寿命几倍至百倍、提高可靠性一个至几个数量级的效果。认为发展先进热处理和表面改性技术是建设机械制造强国和材料强国的必由之路与紧迫需求。
      绪言
      高端机械装备,诸如等,是一个复杂的体系。不仅是一个机械结构体系,即等组成的整机,还是一个经济可承受性体系,即与其功能、性能统一的全寿命期成本。其中,机械结构体系用以实现装备的功能,经济可承受性体系则保证其生存力。在这合二而一复杂的体系中,长寿命和高可靠成为关键因素。
      众所周知,在我国高端机械装备中有两个“瓶颈”制约其发展和安全服役,就是发动机和变速器。无论航空发动机还是燃气轮机,都由压气机、燃烧室、涡轮等关键部件组成,其主要特征是数以千计的叶片、盘和轴承构件。直升机靠减速器把发动机的能量传递到旋翼以实现功能,风电装置依赖变速器将风能传递到发电机转化为电能,汽车的核心是发动机和变速器,机床靠变速器控制主轴运动实现加工功能。这些变速器的共同特点是由大量的传动齿轮、轴承、轴等关键构件组成。不难看出,叶片、盘、轴、齿轮、轴承等关键构件是发动机、变速器的保障,也是高端机械装备的基础。因此,发动机、变速器是高端机械装备的 “瓶颈”,莫如说关键构件是高端机械装备的 “瓶颈”。
      所谓关键构件,指的是那些决定装备的主要功能;体现装备的寿命和可靠性;失效导致灾难性后果;疲劳是主要失效模式的构件。具体涉及到三类构件,即转动构件,如叶片、盘、轴;传动构件,齿轮、轴承;主承力构件,如飞机起落架构件、接头、对接螺栓、弹簧等。这些构件的服役环境特点主要有两个,一是动,它们都在动态下服役,因而导致疲劳失效;一是极端,它们都在最高应力、最高温度等状态下服役,加剧了疲劳失效。当前,我国关键构件存在三大问题:寿命短,可靠性差,结构重。“三大问题”使关键构件成为我国高端机械装备的“瓶颈”和制约因素,成为导致我国虽然已是一个机械制造大国,但却处于国际竞争的弱势的主要原因之一。我国已是世界第二大经济体,机械制造业的规模很大,不少制造业规模已居世界第一或前列,但高端产品仍依赖进口;机械制造业的产值增长很快,但经济效益较低。与国外先进水平差距大,与国民经济和国防安全需求差距大。其根本是关键构件的“三大问题”长期不得解决。问题和落后并不可怕,可怕的是对问题和落后不认识,更为可怕的是企业不能从“引进仿制-落后-再引进仿制-再落后”的怪圈中走出来。这一落后状态必须改变,中国必须从机械制造大国走上机械制造强国。而在机械制造强国发展中,其重要目标和任务是解决 “三大问题”,实现关键构件长寿命、高可靠、结构减重,达到国际先进水平,具有核心竞争力。
      如今,关键构件遇到了前所未有的发展机遇。这一机遇来自建设机械制造强国和材料强国的战略目标。大型客机、航空发动机与燃气轮机、高档数控机床等已被列入国家重大专项,高速列车、风电装置、汽轮机、船舶、汽车等均为重点发展领域。新型材料,包括电子材料、复合材料、功能材料、结构材料和特种材料也成为国家重点发展目标。而在实现机械制造强国和材料强国战略目标时,面临有三重挑战:(1)自主产权,即自主创新能力;(2)经济可承受性,从长期以来解决“有无”模式,转变为全寿命期低成本;(3)技术,即实现关键构件的长寿命、高可靠、结构减重的先进技术。不能忘记,我国建设机械制造强国和材料强国、发展高端机械装备和先进材料是在国际大环境中进行的。这一大环境的主要特征是“两极分化”、 “梯度转移”。在过去几十年中,发达国家占据了技术先机,形成了高端、高附加值产品地位,而发展中国家只能发展低、中端的产品和技术。同时,发达国家要把已落后的、乃至淘汰了的技术和产品转移到发展中国家,以获取最后一笔利润。更何况先进技术和产品历来属于国家核心竞争力和国家级机密。从这一大环境格局应当清醒地认识到,先进技术从发达国家拿不来、买不来、合作不来。所谓卖和合作的承诺只不过是个陷阱。这一陷阱不仅最终得不到先进技术,反而扼杀了自主创新,到头来把原有的落后距离拉得更大、更远。摒弃依赖国外的思维、认识和行为后,自主创新成为建设机械制造强国和材料强国,发展高端机械装备和先进材料唯一可选的道路。但是,迎面而来的困惑是创新什么?从何处入手创新?如何实现创新?
