熔模精密铸件在航空航天领域的应用分析

熔模精密铸造在航空航天领域的应用 熔模铸造通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。可用熔模铸造法生产的合金种类有碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金和球墨铸铁等。 为了提高武器装备作战性能与部件整体结构性能及可靠性，减轻结构质量、降低制造成本、缩短制造周期，发达国家深入研究和应用复杂薄壁铸件精密铸造技术，并广泛应用于航空发动机、机体等关键构件的研制和生产中。一、熔模精密铸造技术特点与工艺流程 熔模铸件尺寸精度较高，一般可达CT4-6（砂型铸造为CT1013，压铸为CT57）。同时，通过将熔模铸造技术与自动控制、计算机仿真等先进技术相结合，大幅度提高了合金熔液的充填性能，实现铸件的完整充型及组织与尺寸精确控制，从而抑制铸造缺陷、提高铸件质量，进一步提高铸件的精度以及质量。 压制熔模时，采用型腔表面光洁度高的压型，因此，熔模的表面光洁度也比较高。此外，型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成，与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以，熔模铸件的表面光洁度比一般铸造件的高，一般可达Ra 1.63.2m。 熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。由此可见，采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时，大幅度节约金属原材料。熔模铸造方法的另一优点是，它可以铸造各种合金的复杂的铸件，特别可以铸造高温合金铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模铸造工艺生产不仅可以做到批量生产，保证了铸件的一致性，而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。熔模精密铸造工艺比较复杂，流程如下图所示：图熔模精密铸造工艺流程2、 熔模精密铸造技术在航空航天领域的应用 美国新一代军用飞机的目标要求：质量减轻50，机身紧固件数量减少80以上，批生产成本降低25以上，制造周期缩短1/31/2。除广泛采用新材料外，还需大量采用各种大型、薄壁、复杂、整体、优质精密铸件。可见，未来航空航天领域对于零件的要求是质量更轻、比强度更高、数量减少、体积变大、结构更复杂，同时降低生产成本与生产周期。为了实现以上目标，一次成形的熔模精密铸造工艺得到了广泛的运用。以美国某发动机STME为例，该发动机广泛采用了一次成形精密铸造工艺，将燃烧室零件数量减少50多个，焊接次数减少约90道，生产制造成本得以显著降低。 目前，熔模精密铸造技术在航空航天领域主要应用于铝合金、镁合金、钛合金、高温合金等零件的制造。1、铝合金铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、易成形、成本低等优点，因而在航空航天领域得到了大量应用。铝合金精密铸造技术是指大型、薄壁、复杂、整体、高性能铝合金构件无或少余量铸造，轮廓尺寸一般为1500mm左右、壁厚一般为3mm左右，铸件性能基本达到中等变形合金性能指标，为无或少加工余量。欧美等发达国家广泛采用整体精密铸造技术，研制出了各类大型薄壁整体结构铝合金精密铸件，用于先进作战飞机与机体、导弹发动机与弹体等关键部位，并替代部分铝合金锻件和钣金件。例如，黑鹰直升机发动机复杂薄壁整体机匣与壳体；F-16战斗机进气道唇口，美国战斧巡航导弹、BAT导弹等先进导弹壳体也采用铝合金整体精密铸件。铝合金熔模铸造一般采用石膏型或陶瓷型制壳。普遍运用旋转喷吹法精炼金属，加入Ti、B、Zr等元素细化晶粒、改善铸造性能。最后，熔模精密铸造主要采用反重力铸造，以提高金属液的充型能力，增强金属液对铸件的补缩效果,，获得平稳的液流。反重力铸造根据充型压力引入方式可分为低压铸造、真空吸铸和差压（正压或负压）铸造。2、镁合金镁合金具有比强度高、铸造成形性好、阻尼吸震降噪性能优越、电磁屏蔽能力强、机加工及表面装饰性能良好、易于回收利用等优点，因而在航空航天领域得到了广泛运用。早在20世纪50年代，镁合金就开始广泛应用于航空工业，在B236轰炸机上，共使用8600kg的镁，其中30%为镁合金精密铸件。近年来航空工业采用各种措施增加镁合金精密铸件的用量，如航空发动机零件、油箱隔板、飞机长桁、翼肋、飞机舱体隔框、直升机发动机后减速机匣、涡轮喷气发动机的前支撑壳体等各类承力与辅助构件。镁与水的反应激烈，反应放出大量的热，同时反应放出的氢与氧迅速反应及液态的水受热迅速汽化而发生猛烈爆炸，引起镁液的剧烈飞溅，故镁合金熔模铸造通常采用干砂型和石膏型制壳。由于镁合金熔液在大气条件下容易出现氧化燃烧的现象，故欧美等发达国家开发了镁合金熔炼、金属液输送、反重力浇注一体化气体保护技术，实现了镁合金精密铸件的批量生产。3、钛合金钛合金具有热强度高、低温性能好、耐蚀性好、耐热性高、导热弹性小等优点，相比于其他合金也有许多优势：(1) 可降低质量（代替钢和Ni 基合金）；(2) 抗腐蚀性好（代替Al合金和低合金钢）；(3) 减小体积（代替Al 合金）；(4)适合于高温应用（代替Al，Ni 和Fe 基合金）。因此，钛合金被广泛用于航空航天领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪5060年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。在过去，钛的精密铸造依赖于真空自耗电弧熔炼工艺，而现在主要采用冷坩埚加离心浇铸技术。