航空工業服務的對象就是**武器裝備,它的生產實力在很大程度上決定了國防力量是否足夠強大,其包括飛機、直升飛機、發動機等,如航空發動機是由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管等關鍵部件組成,其主要特征則是由數以千計的葉片、盤和軸承等關鍵構件所構成。
所謂關鍵構件,是指那些決定裝備的主要功能、體現裝備的壽命長短和可靠性、失效導致災難性后果的構件。具體涉及到三類構件,即:轉動構件,如葉片、盤、軸等;傳動構件,如齒輪、軸承等;主承力構件,如接頭、對接螺栓、彈簧等。
關鍵構件既是關鍵部件(如渦輪、壓氣機等)的保障,也是**武器裝備(如發動機、飛機等)的基礎,關鍵構件的服役壽命決定著整個**武器裝備的使用壽命。
趙振業院士在其《中國熱處理與表面改性技術路線圖》中明確了真空熱處理技術作為**武器裝備及其關鍵構件核心技術之一。真空熱處理技術通過采用加熱、冷卻、真空壓強等技術控制關鍵構件的相變、微觀組織及殘余應力等,以賦予關鍵構件服役性能或極限服役性能。因此,真空熱處理技術是實現關鍵基礎構件長壽命、高可靠、結構減重的關鍵技術,**發展真空熱處理技術是建設材料強國與制造強國的根基和必由之路。
真空熱處理作為獨特的整體改性技術。經過真空熱處理的關鍵構件,不但可以保證其所要求的組織、力學性能與工藝性能,還可以深入挖掘出關鍵構件的潛能,保證和提高關鍵構件的質量和壽命,*大限度地發揮材料的潛力。從而滿足關鍵構件長壽命、高性能、結構減重的技術要求,實現全壽期成本的經濟可承受性,獲得自主**的知識產權,達到******,真空熱處理技術屬于國家核心競爭力。
真空熱處理技術可賦予關鍵構件服役性能或極限服役性能
精密熱加工技術是武器系統關鍵制造技術之一,主要包括:精密鑄造、精密塑性成形、特種熱處理(包含真空熱處理技術等)及特種焊接技術。精密熱加工技術具有生產周期短、成本低、零件使用性能好,產品可靠性高、制坯近無余量等優點,受到世界各國的高度重視。近十年來,美國十分注重發展精密熱加工和提高性能一體化技術。例如:其單晶葉片通過精密鑄造技術+真空熱處理技術+……,可以提高渦輪溫度55℃、節省燃料10%。
真空熱處理技術作為國防工業系統關鍵制造技術之一,同樣受到世界各國的高度重視。例如:美國為加速其航天飛機的發展,由5家公司組成聯合體共同開發針對5種新材料的成形及真空熱處理工藝,即:高溫Ti-Al化合物、C/C復合材料、陶瓷基復合材料、高蠕變強度材料、高導熱材料。美國經韌化處理后的金屬間化合物可顯著提高韌性,并經真空工藝處理的金屬間化合物,更適于高溫下使用,如:Ti3A1可在816℃、TiAl可在1083℃下使用,是航天飛機和航空發動機理想的材料。
真空熱處理以其特有的無污染、無氧化、工件變形小和適用范圍廣等優點,廣泛用于航空關鍵構件的熱處理,如:航空發動機葉片的真空固溶處理與真空時效處理等。美國熱處理設備約有50%以上為真空熱處理爐,且規格齊全、配套完整。此外,真空熱處理爐已廣泛采用了計算機控制系統。通過對各種關鍵構件升溫、保溫、分壓、冷卻等工藝參數系統與完整的研究,并對應相變、微觀組織及殘余應力等**、深入、細致地分析與研究,以及對應性能的系統測試與嚴格驗證,從而賦予了關鍵構件穩定、可靠、一致性的服役性能或極限服役性能。
國內在真空熱處理領域也開展了相應的研究工作,并取得了顯著成果。即:解決了真空熱處理技術的硬件的“有無”問題;打破了西方發達國家對真空熱處理技術的硬件的壟斷;打破了西方發達國家對真空熱處理技術的**硬件的禁運;促成了西方發達國家對真空熱處理技術的**硬件的合理定價;促成了西方發達國家對真空熱處理技術的**硬件的在國內生產的局面;同時,促進了國內真空熱處理技術的硬件的長足進步。因此,國內的真空熱處理技術的硬件的確有了長足的發展,具備了由“仿制技術”向“自主**技術”發展的前提條件,只要能得益于政策的扶持,實現上述的飛躍只是時間的問題。
但是,由于其屬于**的整體改性技術,具有看不見摸不著、分析困難、測試周期漫長、需要長期與持久地數據積累等典型特點,加之經費投入嚴重不足,因此,與國外相比尚有顯著差距。
國內真空熱處理技術的軟件發展的確舉步維艱,關鍵在于受到“傳統觀念束縛”的影響與極難養成“嚴謹的工作習慣”的糾結;實屬“填空補缺”之范疇,但總是無法得到認同;本屬日積月累之事,卻總想急功近利;飛躍只能從認識開始!正如:每個人每天都希望吃到可口的飯菜,但是卻沒有人從內心深處真正地去敬佩他們的廚師!
