铸造航空业关联性范文

本文作者：姜不居吕志刚单位：清华大学

一、铸造技术是航空工业的关键技术

制造技术是航空工业发展的基础，航空制造技术又是制造业中的一项高新技术。航空制造技术中有六大关键技术，铸造技术就是其中之一。因此铸造的技术进步对加速航空产品的更新换代，提高新机种的性能，缩短产品的制造周期，大幅度减轻重量，以及减少能源消耗和降低成本上都具有非常重要的意义。特别是在航空发动机制造上，铸造技术更有其重要的意义。

随着航空工业的发展，要求大幅提高发动机性能，如燃气涡轮发动机从第二次世界大战以来其最大推力提高了50倍，推重比已达到10，涡轮叶片的工作温度也提高了几百度，而燃油消耗却降低为原来的一半。为此，涡轮叶片从材质到结构都改变了，要生产出这些性能更好的涡轮叶片就要求铸造技术的进步。

图1是1960年以来涡轮叶片材质及工艺发展情况。由图中可以看到，1960～2000年涡轮叶片的材质（美国牌号）从IN100、B1900到MM200、MM247，再发展到PWA1480、PWA1484、CMSX—11。同时因凝固技术的发展和应用，生产涡轮叶片的工艺，则从传统的普通铸造（等轴晶EQ）到定向凝固铸造（DS），再发展到单晶铸造（SC）叶片，见图2。另外，为降低涡轮叶片工作温度，叶片结构从实心向空心发展。图3是形成叶片空心的型芯。如果没有铸造技术的进步就很难生产出新型的涡轮叶片，也就难于保证发动机性能的提高，因此说铸造技术是航空工业的关键技术之一。铸件在航空飞行器中，尤其是航空发动机中所占的比重也在逐年的增加。例如，美国GE公司制造的航空发动机1985年时铸

二、航空工业中使用的铸造材料及方法

航空工业中使用的发动机零件、结构件、附件有相当数量的铸件。这些铸件材料种类繁多，所用铸造方法也很多。主要材料有高温合金、不锈钢、钛合金和铝合金等有色合金，以及复合材料等。随着航空工业的发展，新材料的研制和使用在不断前进，品种也在不断增加。所使用的铸造方法有熔模铸造、石膏型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、差压铸造、离心铸造和砂型铸造等。航空用各种材料及铸造方法所生产的典型铸件见附表。如前所述，发动机涡轮叶片越来越复杂和精密，对于空心复杂叶片，熔模铸造已成为其生产的独一无二的工艺技术。另外，为减轻飞机重量、降低油耗、减少制造和维修周期，近年来很多结构件开始用大型复杂薄壁整体件代替组装件，在生产此类铸件上熔模铸造也具有优势。因此，在航空工业中使用的众多铸造技术中，熔模铸造技术是应更加被关注的铸造技术。

三、铸造技术发展趋势

这里仅以熔模铸造技术为例，简介国内铸造技术发展的趋势和与国外的差距。

1.铸造新材料的研制

铸造新材料的研制一直是铸造技术发展的一个重要方面。航空材料要求能承受更高的工作温度、有更高的强度、并具有如持久、蠕变、断裂韧性，以及高、低周疲劳强度等其他良好的综合力学性能，同时有良好的工艺性，以满足航空工业发展的需要。例如，为满足航空发动机的要求，国内外已形成系列高温合金品种，而且还在不断出现新品种。又如，铝基复合材料硬度高、热膨胀系数小、轻且耐磨，近年来已开始应用。图4是用碳化硅/铝合金生产的军用直升机反光镜（3个）和外罩，以满足战斗机在遇到极端温度下还能正常工作。图5是宇宙飞船上的管接头零件，为Beralcast363金属复合材料，刚度比铝材高3倍以上，零件减轻了22%，并可很好地与石墨管匹配，减少焊接应力。目前，我国在新材料的研制方面与国外仍存在一定差距，主要是研制周期长，推广应用慢，合金品种仍较少。2.铸造工艺的发展航天工业的发展对铸件的要求越来越高，从而促进了铸造工艺技术的发展。

（1）铸件要求越来越大型、精密、复杂、高强图6是通用电气公司CF—6—80C发动机用前机匣，它用于A310、A300、波音747、波音767和MD—11多种飞机，最大轮廓尺寸为1320.8mm。该件原为由88个零件形成的一个组装部件，现被设计和制造为一个整体钛合金精铸件，重量仅为原来的45%，尺寸控制的更好，产品的力学性能也得到改善，同时大大减少了维修工作量。目前，这类大型精密复杂整体件已不罕见。图7为美国PCC公司生产的2108.2mm的复杂铸件。铸件也越来越精密，除线性尺寸公差外，还对形位公差有要求。如ISO标准中熔模铸件一般线性尺寸公差为CT4～6级，特殊线性公差可达CT3级，其铸件表面粗糙度值也越来越小，可达Ra=0.8μm。铸件结构越来越复杂，如涡轮空心叶片的内通道十分复杂。又如图8所示的飞机控制系统零件，形状复杂，内腔有许多空心通道，只有采用熔模铸造方法生产，铸件基本不加工就可使用。另外，对铸件的强度要求更高。

（2）铸造工艺技术进展对熔模铸造发展影响较大的工艺技术有大型熔模铸造技术、钛合金精铸技术、型芯技术、定向凝固和单晶技术、过滤技术、热等静压技术、快速成形技术、计算机在熔模铸造中应用及机械化和自动化等。大型熔模铸造技术是建立在更好性能模料和型壳、大型压蜡机和制壳机械手、更先进的熔炼技术和设备等基础上的一整套先进技术。我国在这方面与国外相比尚有差距，国外现已能生产2.1m左右的大型熔案，模拟结果与实际情况一致。

1.在铝合金压铸件上的应用

图1是某厂生产的铝合金舱体压铸件原始工艺方案充型过程模拟结果，从模拟结果看，在图1a所示位置容易产生裹气，实际生产也表明了这点，后改进了工艺方案，消除了裹气缺陷。

2.在铝合金低压铸件上的应用

图2是某单位生产的铝合金连接器低压铸件，该工艺实际生产有缩松缺陷，所在位置与模拟结果图2所示的孤立液相一致，后改进工艺消除了缩松缺陷。图3所示是铝合金平板低压铸件凝固过程不同时刻液相与缩松、缩孔的分布图，模拟过程中不仅考虑到了重力作

四、结语

铸造CAE技术在优化铸件工艺，降低废品，以及提高铸件质量等方面起着越来越重要的作用。近几年，航空航天铸件的生产企业及研究院所在采用铸造CAE软件解决铸件缺陷，提高铸件质量越来越普遍，这将进一步促进铸造CAE技术的发展，为企业创造更大的经济效益和社会效益。用，也考虑到凝固过程保压期间的压力作用。