宇航工業(yè)中先進(jìn)的鑄造技術(shù)

　　在航空航天制造中，用整體鑄件代替鍛件及機(jī)械加工組合件，取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并且減少了產(chǎn)品的重量。由于整體鑄造技術(shù)的發(fā)展提供了   、大尺寸、高精度的整體鑄件，所以它成為宇航制造中   有吸引力的工藝技術(shù)之一。要獲得   高溫合金大型薄壁鑄件，關(guān)鍵技術(shù)如下：提高鑄件表面質(zhì)量和尺寸精度的制模、制殼技術(shù)：獲得   鑄件的熔煉、澆注成形技術(shù)以及選擇   材料和先進(jìn)設(shè)備。
1、熔模精鑄常用的模料
為了保證大型薄壁鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量，一般應(yīng)選用熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、膨脹收縮小的   材料。按模料的基體材料組成，可分為蠟基模料、樹脂基模料、塑料模料、填襯模料及水溶性模料。其中蠟基模料和樹脂模料已被廣泛使用，性能日益完善，這里主要介紹后三種模料：1)水溶性模料適用于生產(chǎn)大型薄壁精鑄件，主要水溶性模料有尿素基水溶性模料、純尿素模料、尿素—聚合物模料、聚乙醇基模料(由于價(jià)格高，故只作水溶性型芯而不作熔模)。日本現(xiàn)制出適于在0.7~1.5MPa范圍內(nèi)壓注成型，甚至可自由澆注的水溶性模料和DRN-1177模料。2)填襯模料分為氣體、液體和固體物質(zhì)填料三種，但因氣體填料對熔模的表面粗糙度產(chǎn)生影響，故很少應(yīng)用：液體填料受到溫度控制，應(yīng)用也不多。英國主要有水乳狀液填料和水—塑料填料，只是在整體渦輪等整體組合鑄件生產(chǎn)上使用。應(yīng)用   多的是固體模料，尤其是   在精鑄模料中大約一半以上都是加有固體粉末填料。3)塑料模料主要是聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)。由于該模料具有以下特點(diǎn)：a、密度和強(qiáng)度可根據(jù)發(fā)泡條件適當(dāng)改變；b、線膨脹系數(shù)約為蠟?zāi)５?/10；c、吸濕性?。籨、用有機(jī)溶劑容易粘接；e、易燃燒，便于脫模等特性。因此，近年來國外在精鑄件生產(chǎn)中應(yīng)用越來越多，前蘇聯(lián)早在70年代末就將該模料用于大型鑄件的生產(chǎn)，在   的應(yīng)用也非常廣泛。
2、制模、制殼技術(shù)
要獲得高溫合金大型薄壁鑄件，制殼工藝是一道很關(guān)鍵的工序。鑄型首先要有穩(wěn)定的材料做保證，其次在制殼工藝上要有相應(yīng)的保證措施，如大型型殼應(yīng)有較大的斷裂模數(shù)，從結(jié)構(gòu)上不應(yīng)是整體而以分層結(jié)構(gòu)為佳，制作大型型殼粘結(jié)劑硅溶膠中的SiO2含量應(yīng)高(當(dāng)膠粒直徑為14mm時(shí)，SiO2含量應(yīng)達(dá)到30%)、高聚物5%，涂料粘度應(yīng)大一些，粉液比高一些、制殼干燥時(shí)間需要長一些。
   TRW公司在制造大型薄壁鑄件時(shí)，為了保證大型薄壁鑄件的尺寸和表面質(zhì)量，在制殼上采用型殼分割工藝，該工藝包括，將一個(gè)完整型殼分割成若干部分，然后形成內(nèi)部型面和外部型面。
   Howent公司在生產(chǎn)某產(chǎn)品的大型框架時(shí)也采用了型殼分割工藝，將型殼分割成6個(gè)部分，再用陶器帽把這些分割部分固定在一起。涂制小截面的分割型殼是為了方便蠟?zāi)：托蜌ぶ谱?，并可以對每個(gè)型殼分割部分進(jìn)行檢查、修理和   換。
