热处理是通过将零件加热到一定温度、保温一段时间、然后一定方式冷却的工艺，热处理的核心是对热处理炉的温度的精确控制和测量，才能保证热处理的质量，达到热处理的目的，满足零件的使用要求。航空发动机零件服役条件苛刻，对热处理炉的温度测量和控制更加严格，而HB5425-2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》（以下简称为测定方法）对规范热处理炉有效区的检测尤为重要。

2012版与1989年版的测定方法有许多的改变，其中引入了最新版AMS2750E《高温测量》中的一些方法和规定，这是一个很大的进步。AMS2750E《高温测量》是国际通用的用于热处理炉温度测量的技术标准，它比较全面的给出了技术要求和测量方法，是一个先进的系统的技术标准。将先进的国际技术标准应用于我国的航空制造业，这无疑是好事，是有意义的事，根据笔者多年参与热处理NADCAP审核的体会和现场工作经验，对新版的HB5425在使用过程中提出一些建议和看法，供大家参考。

一、测定条件与测定温度

热处理炉是保证热处理工艺正确实施的关键，其有效加热区的温度分布状态以及变化情况直接关系到热处理的质量。进行温度均匀性检测，是证明其有效加热区温度特性是否满足工艺要求的最直接和最有效的方法。由于我国航空制造业的技术水平参差不齐、设备状态差异较大，采用各种技术标准时，可能存在一定的风险。各单位应根据热处理炉的使用、性能，进行必要的技术评估，制定本单位的标准，对测定条件及测定温度作适当的调整。

1.测定条件的确定

测定方法规定了有效加热区的初始测定的条件，延长周期测定的许可。为了考核新购置或大修后炉子的加热、保温及控制等系统的稳定性，初始测定给出了较短的测定周期。经过一段时间使用后，炉子的各项指标仍满足要求，可延长检测周期。

测定方法5.1.2规定了初始测定的条件，因为维修可能导致炉子的加热、保温和控制系统发生变化，需要重新考核各个系统的稳定性，进行初始测定是必要的。不过，测定方法5.1.3规定，“热处理炉在使用过程中，如果发生较小的维修、部分元件或构件的替换或局部更新以及将炉子恢复其原始状态的预防性维修，并预计不会对已测定的有效加热区产生改变或对有效加热区温度均匀性产生不良影响时，均不需重新进行有效加热区测定，当出现以下情况时可不重新进行有效加热区测定”。测定方法列出了部分或全部更换与原来一样的加热元件、保温材料等十种情况。这些维修不需要进行各系统的稳定性考核，但应评估维修对温度均匀性的影响。如果一概不进行有效加热区测定，意味着温度均匀性不符合要求的炉子可能用于热处理生产。

实践证明，设备在有效期内进行多次、多部位、不规范更换部分的加热元件，尽管更换了与之前型号的加热元件，几个月后的温度均匀性检测结果仍会出现较大的超差。其它的维修也一样，因为使用过的材料和未使用过的材料还是存在较大的不同，即使更换相同类型的控制传感器，也会因为热传导特性和系统的变化，导致温度均匀性发生变化。可能会导致不合格品（抽检到的零件是合格的）流入下一道工序、组装成产品甚至交付用户，质量追溯将是复杂的过程。为了避免此问题，建议在进行了测定方法中5.1.3列出的维修后，进行必要的技术评估，根据评估结果确定是否进行有效加热区测定。如果没有评估或评估结果不可靠时，最好进行有效加热区测定，以测定结果验证维修是否影响温度均匀性，如果符合要求，可按延长后的周期进行后续的测定，不必采用初始测定的周期。

