3.2.2 铸造技术
3.2.2 铸造技术
铸造专业目前应用的造型工艺主要是铝、镁合金砂型铸造，钛合金机加工石墨型铸造，具备少量的熔模精密铸造造型工艺；熔炼工艺主要是铝合金旋转喷吹，镁合金熔剂精炼，铝、镁合金变质处理和钛合金真空自耗电极电弧凝壳熔炼，以手工操作为主，少量实现机械式；浇注工艺主要是重力铸造、反重力铸造和离心铸造，反重力铸造实现了自动化控制。
造型工艺方面，高精度、近净形的造型工艺明显缺乏，再加上铸件的热处理变形，造成铸件尺寸精度低，机加工余量大，显著降低研制生产效率。
熔炼工艺方面，镁合金缺少高效率、低劳动强度的熔炼和精炼技术，难以实现高品质大吨位熔体的制备。只具备钛合金真空自耗电极电弧凝壳熔炼技术，无法控制熔体温度，且难以实现回炉料应用。
铸件成型及质量控制方面，目前具备的重力铸造、反重力铸造和离心铸造等基本工艺相对比较成熟，但在研制大型复杂整体铸件时，存在缺陷难以控制、工艺出品率低以及合格率低等瓶颈问题。
铸造专业目前应用的铸造材料主要为铝合金，镁合金，钛合金以及少量的铸钢和铜合金。铸造铝、镁合金的国标牌号比较齐全，并具备微合金化铝合金和高强耐热稀土镁合金的铸件研制生产能力；铸造钛合金的牌号主要为ZTC4 （Ti-6Al-4V），具备ZTA15、Ti6242等牌号钛合金铸件的研制能力。
铸造镁合金方面，目前的晶粒细化技术对大型砂型铸件的作用明显降低，难以实现镁合金铸件的强韧化，因而限制了高性能铸造镁合金的工程应用。
铸造铝合金方面，ZL114A合金目前只能达到该合金的国标性能水准，与高品质铸件的航标要求的差距还很大，因而限制了产品的应用领域。高强度ZL205A合金的性能存在较大不稳定性，影响产品的合格率和顺利交付。
铸造钛合金方面，在铸造钛合金方面，高温钛合金、高强韧钛合金的铸件明显缺乏，不能满足型号发展对耐高温构件的需求。
航天航空铸造专业着重发展铸造工艺和铸造材料，重点解决工程应用过程中遇到的瓶颈问题，并针对型号的发展方向进一步开展预先研究。在铸造工艺方面，重点发展大型复杂整体镁铝合金铸件铸造、钛合金熔模精密铸造、镁合金精密铸造、高品质大吨位镁合金熔体制备及浇注等技术；在铸造材料方面，重点发展铸造镁合金强韧化、铸造铝合金强韧化、铸造高温钛合金及钛基复合材料等技术。
1）大型复杂整体镁铝合金铸件铸造
针对型号对轻量化结构件提出的高质量、高精度、高效率研制需求，重点做以下工作。
①开展大型复杂整体镁、铝合金铸件的工艺技术攻关，突破铸造缺陷控制、非机加工面变形控制等关键技术，解决目前存在的铸造缺陷超标、尺寸精度低、工艺出品率低等该类铸件的共性质量问题。重点研究浇注系统和凝固冷却系统的设计与优化、大型复杂整体铸件的铸造过程数值模拟、凝固冷却变形规律分析与模具设计、热处理加热/冷却变形规律分析与工装设计、新型修补技术及应用等。
②开展熔模铸造、壳型铸造技术研究，突破浇注过程型壳阻燃、熔模精密铸造浇注系统设计等关键技术，提高镁合金结构件的液态成形极限和工艺出品率，解决常规的砂型铸造存在尺寸精度低、难以成形薄壁件的缺点。满足型号越来越倾向于复杂、薄壁的高性能结构件需求。
③开展铸造强韧化技术研究，突破Mg-Zr中间合金细化促进技术、反应细化技术、外场细化技术、微合金化时效促进技术等关键技术，提高铸造镁合金的强韧化水平，满足主承力构件提出的性能要求，解决镁合金铸件应用时遇到的强韧性低的问题。
④开展铸造镁锂合金的材料和研究，包括镁锂合金熔炼保护及精炼技术、镁锂合金成分及热处理工艺优化、镁锂合金铸造成形工艺性分析及典型件研制、实现镁锂合金熔体的高效高质量制备等，掌握合金铸造成形工艺性，优化合金力学性能，为镁锂轻质铸件的应用奠定工艺技术基础。图3-10所示为镁合金铸造件。