      1  关键构件的主要失效模式是疲劳
      疲劳是在循环应力或应变作用下,构件一处或多处产生裂纹或断裂的过程和形式。其突出特点是在无明显变形下突然失效,常常是在失效后分析确定为疲劳失效,而难以有效预防。因此,疲劳是一类最危险的失效模式,严重的威胁关键构件安全服役。大量失效案例分析指出,齿轮断齿、叶片断裂、涡轮盘隼齿裂纹、螺栓断裂等大都起源于加工刀痕,刀痕不连续处的高应力集中使之成为疲劳裂纹源。据统计,普通机械的关键构件疲劳失效占总失效量的50%~90%,航空构件占80%以上。其中,构件表面萌生疲劳裂纹者又占80%以上,裂纹萌生寿命占构件总寿命的80%以上。这充分证明了疲劳是关键构件的主要失效模式。研究发现,这一特点源自于高强度构件的疲劳强度应力集中敏感特性。由此不难得出,关键构件“三大问题”的主要原因是疲劳。因此,解决“三大问题”的方向在于解决疲劳失效问题。解决疲劳失效问题的关键是热处理和表面改性技术。
      2  热处理和表面改性技术是国家核心竞争力
      热处理是采用加热-冷却方法控制相变、微观组织,赋予材料和关键构件极限性能和极限服役性能的技术。表面改性是采用应力-应变方法控制微观组织、残余应力场,赋予关键构件极限服役性能的技术。看起来方法比较简单,但它们却既是理论性很强的科学,又是实践性很强的技术。热处理的理论基础是相变,相变一直是学科的前沿问题。例如,高强度钢的强度主要来自马氏体相变,而至今尚不能给出马氏体相变的理论模型。其实践性很强说的是先进热处理工艺和表面改性工艺能够导致构件疲劳行为的巨大提高,而且随着材料和构建千变万化,不断发展、不断进步,成为发达国家研究热点。热处理和表面改性的主要适应对象是先进材料和关键构件。可以看到,没有哪个材料可以离开热处理,没有哪个关键构件不依赖热处理和表面改性技术。而且特别强调,热处理和表面改性是当今赋予材料极限性能、赋予关键构件极限服役性能仅有的两种技术。毋庸置疑,它们是机械制造强国和材料强国不可或缺的和基础技术。它们是国家的核心竞争力。
      先进热处理赋予材料极限性能。所谓极限性能是指在现有应用基础理论下能够达到的最高性能。在超高强度钢中,马氏体相变自1895年martens开始已经历了百年以上的研究发展,从马氏体的形态、板条束、板条直到板条超细化。随之在hall-petch理论指导下,发展出各种先进热处理工艺,催生了大量的高强度钢牌号。目前,控制相变热处理又在推动着各类超高强度钢发展,甚至可以统称为控制相变型超高强度钢,其工程用抗拉强度已达到2100mpa以上。一种特种热机械处理(stmt)工艺将fe-10ni-18co-12mo-1ti钢的抗拉强度提升至4295mpa。在高强度铝合金中,θ相的析出相变研究进展导致了回归热处理工艺创新。这一工艺不仅使7055-t77状态抗拉强度达到650mpa以上,并用于b-787飞机机身上蒙皮,而且为高强度铝合金广泛应用开创了一个新时代。未来一代新型材料还在企盼新概念的热处理将其提升到新的性能极限水平。比如,超高强度钢研究中,按照kelly理论和frankel理论,钢的抗拉强度和剪切强度可分别达到30gpa和7gpa,但至今仅达到抗拉强度4295mpa,美国加州大学伯克里分校提出探索抗拉强度14000mpa的超高强度钢尚无试验数据。非晶-纳米铝合金的抗拉强度可望达到1000~1500mpa,但目前仅处于700mpa水平。可达到2200mpa水平,但当前工程可用合金仅达到1500mpa以下。它们不能成为合金的原因是缺少适当的热处理技术。
      先进热处理和表面改性技术赋予关键构件极限服役性能。所谓极限服役性能,指的是现有材料和工艺所能达到的最高服役性能。
