高溫合金鑄件鑄造技術(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)件的精密鑄造技術(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。先進(jìn)精密鑄造技術(shù)在傳統(tǒng)理論和方法的基礎(chǔ)上，與自動控制、計算機(jī)仿真等先進(jìn)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、鋁合金整體精密鑄件是飛機(jī)發(fā)動機(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，精密鑄造技術(shù)是先進(jìn)航空裝備和民用航空產(chǎn)品向輕量化、精確化、長壽命、低成本方向發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

精密鑄造技術(shù)在國外航空工業(yè)中的研究應(yīng)用情況

歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家綜合應(yīng)用現(xiàn)代新材料、新技術(shù)，在豐富成形基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，不斷研究和開發(fā)新工藝技術(shù)，對精密鑄造這一難以控制的成形工藝過程進(jìn)行控制，研制了大量優(yōu)質(zhì)、復(fù)雜、整體精密構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于航空裝備中，以提高部件整體結(jié)構(gòu)性能和可靠性，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高溫合金精密鑄造技術(shù)

高溫合金精密鑄造技術(shù)主要應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵熱端部件制造，如航空發(fā)動機(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)國家率先成功研究高溫合金近凈形熔模精密鑄造技術(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大大減少，性能顯著提高。近年來計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，更提高了熔模鑄件生產(chǎn)的成品率和可靠性，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更高承溫能力的同時必須具有更好的抗腐蝕性能、更長的持久壽命以及更低的成本。

1)在航空發(fā)動機(jī)葉片方面。自20世紀(jì)80年代以來，國外對發(fā)動機(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，已相繼研制出具有高效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)，并已將真實的鑄造葉片用于發(fā)動機(jī)的試驗。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)、精密鑄造技術(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。較新技術(shù)為采用CastCool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)動機(jī)的高壓渦輪葉片壁上添加冷卻通道，研究出了高效氣冷單晶空心葉片的精密鑄造技術(shù)。

2)在航空發(fā)動機(jī)葉盤精密鑄造方面。先進(jìn)航空發(fā)動機(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精密鑄造技術(shù)研究，并于20世紀(jì)末成功開發(fā)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)動機(jī)的使用壽命提高2一3倍，發(fā)動機(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)動機(jī)機(jī)匣類結(jié)構(gòu)件。該技術(shù)的突出點是整鑄過程中實現(xiàn)了致密充填與晶粒度細(xì)化復(fù)合控制，同時合金材料的利用率提高了50%以上。

2欽合金精密鑄造技術(shù)

美國于20世紀(jì)60年代開始研究應(yīng)用欽合金精密鑄造技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前處于世界先進(jìn)水平，開發(fā)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)動機(jī)的整體欽合金中介機(jī)匣的外形尺寸為φ1300mmX368mm，是目前世界上較大的欽合金精密鑄件，代表著先進(jìn)的欽合金精密鑄造水平。

針對航空用熱等靜壓欽合金鑄件研究，經(jīng)過多年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)件是安全可靠的，其性能和可靠性可與塑性變形構(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)點是消除了機(jī)械緊固連結(jié)，減少了組合件的數(shù)量，這樣可減輕結(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，并廣泛使用在先進(jìn)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個欽精密鑄件，機(jī)翼前、后側(cè)位鑄件較大，分別為87kg和58kg。通過采用先進(jìn)的凝固過程控制、檢驗技術(shù)及產(chǎn)品可預(yù)測性等確保了鑄件質(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鋁合金精密鑄造技術(shù)

航空鋁合金精密鑄造技術(shù)主要包括熔模鑄造、石膏型鑄造和精密砂型鑄造，在發(fā)動機(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，大型精密砂型鑄造發(fā)展迅速，尺寸精度大幅度提高。綜合應(yīng)用上述方法，結(jié)合計算機(jī)設(shè)計和控制、澆注設(shè)備改進(jìn)，可實現(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，從而實現(xiàn)了減重、降低制造成本等目的。

航空精密鑄造技術(shù)發(fā)展趨勢

航空精密鑄造技術(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)備自動化程度各個方而都隨著航空裝備換代發(fā)展而發(fā)展，在精確性、自動化、經(jīng)濟(jì)性和可靠性方而不斷改進(jìn)和提高。其總的發(fā)展趨勢是構(gòu)件的復(fù)雜整體化、成形的精確化、工藝設(shè)計和控制的全程化、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)性能和可靠性，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)控制有特殊要求(如定向或單晶葉片)，所以組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜也是先進(jìn)航空裝備構(gòu)件發(fā)展趨勢之一。

2成形精確化

為降低制造成本和縮短制造周期，結(jié)構(gòu)件形狀尺寸要求精確，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%，這勢必要求其零件整體成形且尺寸精確。

3工藝設(shè)計和控制全程化

為滿足裝備高性能、高可靠性的需求，必須提高鑄件自身的性能和可靠性，使其無(少)缺陷并根據(jù)構(gòu)件的使用特點和要求精確設(shè)計并控制各部位的組織結(jié)構(gòu)。精確控形和精確控性的復(fù)雜整體精密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)展起到了十分關(guān)鍵的作用。