我國航空發動機發展史證明,突破技術并不是*大的“攔路虎”,重要的是對航空發動機研制需要長時間、大投入和基礎科研的特點有清晰的認識。從正確的認識出發,制定基礎科研和工程發展長遠規劃,并且按照規劃矢志不移地進行持續科學的科研管理是航空發動機成功研制發展的**發展策略。因此,今后應抓緊加大力度開展該領域的系統性研究,從而進一步縮小與國外的差距。
對真空熱處理生產過程實施全過程質量管理控制
美國****學院副教授安德魯·埃里克森在一份報告中稱:“各方面的估計表明,根據中國現有的知識,如果不出現大的波折,并且堅持不懈的話,那么中國需要兩到三年時間來**掌握先進發動機的技術能力,當然這也與中國在噴氣發動機領域的總投入相稱”。安德魯·埃里克森認為,中國目前噴氣發動機的技術水平接近F-15C戰斗機使用的普拉特-惠特尼公司生產的F100-PW-100發動機。
吉伯·柯林斯認為,中國飛機發動機工業的一大弱點在于渦輪葉片的制造和流程的標準化。“他們確實很接近PW-100的技術水平。不過麻煩的是一些細節,如果中國航空業不能完全掌握**規格質量控制流程,它就很難制造出足夠多的高質量發動機,從而真正降低中國對俄羅斯高性能戰術飛機噴氣發動機的依賴。”
美國專家稱,近年來隨著冶金和制造技術的發展,中國在航空領域已經取得了一些進步,系統設計、集成和管理已經成為制約發動機生產的*大薄弱環節。在地面測試和模擬飛行中,中國發動機面臨著葉片彎曲、破壞及其他問題。為了攻克這個難關,中國的**噴氣發動機制造商需要實現一些生產和流程管理突破。
美國蒂爾集團公司的分析家理查德·阿布拉菲亞認為,中國要制造出與美國*先進發動機相媲美的戰斗機發動機,需要的時間也許遠不止5~10年。“他們與F119/F135/F136技術水平相去甚遠。他們必須在材料、設計以及制造方面取得巨大的進步。等他們走到那一步時,西方又向前跨出了很遠”。
國外對真空熱處理,將其確定為“特殊工藝過程”予以高度地關注;國外采用*為可靠與穩定的“全過程質量控制”的方法加以*嚴格地管理與控制;國外樹立“以制件為對象,一切服務于服役要求”的原則;國外秉承“乘法(即:任何一個環節是零,其*終的結果就是零,無論是一般制造,還是**制造)原則”對待一切制造;國外將制件的真空熱處理視為“以制件為對象的一項改性工程”,從“人、機、料、法、環、測、審、安、密”諸方面精細化地控制與管理;國外將真空熱處理技術視為**的技術秘密加以嚴格保護。
國內對真空熱處理,將其視為“不會帶來經濟效益的中間工序”予以削弱與忽視;國內通常采用“行政管理模式”的方法加以簡單、粗暴地干涉;國內建立起“以材料為對象,之后直接轉嫁給制件”的硬性管理模式;國內秉承“加法(即:突出重點環節,無視薄弱環節,即使某環節是零,也自信不會影響*終的結果)的管理原則”對待一切制造;國內將制件的真空熱處理視為以材料為對象的一項改性技術,但僅從“工藝參數”一個方面予以“作坊”式地管理;國內將真空熱處理技術定位成為“某一種工種的簡單技能”。
