鑄造航空業(yè)關(guān)聯(lián)性范文

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本文作者：姜不居呂志剛單位：清華大學(xué)

一、鑄造技術(shù)是航空工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)

制造技術(shù)是航空工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，航空制造技術(shù)又是制造業(yè)中的一項(xiàng)高新技術(shù)。航空制造技術(shù)中有六大關(guān)鍵技術(shù)，鑄造技術(shù)就是其中之一。因此鑄造的技術(shù)進(jìn)步對加速航空產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高新機(jī)種的性能，縮短產(chǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)制造上，鑄造技術(shù)更有其重要的意義。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，要求大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)從第二次世界大戰(zhàn)以來其最大推力提高了50倍，推重比已達(dá)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(zhì)到結(jié)構(gòu)都改變了，要生產(chǎn)出這些性能更好的渦輪葉片就要求鑄造技術(shù)的進(jìn)步。

圖1是1960年以來渦輪葉片材質(zhì)及工藝發(fā)展情況。由圖中可以看到，1960～2000年渦輪葉片的材質(zhì)（美國牌號）從IN100、B1900到MM200、MM247，再發(fā)展到PWA1480、PWA1484、CMSX—11。同時(shí)因凝固技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，生產(chǎn)渦輪葉片的工藝，則從傳統(tǒng)的普通鑄造（等軸晶EQ）到定向凝固鑄造（DS），再發(fā)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(jié)構(gòu)從實(shí)心向空心發(fā)展。圖3是形成葉片空心的型芯。如果沒有鑄造技術(shù)的進(jìn)步就很難生產(chǎn)出新型的渦輪葉片，也就難于保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，因此說鑄造技術(shù)是航空工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑄件在航空飛行器中，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)1985年時(shí)鑄

二、航空工業(yè)中使用的鑄造材料及方法

航空工業(yè)中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)零件、結(jié)構(gòu)件、附件有相當(dāng)數(shù)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(fù)合材料等。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，新材料的研制和使用在不斷前進(jìn)，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(chǎn)的典型鑄件見附表。如前所述，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片越來越復(fù)雜和精密，對于空心復(fù)雜葉片，熔模鑄造已成為其生產(chǎn)的獨(dú)一無二的工藝技術(shù)。另外，為減輕飛機(jī)重量、降低油耗、減少制造和維修周期，近年來很多結(jié)構(gòu)件開始用大型復(fù)雜薄壁整體件代替組裝件，在生產(chǎn)此類鑄件上熔模鑄造也具有優(yōu)勢。因此，在航空工業(yè)中使用的眾多鑄造技術(shù)中，熔模鑄造技術(shù)是應(yīng)更加被關(guān)注的鑄造技術(shù)。

三、鑄造技術(shù)發(fā)展趨勢

這里僅以熔模鑄造技術(shù)為例，簡介國內(nèi)鑄造技術(shù)發(fā)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(shù)發(fā)展的一個(gè)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(qiáng)度、并具有如持久、蠕變、斷裂韌性，以及高、低周疲勞強(qiáng)度等其他良好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)有良好的工藝性，以滿足航空工業(yè)發(fā)展的需要。例如，為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，國內(nèi)外已形成系列高溫合金品種，而且還在不斷出現(xiàn)新品種。又如，鋁基復(fù)合材料硬度高、熱膨脹系數(shù)小、輕且耐磨，近年來已開始應(yīng)用。圖4是用碳化硅/鋁合金生產(chǎn)的軍用直升機(jī)反光鏡（3個(gè)）和外罩，以滿足戰(zhàn)斗機(jī)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(fù)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(yīng)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(yīng)用慢，合金品種仍較少。2.鑄造工藝的發(fā)展航天工業(yè)的發(fā)展對鑄件的要求越來越高，從而促進(jìn)了鑄造工藝技術(shù)的發(fā)展。

（1）鑄件要求越來越大型、精密、復(fù)雜、高強(qiáng)圖6是通用電氣公司CF—6—80C發(fā)動(dòng)機(jī)用前機(jī)匣，它用于A310、A300、波音747、波音767和MD—11多種飛機(jī)，最大輪廓尺寸為1320.8mm。該件原為由88個(gè)零件形成的一個(gè)組裝部件，現(xiàn)被設(shè)計(jì)和制造為一個(gè)整體鈦合金精鑄件，重量僅為原來的45%，尺寸控制的更好，產(chǎn)品的力學(xué)性能也得到改善，同時(shí)大大減少了維修工作量。目前，這類大型精密復(fù)雜整體件已不罕見。圖7為美國PCC公司生產(chǎn)的2108.2mm的復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)CT3級，其鑄件表面粗糙度值也越來越小，可達(dá)Ra=0.8μm。鑄件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，如渦輪空心葉片的內(nèi)通道十分復(fù)雜。又如圖8所示的飛機(jī)控制系統(tǒng)零件，形狀復(fù)雜，內(nèi)腔有許多空心通道，只有采用熔模鑄造方法生產(chǎn)，鑄件基本不加工就可使用。另外，對鑄件的強(qiáng)度要求更高。

（2）鑄造工藝技術(shù)進(jìn)展對熔模鑄造發(fā)展影響較大的工藝技術(shù)有大型熔模鑄造技術(shù)、鈦合金精鑄技術(shù)、型芯技術(shù)、定向凝固和單晶技術(shù)、過濾技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)、快速成形技術(shù)、計(jì)算機(jī)在熔模鑄造中應(yīng)用及機(jī)械化和自動(dòng)化等。大型熔模鑄造技術(shù)是建立在更好性能模料和型殼、大型壓蠟機(jī)和制殼機(jī)械手、更先進(jìn)的熔煉技術(shù)和設(shè)備等基礎(chǔ)上的一整套先進(jìn)技術(shù)。我國在這方面與國外相比尚有差距，國外現(xiàn)已能生產(chǎn)2.1m左右的大型熔案，模擬結(jié)果與實(shí)際情況一致。

1.在鋁合金壓鑄件上的應(yīng)用

圖1是某廠生產(chǎn)的鋁合金艙體壓鑄件原始工藝方案充型過程模擬結(jié)果，從模擬結(jié)果看，在圖1a所示位置容易產(chǎn)生裹氣，實(shí)際生產(chǎn)也表明了這點(diǎn)，后改進(jìn)了工藝方案，消除了裹氣缺陷。

2.在鋁合金低壓鑄件上的應(yīng)用

圖2是某單位生產(chǎn)的鋁合金連接器低壓鑄件，該工藝實(shí)際生產(chǎn)有縮松缺陷，所在位置與模擬結(jié)果圖2所示的孤立液相一致，后改進(jìn)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(shí)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(jié)語

鑄造CAE技術(shù)在優(yōu)化鑄件工藝，降低廢品，以及提高鑄件質(zhì)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(chǎn)企業(yè)及研究院所在采用鑄造CAE軟件解決鑄件缺陷，提高鑄件質(zhì)量越來越普遍，這將進(jìn)一步促進(jìn)鑄造CAE技術(shù)的發(fā)展，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)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。