      表层硬化赋予传动构件极限服役性能。研究数据表明,齿轮轴承钢(硬度hrc45)经表面渗碳硬化至hrc62后,弯曲疲劳寿命可提高300倍以上;表面硬度从hrc62提高至hrc70,弯曲疲劳寿命再提高约100倍,接触疲劳寿命提高约70倍。不仅如此,系数kt=2时构件的拉-压疲劳强度提高80%,kt=5时可提高100%,弯曲疲劳强度可提高100%,显著抑制了疲劳强度应力集中敏感。可见,表层硬化能够大幅度提高了传动齿轮和轴承的服役寿命和可靠性。表层硬化是传动齿轮、轴承等关键构件服役行为的重要保障。
      早在上世纪80年代,国外研究并提出了激光冲击和超声喷丸两种高能表面改性新方法,因其提高疲劳强度和寿命的显著效果而引起轰动。据报道,经激光冲击后,高强度铝合金7475-t6的微动磨损疲劳寿命提高了约100倍,而且将疲劳裂纹扩展速率改善了1500倍。齿轮钢sae8620机械加工后,105循环下的弯曲疲劳强度约为1000mpa,经表面改性后提高至1200mpa,而超声喷丸表面改性后升高至约1450mpa。gh4169da高温合金经机械加工后,应力集中系数kt=4时弯曲疲劳强度为197mpa,经表面改性后提高至679mpa,寿命提高100倍以上;650℃下的疲劳强度从234mpa提升至558mpa,寿命也提高100倍以上,抑制了疲劳强度应力集中敏感。从上述数据可以看到,表面改性技术可大幅度提高叶片、盘等转动关键构件的服役寿命和可靠性。不仅如此,超高强度钢300m的疲劳强度σf为1035mpa,在硬度压痕应力集中下的疲劳强度σnf为35mpa,在3.5%的nacl水溶液中的疲劳强度σcf为40mpa,而压痕应力集中下在3.5%的nacl水溶液中的疲劳强度σncf为15mpa。显示出疲劳强度应力集中敏感性很大,应力腐蚀疲劳强度应力集中敏感性更大。经过辊压表面改性后σnf、σcf、σncf均保持在1000mpa,而且经1500h试验未失效。表面改性还抑制了应力腐蚀环境中的疲劳强度应力集中敏感。因而,可以保证构件在应力腐蚀环境中长寿命、高可靠服役。
      综上所述,热处理和表面改性不仅赋予材料极限性能和赋予关键构件极限服役性能,为关键构件服役提供了保障,而且为先进材料研究提供了方向,还为实现材料和关键构件高经济可承受性提供了保障。
      3  聚焦有限目标,创新竞争发展
      近些年来,作为国家核心竞争力的热处理和表面改性技术,在形而上学和急功近利的践踏下被边缘化和附属化了。其直接结果便是技术与国外先进水平的差距拉大、关键构件“三大问题”和高端机械装备的竞争弱势。因此,在建设机械制造强国和材料强国中,最需要的是凝聚有限目标,全力以赴突破热处理和表面改性这一核心技术,建设一个中国特色的精密-高效-经济-清洁-产业化的先进热处理和表面改性技术体系。解决关键构件的“三大问题”,实现产业化,快速提升发动机、变速器竞争能力。实现这一目标需要以相变和 “无应力集中”抗疲劳概念等应用基础理论为指导,遵循创新、体系、竞争和中国特色的基本理念,采用“全过程”研究方法。上个世纪90年代将飞机起落架寿命从不足200飞行小时提升到6000飞行小时以上,1991年服役至今20年无故障,达到并超过国外5000飞行小时最高规定寿命等经历已证明,实现这一目标是完全可能的。
      结论
      1 先进热处理和表面改性是赋予材料极限性能,赋予关键构件极限服役性能仅有的两项技术,是国家核心竞争力。先进热处理和表面改性边缘化和附属化导致了我国关键构件寿命短、可靠性差、结构重等三大问题,是机械制造竞争弱势和材料技术落后的主要原因
      2 新一代材料企盼新概念热处理,关键构件企盼先进热处理和表面改性技术解决 “三大问题”,达到长寿命、高可靠、结构减重和国际先进水平。发展先进热处理和表面改性技术是建设机械制造强国和材料强国的必由之路与紧迫需求。

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