中航發動機控股有限公司副總經理、研究院院長張健在航展現場公布,這將是一個從“填空補缺”到“望其項背”,*終確保和發達國家“并駕齊驅”的“三步走”過程。展望未來,中國國產大飛機有望在2025年前后用上“中國動力”。“現在我們還處于‘填空補缺’階段。到2020年,我們的目標是‘望其項背’,接近對方的水平。我們的*終目標是‘并駕齊驅’,達到并且在部分領域還要趕超他們。”
通過在政策層面,樹立符合工業**發展規律的真空熱處理的“制造和流程的標準化”理念;在政策層面,規劃、設計真空熱處理的“綜合預防的環境保護策略”;在管理層面,培養符合工業**發展規律的真空熱處理的“從業人員的職業道德、工作習慣與專業素養”;在制度層面,建立、健全真空熱處理相關的計量、測試、審查、審核的規章與制度;在條件保障層面,著力開展真空熱處理相關設備和配套設備的升級換代,為逐步形成真空熱處理產業化創造前提條件;在標準化層面,一方面建立、健全真空熱處理制造和流程的標準化;另一方面,建立、健全真空熱處理相關輔助材料的標準化;在技術研究層面,首先,要明確服務對象是基礎構件,服務目標是**裝備的研究宗旨;其次,要樹立真空熱處理技術的精密化研究的理念。在真空熱處理制造與流程過程中,*終構建成“以基礎構件為生產對象(勞動對象),依靠真空熱處理產業化的真空熱處理相關設備和配套設備(勞動工具),憑借從業人員的職業道德、工作習慣與專業素養(勞動力),充分利用真空熱處理技術的精密化研究成果(科學技術),嚴格遵循特殊過程確認、全過程質量控制、全過程審核等管理程序(制度與法規)”符合工業**發展規律的標準化生產力模式。
利用上述“制造和流程的標準化”理念,開展新材料與新工藝的探索、研究、研制、生產與開發工作;利用上述“制造和流程的標準化”理念,開展真空熱處理設備自身加熱過程的數字化研究工作,從而建立適合不同類型真空熱處理設備的數字化模型;利用上述“制造和流程的標準化”理念,開展真空熱處理設備自身冷卻過程的數字化研究工作,從而建立適合不同類型真空熱處理設備的數字化模型;利用上述“制造和流程的標準化”理念,開展關鍵構件真空熱處理加熱過程的數字化研究工作,從而建立適合關鍵構件真空熱處理加熱過程的數字化模型;利用上述“制造和流程的標準化”理念,開展關鍵構件真空熱處理冷卻過程的數字化研究工作,從而建立適合關鍵構件真空熱處理冷卻過程的數字化模型;利用上述“制造和流程的標準化”理念,開展關鍵構件真空熱處理過程表面完整性的數字化研究工作,從而建立適合關鍵構件真空熱處理過程表面完整性的數字化模型;利用上述“制造和流程的標準化”理念,形成關鍵構件真空熱處理的數字化平臺,建立關鍵構件真空熱處理的數據庫;利用上述“制造和流程的標準化”理念、關鍵構件真空熱處理的數字化平臺、關鍵構件真空熱處理的數據庫,實現關鍵構件真空熱處理的“精密-高效-經濟-清潔-產業”的技術路線圖的發展目標,*終實現**機械裝備“高可靠性-長壽命-結構減重-全壽期成本-自主**”的戰略目標。從而使真空熱處理“賦予材料極限性能,賦予關鍵構件極限服役性能,屬于國家核心競爭力”成為現實。