法国一家公司开发了一种独特的冷坩埚感应熔炼并进行离心浇注的精密铸造工艺来生产钛合金铸件。由于采用了离心浇铸和随后的热等静压，铸件几乎不存在缩孔和疏松。此外，金属与铸型界面相互作用是影响铸件质量的首要因素。熔融的钛合金具有很高的化学活性，几乎可以与所有的耐火材料反应，在铸件表面形成污染层，恶化铸件的内在和外观质量。此外，钛铸件的其他几种主要缺陷也都和熔融钛与铸型的相互作用有关。因此，面层耐火材料的选择非常关键，而主要原则是保证型壳面层的惰性。目前，国际上主要使用惰性氧化（如ZrO2，Y2O3，ThO2）作为面层型壳材料，主要使用胶体氧化物类（如胶体氧化锆、胶体氧化钇等）和金属有机化合物类（如醋酸锆、硝酸锆等）作为面层粘结剂。4、 高温合金高温合金是指在760-1500以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能，已成为军民用燃气涡轮发动机热端部件不可替代的关键材料。早期高温合金采用等轴晶铸造，但其中温性能尤其是中温塑性很低，在工作过程中经常无预兆断裂。到20世纪60年代中期，发展了定向凝固的单晶高温合金技术，随后，美国Pratt & Whitney及TRW开发出单晶叶片，现在单晶合金已经发展到了第4代。到20 世纪70 年代，对高温合金材料的研究已经有了足够多的积，Howmet与Rolls Royce等公司进行了双性能整体叶盘材料与精密铸造技术研究，并于20世纪末成功开发了与之相应的成套精密铸造与净化熔炼技术，完整浇注出了叶片为定向柱晶、轮盘为等轴细晶的整体叶盘20世纪90年代中后期，Allision公司研制出了集合多孔层板冷却孔制造、精密铸造与材料制备技术，铸造出了具有高冷效的单晶Lamilloy合金涡轮叶片。 俄罗斯在现有发动机高压涡轮叶片壁上添加冷却通道，取得了高效气冷单晶空心叶片的精密铸造技术。2003年，GE公司综合使用电弧熔炼与滴铸技术成功地在带有低反应涂层的铝基陶瓷型壳中浇注了叶片模拟件，长度约为150mm，厚度为38mm，可满足推重比达15及以上燃气涡轮发动机所需。近年来，我国国内在大尺寸复杂超高温材料精密铸造关键技术上取得了一定进展，成功研制出了外廓尺寸为1080mm、最小壁厚达2mm的发动机涡轮机匣。突破了双层壁高效气冷单晶叶片精密铸造的主要关键技术，并研制出了高效气冷单晶叶片。在Nb-Si系超高温材料熔炼、合金化、制备工艺、热处理、涂层等方面开展了大量研究，并建立了相关工艺设备，初步实现了组织优化和控制。3、 熔模精密铸造技术新发展1、合金超纯净熔炼技术 精密铸件是优质材料与先进工艺紧密结合的产物，因此超纯净合金液是获得良好铸件的前提与首要条件。高温合金与钛合金离子束熔化、冷壁坩埚熔化、电磁无接触熔化以及铝合金旋转喷吹、真空熔炼、气体净化等技术有效纯净了合金液。2、快速成型技术快速成型制造技术包括SLS、SLA、SLM等成型方法, 集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果。与传统制造方法不同，快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD 实体模型或曲面模型文件，将实体模型转换成RP文件标准的STL格式，并对文件转换中出现的错误进行修补。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，用材料添加法并以激光为加热源，依次将每一层烧结或熔结并同时连结各层，直到完成整个零件。SLS 成型方法成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末或它们的混合粉末，根据工艺要求，选取相应的材料，从而快速堆积制作产品实体模型。 将快速成型技术与铸造技术结合起来,采用快速成型技术制造铸型或铸模,可极大提高铸造的柔性和生产效率,满足新品试制和小批量生产的需求,从而提高设计效率，加快研制周期。3、计算机辅助设计和铸造工艺优化仿真技术计算机技术的发展为传统铸造行业带来了革命性进步，随着数值模拟仿真技术的快速发展，实现了薄壁复杂整体精密铸件的计算机辅助设计与工艺优化，提高了工艺设计水平，缩短了产品的研发周期，计算机辅助设计整体流程见下图。图2铝合金精密铸件计算机辅助设计流程4、 总结 一方面，熔模精密铸造由于具有铸件尺寸精度高、可铸造复杂薄壁零件等优点，在航空航天领域发挥着日益重要的作用。另一方面，随着航空航天领域熔模精密铸件的结构与尺寸的日益复杂化与整体化，对熔模精密制造提出了更高的要求。根据实际需要，开发相应精密铸造造型原材料及关键热处理设备，控制与保证大型精密铸造结构件的整体尺寸精度，满足设计要求，缩短研制周期，将显得尤为重要。参考文献：1、樊振中、徐秀利、王玉灵、刘建军；熔模精密铸造技术在航空工业的应用及发展；特种铸造及有色合金；2014年第3期2、刘国利；铝合金熔模铸造技术现状及发展；特种铸造及有色合金；2010年第1期3、洪润洲；复杂薄壁铝合金精铸件浇铸工艺研究；材料工程；2000年第08期4、陈咏华；镁合金熔模精密铸造技术研究现状；铸造设备与工艺；2010年第12期5、肖树龙、陈玉勇、朱洪艳、田竟、吴宝昌；大型复杂薄壁钛合金铸件熔模精密铸造研究现状及发展；稀有金属材料与工程；2006年第05期6、赵明汉、邵冲、李俊涛、谢云鹏；高温合金精密铸造工艺技术的发展；新技术新工艺；2005年10期7、刘林；高温合金精密铸造技术研究进展；铸造；2012年第11期8、SAROJRANI.P、BENNY.K.D、JHA.P.K；Developments in investment casting process-A review；Journal of Materials Processing Technology；2012，212:2 332-2 3489、Zhang Y et al； Computer Methods in Applied Mechanic