鑄造航空業關聯性范文

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本文作者：姜不居呂志剛單位：清華大學

一、鑄造技術是航空工業的關鍵技術

制造技術是航空工業發展的基礎，航空制造技術又是制造業中的一項高新技術。航空制造技術中有六大關鍵技術，鑄造技術就是其中之一。因此鑄造的技術進步對加速航空產品的更新換代，提高新機種的性能，縮短產品的制造周期，大幅度減輕重量，以及減少能源消耗和降低成本上都具有非常重要的意義。特別是在航空發動機制造上，鑄造技術更有其重要的意義。

隨著航空工業的發展，要求大幅提高發動機性能，如燃氣渦輪發動機從第二次世界大戰以來其最大推力提高了50倍，推重比已達到10，渦輪葉片的工作溫度也提高了幾百度，而燃油消耗卻降低為原來的一半。為此，渦輪葉片從材質到結構都改變了，要生產出這些性能更好的渦輪葉片就要求鑄造技術的進步。

圖1是1960年以來渦輪葉片材質及工藝發展情況。由圖中可以看到，1960～2000年渦輪葉片的材質（美國牌號）從IN100、B1900到MM200、MM247，再發展到PWA1480、PWA1484、CMSX—11。同時因凝固技術的發展和應用，生產渦輪葉片的工藝，則從傳統的普通鑄造（等軸晶EQ）到定向凝固鑄造（DS），再發展到單晶鑄造（SC）葉片，見圖2。另外，為降低渦輪葉片工作溫度，葉片結構從實心向空心發展。圖3是形成葉片空心的型芯。如果沒有鑄造技術的進步就很難生產出新型的渦輪葉片，也就難于保證發動機性能的提高，因此說鑄造技術是航空工業的關鍵技術之一。鑄件在航空飛行器中，尤其是航空發動機中所占的比重也在逐年的增加。例如，美國GE公司制造的航空發動機1985年時鑄

二、航空工業中使用的鑄造材料及方法

航空工業中使用的發動機零件、結構件、附件有相當數量的鑄件。這些鑄件材料種類繁多，所用鑄造方法也很多。主要材料有高溫合金、不銹鋼、鈦合金和鋁合金等有色合金，以及復合材料等。隨著航空工業的發展，新材料的研制和使用在不斷前進，品種也在不斷增加。所使用的鑄造方法有熔模鑄造、石膏型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、離心鑄造和砂型鑄造等。航空用各種材料及鑄造方法所生產的典型鑄件見附表。如前所述，發動機渦輪葉片越來越復雜和精密，對于空心復雜葉片，熔模鑄造已成為其生產的獨一無二的工藝技術。另外，為減輕飛機重量、降低油耗、減少制造和維修周期，近年來很多結構件開始用大型復雜薄壁整體件代替組裝件，在生產此類鑄件上熔模鑄造也具有優勢。因此，在航空工業中使用的眾多鑄造技術中，熔模鑄造技術是應更加被關注的鑄造技術。

三、鑄造技術發展趨勢

這里僅以熔模鑄造技術為例，簡介國內鑄造技術發展的趨勢和與國外的差距。

1.鑄造新材料的研制

鑄造新材料的研制一直是鑄造技術發展的一個重要方面。航空材料要求能承受更高的工作溫度、有更高的強度、并具有如持久、蠕變、斷裂韌性，以及高、低周疲勞強度等其他良好的綜合力學性能，同時有良好的工藝性，以滿足航空工業發展的需要。例如，為滿足航空發動機的要求，國內外已形成系列高溫合金品種，而且還在不斷出現新品種。又如，鋁基復合材料硬度高、熱膨脹系數小、輕且耐磨，近年來已開始應用。圖4是用碳化硅/鋁合金生產的軍用直升機反光鏡（3個）和外罩，以滿足戰斗機在遇到極端溫度下還能正常工作。圖5是宇宙飛船上的管接頭零件，為Beralcast363金屬復合材料，剛度比鋁材高3倍以上，零件減輕了22%，并可很好地與石墨管匹配，減少焊接應力。目前，我國在新材料的研制方面與國外仍存在一定差距，主要是研制周期長，推廣應用慢，合金品種仍較少。2.鑄造工藝的發展航天工業的發展對鑄件的要求越來越高，從而促進了鑄造工藝技術的發展。

（1）鑄件要求越來越大型、精密、復雜、高強圖6是通用電氣公司CF—6—80C發動機用前機匣，它用于A310、A300、波音747、波音767和MD—11多種飛機，最大輪廓尺寸為1320.8mm。該件原為由88個零件形成的一個組裝部件，現被設計和制造為一個整體鈦合金精鑄件，重量僅為原來的45%，尺寸控制的更好，產品的力學性能也得到改善，同時大大減少了維修工作量。目前，這類大型精密復雜整體件已不罕見。圖7為美國PCC公司生產的2108.2mm的復雜鑄件。鑄件也越來越精密，除線性尺寸公差外，還對形位公差有要求。如ISO標準中熔模鑄件一般線性尺寸公差為CT4～6級，特殊線性公差可達CT3級，其鑄件表面粗糙度值也越來越小，可達Ra=0.8μm。鑄件結構越來越復雜，如渦輪空心葉片的內通道十分復雜。又如圖8所示的飛機控制系統零件，形狀復雜，內腔有許多空心通道，只有采用熔模鑄造方法生產，鑄件基本不加工就可使用。另外，對鑄件的強度要求更高。

（2）鑄造工藝技術進展對熔模鑄造發展影響較大的工藝技術有大型熔模鑄造技術、鈦合金精鑄技術、型芯技術、定向凝固和單晶技術、過濾技術、熱等靜壓技術、快速成形技術、計算機在熔模鑄造中應用及機械化和自動化等。大型熔模鑄造技術是建立在更好性能模料和型殼、大型壓蠟機和制殼機械手、更先進的熔煉技術和設備等基礎上的一整套先進技術。我國在這方面與國外相比尚有差距，國外現已能生產2.1m左右的大型熔案，模擬結果與實際情況一致。

1.在鋁合金壓鑄件上的應用

圖1是某廠生產的鋁合金艙體壓鑄件原始工藝方案充型過程模擬結果，從模擬結果看，在圖1a所示位置容易產生裹氣，實際生產也表明了這點，后改進了工藝方案，消除了裹氣缺陷。

2.在鋁合金低壓鑄件上的應用

圖2是某單位生產的鋁合金連接器低壓鑄件，該工藝實際生產有縮松缺陷，所在位置與模擬結果圖2所示的孤立液相一致，后改進工藝消除了縮松缺陷。圖3所示是鋁合金平板低壓鑄件凝固過程不同時刻液相與縮松、縮孔的分布圖，模擬過程中不僅考慮到了重力作

四、結語

鑄造CAE技術在優化鑄件工藝，降低廢品，以及提高鑄件質量等方面起著越來越重要的作用。近幾年，航空航天鑄件的生產企業及研究院所在采用鑄造CAE軟件解決鑄件缺陷，提高鑄件質量越來越普遍，這將進一步促進鑄造CAE技術的發展，為企業創造更大的經濟效益和社會效益。用，也考慮到凝固過程保壓期間的壓力作用。