图3-10 镁合金铸造件
2）高温钛合金及钛基复合材料铸造
针对轻质耐高温构件需求，开展高温钛合金、钛及复合材料的铸造技术研究，包括高温钛合金/钛基复合材料真空熔炼技术、高温钛合金/钛基复合材料铸造成形工艺性研究、热处理与热等静压技术等，突破真空熔炼、后处理等关键技术，提高铸造钛合金构件的耐热温度，满足型号对耐高温的钛合金及钛基复合材料需求。图3-11所示为Ti-6Al-4V精密铸造件。
3）钛合金大型复杂薄壁中介机匣整体精铸技术
突破大型复杂薄壁钛合金中介机匣尺寸精度控制、表面缺陷、内部冶金质量控制等关键技术，研制出具有质量稳定的大型复杂薄壁钛合金中介机匣。主要研究内容包括：母合金纯净化研究，大型钛合金中介机匣尺寸精度控制技术；表面缺陷、粗糙度、粘污层控制技术研究；冶金质量控制技术；补焊对大型钛合金中介机匣疲劳等性能的影响；大型钛合金中介机匣高可靠性无损检测技术研究。图3-12所示为美国精密铸造公司生产的中介机匣。
图3-11 Ti-6A1-4V精密铸造件
图3-12 美国精密铸造公司生产的中介机匣
4）单晶双层壁叶片制备及应用技术
突破双层壁导向叶片制备过程中双层薄壁尺寸精度、单晶组织完善度控制等关键技术。形成第二代单晶双层壁导向叶片精密制造技术，研制出双层壁叶片工程试验件。主要研究内容包括：复层、多孔、多柱结构陶瓷型芯成形精度控制技术；单晶完善性控制技术；双层壁叶片内腔尺寸检测方法和冶金质量检测方法；双层壁叶片气膜孔加工技术。
5）定向高温合金多联导向叶片精铸技术
掌握多联体（四联体及以上）定向叶片整铸技术，研制出高可靠性、长寿命、低成本的导向叶片，并通过部件考核验证，建立多联体定向叶片的材料标准、工艺控制标准和质量验收标准，建立符合适航要求的材料性能数据库。主要研究内容包括：定向合金多联体低导叶片浇冒系统设计及其对凝固技术影响研究；定向合金多联体低导空心叶片用陶瓷型芯研究；定向合金多联体低导叶片型壳新材料及型壳制备研究；定向合金多联体低导叶片晶体缺陷与冶金缺陷控制技术研究；定向合金多联体低导叶片晶粒取向控制技术研究；定向合金多联体低导叶片尺寸控制技术研究。
6）燃烧室浮动瓦块制备技术
掌握浮动瓦块精密铸造工艺，研制出具有高可靠性、长寿命、低成本的燃烧室浮动壁瓦块，并通过相关考核验证，实现其成功应用；按适航审定的要求制定材料标准、过程控制标准和零件质量验收标准等，积累设计所需的性能数据。主要研究内容包括：浮动瓦块母合金锭制造技术；合金成分优化；纯净化熔炼工艺研究；痕量元素测试方法研究；力学性能测试评价方法研究；返回料利用技术研究。浮动壁瓦块精铸工艺控制技术：蜡模制备控制技术研究；浇注系统设计研究；浇注工艺参数制定技术研究；冶金缺陷控制技术研究；精铸过程尺寸精度控制技术研究；矫形工艺控制技术研究。图3-13所示为V2500的浮动瓦块。
图3-13 V2500的浮动瓦块
7）钛铝合金制备及应用技术
掌握钛铝合金制备和低压涡轮叶片的全面制造技术，建立钛铝合金低压涡轮叶片的材料标准，工艺控制标准和质量验收标准，实现钛铝合金在低压涡轮工作叶片的工程化应用。主要研究内容包括：钛铝合金的材料研制；净尺寸钛铝叶片精密铸造成型工艺优化研究；钛铝叶片模壳材料和制备工艺的研究；叶片结构设计和铸造工艺的迭代优化研究；铸造钛铝叶片热等静压和热处理工艺研究；铸造钛铝叶片尺寸精度控制技术研究；铸造钛铝叶片表面处理和表面完整性研究。图3-14所示为GEnx钛铝低压涡轮叶片。
图3-14 GEnx钛铝低压涡轮叶片