2.测定温度的选择

测定方法在5.3.2.2中规定：“当合格温度范围大于300℃时，则应当在该温度范围高于最低温度150℃和低于最高温度150℃的范围内各增加一个测试温度点，并符合5.3.1.3规定”。测定方法在5.3.2.3中规定：“在周期测定中，每个日历年度内对每个合格工作温度范围的最低和最高温度应至少测试一次。”这两条规定表明在周期测定时，可以不进行测试合格温度范围的最低温度和最高温度，而可以在最低及最高温度150℃范围选择测试点。尽管测定方法将AMS2750E《高温测量》中的170℃缩减至150℃，依然存在较大风险。

工厂内使用的大部分国产热处理炉和进口炉相比，加热元件的热稳定性差，炉体制造和装配工艺落后，生产工人技术水平低，炉子的热稳定性较差，建议各单位对使用的炉子进行分类，性能稳定的炉子，可按规定减少对最高和最低温度的检测次数，而针对那些性能不稳定的炉子，应在每次检测时，对最高和最低温度进行检测，以降低热处理炉性能不稳定带来的风险。

二、测试系统的选择与使用

为了正确有效地完成炉温均匀性检测，必须选择适合的测试系统，测试系统由温度传感器、连接导线和测试仪表组成。

1.测试传感器

测试传感器一般指热电偶或热电阻，选用时应考虑传感器的测量范围、准确度等级、适用环境以及安装方式等。因为热处理炉包括真空炉、气氛炉和盐浴炉等不同加热介质，因此，应对传感器适应环境的能力进行评估，必要时可采用保护管对环境因素进行隔离，减少有害成分对传感器计量特性的影响。

建议采用一次性热电偶（有时称为消耗性热电偶）作为测试传感器，根据热电极材料一致性原理，只需要对样品热电偶进行校准，其余热电偶可随时制作后使用，具有一定的测量误差重复性，仅限单次或极少次使用，确保热电偶性能可靠。

选择测试传感器，不仅要考虑测量准确度，还要考虑计量特性的稳定性，而且稳定性是一个更重要的指标。当传感器存在系统误差时，可以通过修正予以减少或消除；当传感器存在不稳定特性时，既不能予以修正，也无法通过其他方式减少这种影响。考核传感器稳定性的方法就是在一定的时间间隔内进行校准，校准结果变化的大小表明稳定性的优劣。

由于制造商提供有关热电偶性能的数据有限，简单根据某个技术标准确定热电偶的校准间隔，可能存在风险。确定热电偶的校准间隔时，不仅要考虑其热电极材料、尺寸以及绝缘材料和保护管材料，还应考虑其使用的温度、气氛、次数等，较短的校准间隔可减少传感器不合格的风险。也可参考AMS2750E中给出的校准间隔和使用次数的限制。校准温度可以是热电偶的使用温度，也可以不超过一定温度间隔（一般不超过150℃）的温度点，校准范围不能小于热电偶的使用范围。

2.连接导线

当检测传感器为热电阻时，与仪表连接时应采用三线制或四线制方式，可有效消除引线误差。当检测传感器为热电偶时，连接导线应是相同分度号的补偿导线。在热电偶测温电路中，如果引用了中间导体，则应保证中间导体各处温度一致，如果存在中间温度，则应保证中间温度得以适当的补偿。

3.检测仪表

用于温度均匀性检测的仪表一般为多通道仪表或带自动扫描开关的仪表，以分别读取多个检测传感器的显示值。仪表应适应工作现场的环境条件，温度、湿度、电磁场、供电等条件符合仪表使用说明书的要求。检测仪表应该具有自动打印或存贮检测数据的功能，并保证检测数据的原始性，任何情况下都不应更改初始的检测数据。

4.检测传感器布置的数量与位置

检测传感器布置的数量和位置应根据炉子结构、加热元件布局、热交换方式等确定，不能因为技术标准有规定，忽视炉子的实际情况。测定方法中给出的是最低的数量，应根据炉子的特点，适当增加，但不允许减少。测定方法中给出的位置也是建议的位置，为一般形状的炉子应该布放检测传感器的位置。实际操作时，应观察炉子的结构特点，将检测传感器布置到最能代表有效加热区内温度分布特征的位置。所谓的代表性就是指可能为最高温度或最低温度的位置，如：有效加热区的角落或中心、加热元件布置不均匀的地方、强制热风循环的进风口和出风口的附近、接近炉门或炉底板的地方。

