高溫合金精密鑄造技術及發展趨勢

鑄造技術是一門占老的、傳統的工藝技術。在航空工業中，各類高溫合金、欽合金、鋁合金復雜薄壁整體構件的鑄造技術應用廣泛，是航空工業中的關鍵制造技術之一。

鑄造的鮮明特點是成形構件的尺寸、組織和性能等受控于鑄造工藝方法和成形過程。鑄造技術在傳統理論和方法的基礎上，與自動控制、計算機仿真等技術相結合，向理論指導、過程控制和整體近凈成形的方向發展。

在航空工業中，復雜薄壁的高溫合金、欽合金、鋁合金整體鑄件是飛機發動機和機體中的關鍵構件，這些構件形狀尺寸、組織結構和性能直接影響飛機和發動機的性能、結構重量系數、壽命和制造成本等各種重要指標。因此，鑄造技術是航空裝備和民用航空產品向輕量化、化、長壽命、低成本方向發展的重要技術基礎。

鑄造技術在航空工業中的研究應用情況

歐美等工業發達綜合應用現代新材料、，在豐富成形基礎理論的基礎上，不斷研究和新工藝技術，對鑄造這一難以控制的成形工藝過程進行控制，研制了大量、復雜、整體構件，廣泛應用于航空裝備中，以提高部件整體結構性能和性，減輕結構重量，降低制造成本，縮短制造周期，滿足航空裝備的研制生產和發展的需要。

1高溫合金鑄造技術

高溫合金鑄造技術主要應用于航空發動機關鍵熱端部件制造，如航空發動機葉片、整體渦輪盤、整體機匣等。20世紀70年代，美、英、蘇等發達成功研究高溫合金近凈形熔模鑄造技術，并應用于工業化生產。隨著后來的熱等靜壓技術、高溫合金過濾凈化技術的發展，高溫合金熔模鑄件的冶金缺陷減少，性能顯著提高。近年來計算機技術的應用，更提高了熔模鑄件生產的成品率和性，定向空心葉片生產合格率達到90%以上，單晶空心葉片生產合格率達到80%。而隨著發動機推重比的不斷升級換代，其關鍵熱端部件的結構和材料發生了巨大的變化，結構向整體、薄壁空心方向發展，要求使用的材料具有承溫能力的同時具有的性能、更長的壽命以及的成本。

1)在航空發動機葉片方面。自20世紀80年代以來，對發動機的關鍵熱端部件—渦輪工作葉片和導向葉片的結構、材料及制造技術進行了深入的研究，已相繼研制出具有氣冷效果的葉片冷卻系統、材料和制造技術，制造的部件已經通過了發動機的全而考核。羅·羅公司一直在致力于研究高推重比發動機的關鍵熱端部件—Lamilloy和壁冷單晶葉片的結構與制造技術，并已將真實的鑄造葉片用于發動機的試驗。20世紀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、鑄造技術以及材料技術，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鑄造技術將超氣冷單晶葉片一次鑄成。俄羅斯在現有發動機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。

2)在航空發動機葉盤鑄造方面。航空發動機中葉盤需整體鑄造，其葉片為定向結晶組織，而輪盤組織為細晶組織，這種雙性能整體葉盤(DS/GX)是新一代航空發動機渦輪的發展趨勢。Howmet，羅·羅等于20世紀80年代開始了雙性能整體葉盤材料與鑄造技術研究，并于20世紀末成功了與之相關的成套鑄造技術及熔鑄設備技術，成功整鑄出了葉片為定向柱晶、輪盤為等軸細晶的整體葉盤，將現有燃氣渦輪發動機的使用壽命提高2一3倍，發動機功率增加7. 3%一9 .2%。

3)在高溫合金整體結構件方 而。20世紀末期由Carret， PCC公 司等研究出較新的大件整鑄技術(第 二代整鑄技術)，即熱控凝固工藝技 術，它是通過將鑄件合金凝固結晶 前沿的溫度梯度和冷卻速率控制在 等軸晶區域內實現了對大型復雜薄 壁構件內部致密度一晶粒度一組織 的原位復合控制的技術突破和創新， 整鑄出較大尺寸達1027mm，較小壁 厚為0. 8一1. 2mm，晶粒度控制在 1一5m。的發動機機匣類結構件。 該技術的突出點是整鑄過程中實現 了致密充填與晶粒度細化復合控制， 同時合金材料的利用率提高了50%以上。

2欽合金鑄造技術

美國于20世紀60年代開始研究應用欽合金鑄造技術，經過幾十年的發展，目前處于世界水平，出了熔模陶瓷鑄型技術、機加石墨鑄型技術和熱等靜壓技術等。發動機的整體欽合金中介機匣的外形尺寸為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，經過研究將欽合金鑄件應用到軍機上并經應用證明欽合金鑄件作為飛機機體構件是的，其性能和性可與塑性變形構件相媲美，而制造成本、生產周期都明顯優于塑性變形構件。鑄造結構件與組合結構件相比，其優點是了機械緊固連結，減少了組合件的數量，這樣就可減輕結構件的重量，提高結構的整體性，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的突破，鑄造欽合金的性能已達到了部分鍛件性能，可替代部分鍛件。通過部件組合，采用近凈形鑄造技術使得整體結構性能提高，成本降低，并廣泛使用在航空裝備的關鍵部位。鈦合金鑄件的用量占機體重量7. 1%，在機體上大約有54個欽鑄件，機翼前、后側位鑄件較大，分別為87kg和58kg。通過采用的凝固過程控制、檢驗技術及產品可預測性等了鑄件質量和性能，并用于機翼與機體連接的“斷裂關鍵部位”。

3鋁合金鑄造技術

航空鋁合金鑄造技術主要包括熔模鑄造、石膏型鑄造和砂型鑄造，在發動機、機體、機載設備上應用廣泛。熔模鑄造、石膏型鑄造主要用于中小零件鑄造。近年來，大型砂型鑄造發展，尺寸精度大幅度提高。綜合應用上述方法，結合計算機設計和控制、澆注設備改進，可實現尺寸1500m。左右、壁厚3m。以下的鑄件整體近凈成形，鑄件性能達到中等變形合金性能水平，替代部分鋁合金鍛件、飯金件和機加組合件，從而實現了減重、降低制造成本等目的。

航空鑄造技術發展趨勢

航空鑄造技術隨著航空裝備和民用航空產品升級換代而不斷發展。在成形精度、成形工裝、成形方法、成形過程控制到成形設備自動化程度各個方而都隨著航空裝備換代發展而發展，在性、自動化、經濟性和性方而不斷改進和提高。其總的發展趨勢是構件的復雜整體化、成形的化、工藝設計和控制的全程化、檢測技術數字化。 

1構件復雜整體化

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

2成形化

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

3工藝設計和控制全程化

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)缺陷并根據構件的使用特點和要求設計并控制各部位的組織結構。控形和控性的復雜整體鑄件是新一代裝備研制和發展的基礎，其廣泛的研究和應用大幅度提高了裝備的性能，對裝備的研制和發展起到了關鍵的作用。