先进高温真空热处理炉国产化分析

于雷

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高温真空气淬炉是航空发动机叶片及结构件特殊热处理过程中的重要设备，设备运行的稳定性及关键部件供应的稳定性将影响热处理环节。而国内发动机叶片及结构件热处理，工作温度在1300℃以上，所使用的高温炉均为进口品牌，其中有美国Ipsen，法国BMI等，随着近年国际形势严峻，特殊热处理关键设备进口难度越来越大，其进口关键零部件的供应也存在不稳定的潜在风险，所有进口高温炉关键部件的国产化替代以及全套高温炉的国产化替代势在必行。

1. 国产真空炉技术目前现状

真空热处理技术早在上世纪60年代在国外已经开始应用，美国海斯公司和日本真空研究所先后研制出了真空淬火油和水剂淬火介质，经过多年的发展，从一般的真空淬火发展到高压气淬、钎焊，渗碳等。甚至在上世纪90年代，国外已经拥有1600℃真空热处理炉用于高温热处理，而我国的真空热处理起步较晚，热处理炉的设计研制和生产制造从20世纪70年代后期才慢慢开始，近几年，国内主要真空炉制造厂家对高温热处理领域的研究及设备制造才慢慢关注。经过几十年的迅速发展，我国正在摆脱对国外进口设备的依赖，目前已经可以提供包括真空高压气淬炉、油淬炉、退火炉、烧结炉等在内的满足各类处理需求的全套处理设备。

随着科技的不断进步，不仅真空热处理设备取得了较大发展，而且与其相关的配套产品也取得了巨大进步，比如，各类真空泵、真空阀、传感器、真空测量仪器等，均已实现自主研制，甚至金属或其他材料的保温材料及加热元件也逐步实现了自主研发生产，部分产品的性能和质量已经接近或达到了国外同类产品的水平。总体上说，相关配套产业的快速发展，有效地促进了我国真空热处理水平的整体进步。

2. 国内外真空炉关键技术对比

综合来说，国产真空炉与进口真空炉相比，依然存在明显差距。比如在结构设计，制造工艺，以及关键性能控制和渗氮，渗碳炉等方面，进口真空炉具有更多的行业经验。下面是国产真空炉与进口真空炉在相关方面的对比。

序号	内容	进口真空炉	国产真空炉
1	制造 工艺	制造工艺精良，焊缝整齐，喷漆平滑。	制造工艺不统一，长期使用焊缝部位易出现裂纹，掉漆等。
2	结构 设计	可充分满足用户的个性化需求，结构更加人性化，模块化程度高。	结构设计单一，很难实现定制化需求。
3	最高 温度	最高温度1600℃，已经具有近30年的经验，可满足当前航空发动机领域相关部件高温热处理以及特殊合金热处理工艺研究，且运行稳定。	国产设备在1600℃领域是空白，缺少对高温控温的测试及数据积累，以及热区结构的设计，缺少对控制系统的精细化研究。
4	热区 设计	材料：高纯度钼材料； 结构：加热带结构设计具有热胀冷缩补偿防变形结构；在长时间高温加热，保温，隔热屏及加热带等各个部件性能稳定，不变形，不脱落、不损坏。 结构设计兼顾冷却性能：喷嘴可根据气流的疏密程度进行不均等分布，使进入热区的冷却气体流量，流速基本一致，确保冷却均匀性。 热区尾部冷却气体出口设计： 尾部隔热屏采用多孔分布设计，兼顾炉温均匀性和冷却气流的均匀性； 最外层框架采用不锈钢铆接，长时间高温及气流高速通过，不易变形，不易脱落。 整个热区结构设计充分考虑高温加热和快速冷却对热区的冲击	材料：材料纯度类别繁多，经常出现同一个热区，不同部位的钼材料成分不一致。 结构：热区结构设计比较固化；加热带固定结构没有特殊的防变形结构设计（见下文结构对比），加热元件及隔热屏经过一段时间使用后容易变形； 冷却性能：气流喷嘴分布比较均匀，会导致距离风机远端的位置气体流通量较小，使炉内冷速不一致。 热区尾部冷却气体出口设计： 最外层采用不锈钢1Cr8Ni连接杆焊接，长时间高温及气流高速通过，极易开焊，脱落。
5	冷却 系统	风机启动：可在真空状态启动风机，且为变频控制； 热交换器设计： 热交换器采用铜制，外表面采用片状结构设计，且结合炉体内部结构，采用互补设计，极大的增加了热交换面积； 具备负载偶控制工件心部和表面冷却速率的能力。	风机启动：风机无法在真空状态启动，风机启动前，由于充了一定量气体，炉内温度已经产生温降，不利于冷速控制。 热交换器设计： 热交换器材料种类繁多，铜制，碳钢材料等，外表面结构种类繁多，且大多数为圆形结构，与炉内结构没有完美的互补设计； 无法采用负载偶控温，不利于工艺及材料性能研究。
6	控制 系统	温度精度控制： 采用主流温控表，升温速率可做到0.1℃/min 操作： 软件操作自动化程度高，不需要配合繁琐的手动操作；	温度精度控制： 采用主流温控表，升温速率最低通常0.5~1℃/min 操作： 软件操作自动化程度不高，载入工艺程序步骤繁琐，需要配合繁琐的手动操作；
7	工艺 系统	设备附带的专家系统数据完整，输入材料牌号或主要化学成分、表面渗碳面积、深层工艺要求等主要工艺参数，就可以自动给出热处理工艺曲线，供操作者参考	国内专家系统的数据库资料就比较少，尚在试验和积累阶段。