5.传感器的固定方法

传感器的固定方法有很多，应保证传感器在装入炉子以及检测过程中，其测量端的位置不会发生变化。当空载检测时，检测传感器的测量端应与测温架之间保持一定的距离，减少测温架对测量结果的影响。测温架放入炉子后，应对检测传感器在炉膛内的位置进行测量，标注并记录。有关数据应出现在检测报告和有效加热区测定合格证中，以指导炉子使用时，将工件放在有效加热区内，并且在下一次检测时按照相同的位置放置测温架或布置传感器。

6.测温试块

测定方法允许将检测传感器安装在测温试块内，测温试块应与炉子所处理制件中具有代表性材料相一致的室温热传导率，不超过所处理制件的最小厚度，其厚度或直径不超过13mm，与AMS2750E的要求一致。使用测温试块的目的是为了模拟材料或工件在加热过程中温度变化特性，更好的确定炉温与工艺要求之间的一致性。以最短的时间完成热处理过程可以节约能源，但是，必须保证温度均匀性符合工艺要求。

测定方法的注解讲到，测温试块是为了防止或减少加热方式引起的炉温波动或突变，并称之为温度缓冲块，这是不确切的。如果温度波动或突变会影响工艺质量，使产品出现过烧现象，应该通过测量获得这些波动或突变，以减少对产品质量的影响。如果检测人员会为了减少温度过冲，采用温度缓冲块，故意隐蔽有效加热区温度变化的特性，可能使产品出现质量隐患。使用测温试块应经过技术评估，也可以将一部分检测传感器置于测温试块中，另一部分检测传感器置于测温试块之外，以观察炉温的实际变化情况。

三、检测数据采集处理

有效加热区测定是为了获得炉子中指定区域温度分布以及变化的状态，因此，检测过程应始终观察检测传感器和工艺传感器温度读数的变化，即使在升温过程中，可以不采集检测数据，也有必要观察数据的变化趋势。

1.恒温前的数据采集

为完整、清晰地记录整个测定过程，测定方法要求应在炉内第一支传感器的读数到达每一个测试温度点要求的温度均匀性允许的偏差范围下限之前开始采集数据，包括检测传感器和工艺传感器（不包括仅仅用于单一功能的超温传感器）的读数。

一旦开始采集数据，应以不超过2min中的时间间隔采集全部数据，较小的采集间隔可有效记录检测传感器的数值变化，并判断炉温是否达到平衡或稳定。所谓的平衡或稳定是指热交换的平衡或温度测量值的稳定，炉温无法达到完全不变的状态，如果变化被限制在某个较小的区间，或呈现周期性的变化，工艺传感器的读数以及检测传感器给出的实际温度均在温度均匀性允许的偏差范围内，且没有超出的趋势，认为炉温平衡或稳定。炉温平衡或稳定过程的测量数据作为炉子使用的重要依据，在检测报告中应有相应的数据处理以及适合的结论。

2.恒温后的数据采集

炉温恒定后，至少需要采集30min炉内各温度传感器的数据，如果部分传感器的读数有超出温度均匀性允许范围的可能，可延长采集时间或以最长工艺时间为准。采集恒温后的数据，是为了保证有效加热区的温度在随时间的变化中，能保持在一定的范围内，不超过工艺温度的要求。

3.工艺传感器的读数

采集检测传感器温度读数的同时，要求记录工艺传感器的读数，如果超温传感器的读数不用于产品质量评价，可以不记录超温传感器的读数，否则，应与控制、记录、监测及载荷传感器的读数一起记录。工艺传感器的读数应该是记录曲线或数据，与炉子日常使用时的记录方式一致，并标注记录的起始时间和终止时间，也可以通过本次检测的起始时间计算得到记录的时间区段。

