高溫合金精密鑄造技術(shù)及發(fā)展趨勢

鑄造技術(shù)是一門占老的、傳統(tǒng)的工藝技術(shù)。在航空工業(yè)中，各類高溫合金、欽合金、鋁合金復(fù)雜薄壁整體構(gòu)件的鑄造技術(shù)應(yīng)用廣泛，是航空工業(yè)中的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

鑄造的鮮明特點(diǎn)是成形構(gòu)件的尺寸、組織和性能等受控于鑄造工藝方法和成形過程。鑄造技術(shù)在傳統(tǒng)理論和方法的基礎(chǔ)上，與自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)相結(jié)合，向理論指導(dǎo)、過程控制和整體近凈成形的方向發(fā)展。

在航空工業(yè)中，復(fù)雜薄壁的高溫合金、欽合金、鋁合金整體鑄件是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體中的關(guān)鍵構(gòu)件，這些構(gòu)件形狀尺寸、組織結(jié)構(gòu)和性能直接影響飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)重量系數(shù)、壽命和制造成本等各種重要指標(biāo)。因此，鑄造技術(shù)是航空裝備和民用航空產(chǎn)品向輕量化、化、長壽命、低成本方向發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

鑄造技術(shù)在航空工業(yè)中的研究應(yīng)用情況

歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)綜合應(yīng)用現(xiàn)代新材料、，在豐富成形基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，不斷研究和新工藝技術(shù)，對鑄造這一難以控制的成形工藝過程進(jìn)行控制，研制了大量、復(fù)雜、整體構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于航空裝備中，以提高部件整體結(jié)構(gòu)性能和性，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低制造成本，縮短制造周期，滿足航空裝備的研制生產(chǎn)和發(fā)展的需要。

1高溫合金鑄造技術(shù)

高溫合金鑄造技術(shù)主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱端部件制造，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體渦輪盤、整體機(jī)匣等。20世紀(jì)70年代，美、英、蘇等發(fā)達(dá)成功研究高溫合金近凈形熔模鑄造技術(shù)，并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。隨著后來的熱等靜壓技術(shù)、高溫合金過濾凈化技術(shù)的發(fā)展，高溫合金熔模鑄件的冶金缺陷減少，性能顯著提高。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，更提高了熔模鑄件生產(chǎn)的成品率和性，定向空心葉片生產(chǎn)合格率達(dá)到90%以上，單晶空心葉片生產(chǎn)合格率達(dá)到80%。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的不斷升級換代，其關(guān)鍵熱端部件的結(jié)構(gòu)和材料發(fā)生了巨大的變化，結(jié)構(gòu)向整體、薄壁空心方向發(fā)展，要求使用的材料具有承溫能力的同時(shí)具有的性能、更長的壽命以及的成本。

1)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片方面。自20世紀(jì)80年代以來，對發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件—渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片的結(jié)構(gòu)、材料及制造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，已相繼研制出具有氣冷效果的葉片冷卻系統(tǒng)、材料和制造技術(shù)，制造的部件已經(jīng)通過了發(fā)動(dòng)機(jī)的全而考核。羅·羅公司一直在致力于研究高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件—Lamilloy和壁冷單晶葉片的結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)，并已將真實(shí)的鑄造葉片用于發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代中后期，Allision公司研究出了集合多孔層板冷卻孔制造技術(shù)、鑄造技術(shù)以及材料技術(shù)，鑄造出了具有高冷效的單晶Lamilloy合金渦輪葉片。較為采用Cast Cool鑄造技術(shù)將超氣冷單晶葉片一次鑄成。俄羅斯在現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉片壁上添加冷卻通道，研究出了氣冷單晶空心葉片的鑄造技術(shù)。

2)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤鑄造方面。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中葉盤需整體鑄造，其葉片為定向結(jié)晶組織，而輪盤組織為細(xì)晶組織，這種雙性能整體葉盤(DS/GX)是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的發(fā)展趨勢。Howmet，羅·羅等于20世紀(jì)80年代開始了雙性能整體葉盤材料與鑄造技術(shù)研究，并于20世紀(jì)末成功了與之相關(guān)的成套鑄造技術(shù)及熔鑄設(shè)備技術(shù)，成功整鑄出了葉片為定向柱晶、輪盤為等軸細(xì)晶的整體葉盤，將現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命提高2一3倍，發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加7. 3%一9 .2%。

3)在高溫合金整體結(jié)構(gòu)件方 而。20世紀(jì)末期由Carret， PCC公 司等研究出較新的大件整鑄技術(shù)(第 二代整鑄技術(shù))，即熱控凝固工藝技 術(shù)，它是通過將鑄件合金凝固結(jié)晶 前沿的溫度梯度和冷卻速率控制在 等軸晶區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對大型復(fù)雜薄 壁構(gòu)件內(nèi)部致密度一晶粒度一組織 的原位復(fù)合控制的技術(shù)突破和創(chuàng)新， 整鑄出較大尺寸達(dá)1027mm，較小壁 厚為0. 8一1. 2mm，晶粒度控制在 1一5m。的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類結(jié)構(gòu)件。 該技術(shù)的突出點(diǎn)是整鑄過程中實(shí)現(xiàn) 了致密充填與晶粒度細(xì)化復(fù)合控制， 同時(shí)合金材料的利用率提高了50%以上。