在行业分布上：高温真空热处理在航空、航天、军工行业应用比较广泛，还有一些对外出口加工的零部件（即高精密的零部件）也需要高温真空热处理技术。在航空发动机领域，高温真空热处理是发动机关键部件必须要进行的特殊处理过程。目前，我国国产的真空热处理炉已经大量使用在航空热处理车间，为提高航空产品质量作出了很大贡献，但国产设备在高温真空热处理领域几乎为空白。

综上所述，为实现重要装备研制生产的自主，为祖国航发事业保驾护航，高温真空热处理炉实现国产化势在必行。

3. 影响高温真空热处理炉的国产化进度的因素

1）政策：随着“中国制造2025”战略的提出，以及《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》政策的出台，将高端装备制造纳⼊战略性新兴产业，包括智能制造装备产业、航空装备产业、卫星及应用产业、轨道交通装备产业、海洋工程装备产业等。高温真空热处理属于航空装备产业重要的一环。

2）国内各领域市场需求：以航空发动机关键部件高温热处理为市场导向，未来的5~10年内，随着重点型号航空发动机研制攻关的相继完成转入量产，将可以满足届时我国军、民用领域几乎各类型航空发动机的需要，我国航空发动机整个产业也将迎来一个高速增长的黄金时期，所需的配套设备将倍增，高温热处理设备也会随之增加。

3）国内制造厂的技术提升：随着经验积累及关键技术提升，国产真空炉制造商在高温真空热处理领域也逐渐崭露头角，采用自主或与科研院所联合设计的形式不断的在关键领域去的突破。

4）国内制造业完善的产业链：我国具有真空炉所需各个部件的完善的供应产业链，为高温真空热处理炉的国产化制造提供良好的基础。

4. 高温真空热处理的发展前景

早在2004年，美国热处理协会就发布了热处理发展路线图，对美国2020年的热处理技术发展提出了非常明确的目标，例如“零畸变”、“零分散度”、“零排放”、“减少能源消耗80%”等，充分说明西方发达国家对热处理的高度重视，值得我们深思。

如前所述，虽然存在不少挑战和机遇，但不可否认的是，高温真空热处理在我国的应用越来越广泛。随着真空热处理技术及相关设备的发展，相信很多技术会取得突破，这些新技术反过来也推动了高温真空热处理在更多领域的应用。

真空热处理肯定会有大的发展前景，特别是在高精密制造方面。在当前各类产品的热处理生产中，随着真空热处理技术及其相关设备的发展，真空热处理所占比例将会逐年上升，并发展成为一种主要的生产方式。

【参考文章】

[1]郄小龙. 对我国真空热处理路线图的一些看法和建议[J]. 金属加工（热加工），2013（23）：19-20.

[2]张伟. 对真空热处理技术的现状和前景的几点探讨[J]. 科技展望，2015（11）：125.

[3]王锡樵，孙清汝，候奎，等. 真空热处理的应用[J]. 金属加工（热加工），2015（19）：4-5+9.

[4]赵步青. 真空热处理发展之我见[J]. 金属加工（热处理），2013（23）：13-14.

[5]朱光明. 真空热处理技术发展是否存在价格之阻[J]. 金属加工（热加工），2015（19）：1.

[6]雍丽，刘香国. 真空热处理技术现状和价格门槛浅谈[J]. 金属加工（热加工），2015（19）：2-3.

[7]黄德发，陈雄清. 关于推广真空热处理技术若干问题及对策[J]. 热处理技术与装备，2019（6）：56-60.

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