4.数据处理

检测传感器的读数应经过传感器、连接导线以及仪表的系统误差修正，获得各个检测点实际温度的最高值和最低值，用最高实际温度和最低实际温度与设定温度之差表示温度均匀性。对于某个检测温度而言，起始采集数据的结果中，最高温度应小于温度均匀性允许的偏差范围的下限时，说明采集时间满足“第一支检测传感器的读数到达温度均匀性允许的偏差范围下限之前开始采集数据”，而工艺传感器的读数需要检测人员的仔细观察记录。炉子达到恒温状态时，所有检测传感器的实际温度应在温度均匀性允许的偏差范围内。为了保证检测结果的有效性，建议检测人员提前记录检测传感器和工艺传感器的读数，并适当延长恒温后的采集时间，在数据处理时可对多余数据进行裁减。

四、检测结果的分析与判断

检测结果不仅与控制传感器、控制仪表、加热功率以及热交换方式有关，也与测试系统的特性有关。当给出检测结果时，应对检测结果的有效性进行分析。首先应对测试系统的不确定度进行评定，一般不考虑检测传感器位置的影响，主要针对测试传感器、连接导线和检测仪表的计量特性分析；其次应评价检测过程是否符合标准及相关工艺的要求；再者应对数据处理的正确性进行验证，以保证给出的结果是有效的。

检测结果应标明在升温过程中，所有的检测传感器的实际温度和工艺传感器的读数均未超过温度均匀性范围的上限，恒温后，所有的检测传感器的实际温度和工艺传感器的读数处于温度均匀性范围内。从控温传感器的读数达到设定温度开始，到有效加热区实现温度恒定前的时间不能超过工艺规定的最短时间。炉子使用时，操作者只能看到工艺传感器的读数，而质量部门或客户也只能看到记录曲线。如果工艺中采用了负载传感器，该工艺保温时间应由负载传感器的温度变化判断，负载传感器应安装在适合的模拟工件内。

如果检测过程中使用了补偿值，甚至不同测定的温度采用了不同的补偿值，建议在完成检测工作后，对有代表性的温度点进行重复检测，应验证补偿值使用对检测结果的影响。这些温度点可以是测定的最低温度、最高温度或炉子控制状态改变的温度。因为补偿值调整的大小与有效加热区各个位置的实际温度变化并不是1﹕1的关系。在接近恒温或恒温状态下的调整与升温前已存在调整值，也会有不同的升温和恒温效果，可能导致温度过冲现象。

对于测定合格的炉子，应在炉子明显的位置悬挂有效加热区在炉膛中的位置示意图，以指导使用者将工件放置在有效加热区内，并特别注意放置在炉底、炉门附近的工件位置。工件一般应安放在工装上或料框里，工件之间以及工件与其他构件之间应保持必要的空间，以实现快速的温度平衡。对于测定不合格炉子，应根据检测结果对之前的产品进行质量评估，并制定调整与维修方案。

五、检测人员的要求   

热处理炉的温度特性直接影响热处理工艺质量，温度均匀性测定是评估热处理炉是否满足工艺要求的重要手段。作为检测人员，仅仅熟知检测技术标准是不够的，需要懂得热处理炉的加热原理、炉子结构及炉温控制系统等，明确热处理工艺要求和操作程序。熟知影响有效加热区内温度分布以及变化的主要因素。

检测人员除了提高自身的技术和技能水平外，还应与热处理工艺人员、设备维护人员、质量评估人员进行及时沟通与协作，才能实现热处理工艺质量的保障。

六.结语

随着企业管理水平提高，优质加工设备的引进，先进测试与控制技术的应用，新标准的推广与应用，人员素质的提高，产品质量将会有较大的提升，使我国真正由航空大国变为航空强国。

文：王军，西安航空动力股份有限公司，高级工程师，热处理专家。