本文由 Conrad Kacik Instrument Systems , Inc .技术服务总监 Jason Schulze 撰写，首次发表于 Heat Treat Today 2022年12月。版权归原作者，译版有改动。
前言
真空炉在1930年代开始用于海绵钛材料的退火和熔炼。早期的真空炉是热壁真空炉，而不是我们今天使用的冷壁真空炉。此外，大多数早期的真空炉不使用扩散泵。
如今，真空炉广泛应用于航空航天零部件制造所需的多种热处理工艺，比如各种材料的钎焊、时效和固溶热处理。通常，使用真空炉来确保在热处理过程中材料不被氧化、氮化而污染。本文将讨论真空技术的起源、理论和设备主要结构，以及它是如何在航空航天中使用的。
真空热处理理论
真空技术的核心是真空泵系统，能够将压力容器（真空室）抽到不同的真空度。真空度与压力值相反：高真空意味着低压力。在常见的用法中，图1中显示的真空度与美国真空协会标准委员会的建议相对应。
图1．符合美国真空协会标准委员会建议的真空度
真空度会改变材料的蒸气压。所谓材料的蒸气压，是当材料与其自身的蒸气处于平衡状态时在给定温度下施加的压力。蒸气压跟材料、温度有关，所以在热处理炉中加工某些材料时，这可能会导致潜在的工艺挑战。例如，在1000° F 、1500° F 、1800F和2250F这4个温度点进行炉温均匀性测试。这种类型的 TUS 通常需要6-8小时，随着炉子在测试温度下升温，真空度的读数很可能会增加到更高的真空水平。如果使用的是消耗型 K 型热电偶，则很有可能由于蒸气压的原因，在高温下出现测试热电偶的故障。
真空炉抽气系统
真空热处理旨在消除被热处理产品与氧化元素之间的接触，为此通过连接真空泵到压力容器上，抽真空消除大气来实现。真空泵系统在工作时分不同阶段进行，必须按顺序工作才能达到所需的真空度。真空泵系统内的每个泵都能够抽到不同的真空度，需要这些泵相互协同工作（图2)。
图2．真空泵相互配合
启动时，机械泵是抽真空的初始阶段。该泵可以从105抽到10 torr 。在低于20 torr 的压力下，机械泵的效率开始下降。这是启动增压泵的时候。增压泵有两个双叶叶轮，安装在平行轴上，它们以相反的方向旋转（见图3)。
图3．增压泵位置
扩散泵（图4）在真空度10至1 micron 时被激活。扩散泵允许系统抽真空至高真空或更低真空。
图4．扩散泵
扩散泵没有活动部件。该泵的工作原理是油的汽化、油下落时的冷凝，通过真空系统捕获和提取气体分子。
图5．维持泵
维持泵（图5）在前级管路内产生更大的压力，以确保当机械泵和扩散泵之间的交叉阀被激活时，扩散泵内的油不会泄漏到压力容器中。
真空炉加热区设计
真空炉内的加热区只是一个远离内冷壁的隔热室，是需要加热的地方。真空本身是一种良好的绝缘体，因此冷壁和加热区之间的空间确保了从炉内到炉外的热量流动可以减少。真空炉加热区有两种类型：绝缘式和辐射式。
两种最常见的隔热材料是钼和石墨。两者各有优点和缺点，下面是一个比较（表1和表2)。
真空炉淬火系统
淬火的定义是金属快速冷却以获得所需的性能。不同的合金可能需要不同的淬火速率才能达到所需的性能。当需要淬火时，真空炉使用惰性气体进行淬火。当气体通过装载的零件时，它会吸收热量，然后离开腔室并通过淬火管道冷却气体。然后将冷却的气体抽回腔室以重复该过程（见图6)。
图6．气体淬火示意图
总结
当需要保持材料不受污染时，真空炉是必不可少的设备。本文仅涉及真空技术及其用途。有关真空炉的更多信息和更深入的信息，推荐一本名为《钢热处理》的技术书籍，该书由 George E . Totten 编辑。
关于作者
Jason Schulze 是 Conrad Kacsik Instrument Systems, Inc．的技术服务总监。作为一名在航空航天领域拥有20多年经验的冶金工程师，他协助潜在和现有的 Nadcap 供应商进行合规以及冶金方面的咨询。他教授多门 PRI 课程，包括高温测量学、 RCCA 和热处理清单审查。