要提高制模、制殼技術(shù)，不僅需要好的工藝方法，還   有相適應(yīng)的先進(jìn)設(shè)備。目前日本研制出大型壓蠟機(jī)，   大合型力達(dá)300KN：英國Deritend公司用裝有專家系統(tǒng)軟件、高自動(dòng)化的機(jī)器人來制造   復(fù)雜的型殼，生產(chǎn)出了   、整體、公差均勻、壁厚小于lmm的鑄件。型殼采用真空干燥、熱氣流干燥等工藝，脫蠟采用微波技術(shù)：   TEMPCRAFT公司生產(chǎn)的V-3002型壓蠟機(jī)。MPI公司還研制出用于壓蠟機(jī)的高水平微機(jī)控制系統(tǒng)。   還開發(fā)了自動(dòng)組模機(jī)器人，被稱為熔模鑄造中的柔性制造系統(tǒng)(FMS)。在鑄造生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)制模、制殼自動(dòng)化，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，改善工作環(huán)境。
3、熔煉及澆注成形
熔煉及澆注成形是獲得   鑄件的關(guān)鍵程序之一。在合金熔煉過程中，由于鋁合金液的嚴(yán)重吸氣和氧化形成的各種夾雜物，使鑄坯或鑄件凝固時(shí)產(chǎn)生各種缺陷，輕則影響機(jī)械、加工及熱處理性能，重則導(dǎo)致報(bào)廢，危害甚大。因此，在澆注成形前   精煉處理，使鋁液中的氣體和夾雜物降至   低限度。旋轉(zhuǎn)噴吹精煉法是目前綜合效果   好，而且簡便易行，倍受國內(nèi)外重視的一種處理方法。該方法是利用旋轉(zhuǎn)噴頭向鋁合金液噴吹惰性氣體或活性氣體進(jìn)行浮游精煉，稱為RID法，操作時(shí)只須將旋轉(zhuǎn)噴頭插入鋁液內(nèi)通氣旋轉(zhuǎn)，便可進(jìn)行精煉。旋轉(zhuǎn)噴頭精煉法的效果十分顯著，具體表現(xiàn)在1)   的去氣效果，去氣率一般在50%~60%之間：2)明顯的除渣效果：3)適用性強(qiáng)，即可用于鋁液的大量連續(xù)處理，也可用于間歇處理，不受合金種類的限制，可隨時(shí)變換合金的品種或牌號：4)   無害，對環(huán)境   ：5)便于操作、維修。
在合金熔煉過程中還存在一個(gè)重要問題一一“晶粒的粗大”，由此割裂了基體，明顯降低了合金的機(jī)械性能。因此，   進(jìn)行變質(zhì)處理，改變合金的顯微組織，提高合金的機(jī)械性能。目前，挪威Hydek。公司開發(fā)的一種   適于亞共晶Al-Si鑄造合金用的變質(zhì)劑“TiBloy"，該變質(zhì)劑中的極細(xì)小混合硼化物粒子(Al，Ti)B2，在Al-Si合金中具有高的晶粒細(xì)化效果，并且不妨礙共晶相的變質(zhì)作用。經(jīng)試驗(yàn)證明：用“TiBloy”變質(zhì)劑細(xì)化的AlSi鑄造合金，鑄件的組織和性能有了重大的變化，提高了鑄件的質(zhì)量。
近年來MicrocastX法(簡稱MX法)細(xì)晶鑄造工藝已投入到高溫合金大型薄壁整體鑄件的規(guī)模生產(chǎn)。用MX工藝生產(chǎn)高溫合金熔模鑄件，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是低溫澆注，即將不超過熔點(diǎn)10~28℃范圍內(nèi)的合金液體澆入預(yù)熱的鑄型中快速凝固，并在澆注和凝固過程中伴以機(jī)械攪動(dòng)。   Howmet公司已建立了MX細(xì)晶鑄造專用設(shè)備，目前使用該法生產(chǎn)的鑄件已應(yīng)用到宇航制造業(yè)上。