2欽合金鑄造技術(shù)

美國于20世紀(jì)60年代開始研究應(yīng)用欽合金鑄造技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前處于世界水平，出了熔模陶瓷鑄型技術(shù)、機(jī)加石墨鑄型技術(shù)和熱等靜壓技術(shù)等。發(fā)動(dòng)機(jī)的整體欽合金中介機(jī)匣的外形尺寸為φ1300mm X 368mm，是目前世界上較大的欽合金鑄件，代表著的欽合金鑄造水平。

針對航空用熱等靜壓欽合金鑄件研究，經(jīng)過研究將欽合金鑄件應(yīng)用到軍機(jī)上并經(jīng)應(yīng)用證明欽合金鑄件作為飛機(jī)機(jī)體構(gòu)件是的，其性能和性可與塑性變形構(gòu)件相媲美，而制造成本、生產(chǎn)周期都明顯優(yōu)于塑性變形構(gòu)件。鑄造結(jié)構(gòu)件與組合結(jié)構(gòu)件相比，其優(yōu)點(diǎn)是了機(jī)械緊固連結(jié)，減少了組合件的數(shù)量，這樣就可減輕結(jié)構(gòu)件的重量，提高結(jié)構(gòu)的整體性，縮短研制周期，降低制造成本。

隨著欽合金鑄件熱處理和過程控制技術(shù)的突破，鑄造欽合金的性能已達(dá)到了部分鍛件性能，可替代部分鍛件。通過部件組合，采用近凈形鑄造技術(shù)使得整體結(jié)構(gòu)性能提高，成本降低，并廣泛使用在航空裝備的關(guān)鍵部位。鈦合金鑄件的用量占機(jī)體重量7. 1%，在機(jī)體上大約有54個(gè)欽鑄件，機(jī)翼前、后側(cè)位鑄件較大，分別為87kg和58kg。通過采用的凝固過程控制、檢驗(yàn)技術(shù)及產(chǎn)品可預(yù)測性等了鑄件質(zhì)量和性能，并用于機(jī)翼與機(jī)體連接的“斷裂關(guān)鍵部位”。

3鋁合金鑄造技術(shù)

航空鋁合金鑄造技術(shù)主要包括熔模鑄造、石膏型鑄造和砂型鑄造，在發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)體、機(jī)載設(shè)備上應(yīng)用廣泛。熔模鑄造、石膏型鑄造主要用于中小零件鑄造。近年來，大型砂型鑄造發(fā)展，尺寸精度大幅度提高。綜合應(yīng)用上述方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和控制、澆注設(shè)備改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)尺寸1500m。左右、壁厚3m。以下的鑄件整體近凈成形，鑄件性能達(dá)到中等變形合金性能水平，替代部分鋁合金鍛件、飯金件和機(jī)加組合件，從而實(shí)現(xiàn)了減重、降低制造成本等目的。

航空鑄造技術(shù)發(fā)展趨勢

航空鑄造技術(shù)隨著航空裝備和民用航空產(chǎn)品升級換代而不斷發(fā)展。在成形精度、成形工裝、成形方法、成形過程控制到成形設(shè)備自動(dòng)化程度各個(gè)方而都隨著航空裝備換代發(fā)展而發(fā)展，在性、自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)性和性方而不斷改進(jìn)和提高。其總的發(fā)展趨勢是構(gòu)件的復(fù)雜整體化、成形的化、工藝設(shè)計(jì)和控制的全程化、檢測技術(shù)數(shù)字化。 

1構(gòu)件復(fù)雜整體化

為提高航空裝備性能、整體結(jié)構(gòu)性能和性，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低制造成本，縮短制造周期，將原來的幾個(gè)部件組合于一體，整體鑄造成形，其形狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出整體化、薄壁化和復(fù)雜化；此外， 為實(shí)現(xiàn)某些功能，將結(jié)構(gòu)與功能一體化，這也使得其形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜；另外，根據(jù)構(gòu)件在裝備中的使用特點(diǎn)和需要，有的大型整體結(jié)構(gòu)件的組織結(jié)構(gòu)要求均勻，有的大型整體結(jié)構(gòu)件不同 部位的組織結(jié)構(gòu)要求不一樣(如雙性能整體葉盤)，有的構(gòu)件對組織結(jié)構(gòu)控制有要求(如定向或單晶葉片)，所以組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜也是航空裝備構(gòu)件發(fā)展趨勢之一。

2成形化

為降低制造成本和縮短制造周期，結(jié)構(gòu)件形狀尺寸要求，即無或少加工余量。要求減少機(jī)械加工量90%以上，成本降低66%，這勢求其零件整體成形且尺寸。

3工藝設(shè)計(jì)和控制全程化

為滿足裝備、高性的需求，提高鑄件自身的性能和性，使其無(少)缺陷并根據(jù)構(gòu)件的使用特點(diǎn)和要求設(shè)計(jì)并控制各部位的組織結(jié)構(gòu)?？匦魏涂匦缘膹?fù)雜整體鑄件是新一代裝備研制和發(fā)展的基礎(chǔ)，其廣泛的研究和應(yīng)用大幅度提高了裝備的性能，對裝備的研制和發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。