高溫合金的熔煉和其它金屬熔煉有許多不同之處。因高溫合金中含有一些易氧化的元素，從而形成大量的夾雜物。為了提高鑄件的質(zhì)量，獲得高性能并且穩(wěn)定的鑄造合金，   保證其化學(xué)成分控制在要求的   范圍內(nèi)，通常是在熔煉過程中進(jìn)行光譜分析，然后通過校正化學(xué)成分而實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，   保證雜質(zhì)量   低以及專用微量添加元素量   佳。目前國外一般采用真空熔煉技術(shù)及真空澆注技術(shù)，高溫合金通常在真空感應(yīng)爐中熔煉，真空感應(yīng)爐是無心感應(yīng)熔煉爐，只是坩堝被裝在一個(gè)真空室內(nèi)。熔煉時(shí)，真空室被抽成真空，爐料在真空中熔煉和澆注。使用真空感應(yīng)爐熔煉金屬材料有兩大好處：一是可以把材料的大部分氣體如氫、氧和氮等   掉，從而提高材料的機(jī)械性能；二是金屬材料氧化損失少。目前國外生產(chǎn)真空感應(yīng)爐也有很大的發(fā)展，不僅生產(chǎn)出大容量的真空感應(yīng)爐，而且還建立了控制系統(tǒng)使其   自動(dòng)化，從而保證鑄件的質(zhì)量和鑄件間的一致性。
溶液的澆注速度對于鑄型的填充和材料晶粒尺寸的控制是非常重要。目前國外采用機(jī)械化澆注代替手工操作，保證了澆注的速度。
澆注溫度的選擇使鑄型得到良好的填充條件，溫度過高會(huì)引起晶粒尺寸粗大，產(chǎn)生縮孔和熱裂，溫度過低容易造成型腔充不滿，而使鑄件出現(xiàn)顯微縮孔，所以在熔煉過程中   控制好澆注的溫度。
澆注成形大型薄壁鑄件是一個(gè)比較復(fù)雜的技術(shù)，為了保證鑄件壁部分不發(fā)生欠鑄缺陷，一般采用離心澆注技術(shù)，并選擇合適的模溫和澆注溫度等參數(shù)，離心鑄造工藝有助于改善材料的拉伸性能、蠕變斷裂性能和裂紋擴(kuò)展特性。生產(chǎn)大型薄壁鑄件   具備大型真空離心鑄造設(shè)備。在澆注大型薄壁整體鑄件時(shí)，控制鑄件晶粒尺寸、形態(tài)和均勻性是十分重要的，因?yàn)檫@類鑄件容易造成鑄型澆不足，也很容易產(chǎn)生顯微縮孔，所以生產(chǎn)大型薄壁鑄件常采用細(xì)晶技術(shù)，對鑄件進(jìn)行整體晶粒細(xì)化。
4、應(yīng)用
航空航天事業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了高溫合金大型薄壁澆鑄技術(shù)的發(fā)展。英國AE公司在新型發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用了一系列渦輪和大型結(jié)構(gòu)精鑄件，這些鑄件的外形尺寸一般在300~600mm，   小壁厚0.8~1.5mm。   Howmet公司用整體鑄造技術(shù)生產(chǎn)了CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)排氣導(dǎo)向環(huán)，該鑄件直徑為557.5mm的整體環(huán)形件，其中有88個(gè)葉片用于引導(dǎo)壓縮空氣，材料是Inconel718。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)的擴(kuò)壓機(jī)匣和燃燒室外殼也都采用了整體鑄件。該公司生產(chǎn)的大型薄壁整體鑄件，還應(yīng)用到航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)組件中。CE公司的T700發(fā)動(dòng)機(jī)是   “黑鷹”武裝直升機(jī)所配套的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，它應(yīng)用了一系列的大型薄壁整體鑄件。
目前國外生產(chǎn)大型高溫合金薄壁鑄件已達(dá)到成熟應(yīng)用階段，我國在這方面的技術(shù)和工藝裝備水平仍較低，只有突破大型薄壁整體鑄件精鑄的關(guān)鍵技術(shù)，才能保證宇航產(chǎn)品的先進(jìn)性。