熔模鑄造在航空工業(yè)中的應(yīng)用

于江成

1 航空工業(yè)中常用鑄造方法

1.1 常用的鑄造方法及材料

鑄造技術(shù)是一種傳統(tǒng)的制造技術(shù)，與其他金屬成形方法相比有著眾多優(yōu)勢(shì)，如鑄造方法幾乎不受零件尺寸大小、壁厚和形狀復(fù)雜程度的限制，材料適應(yīng)性強(qiáng)和成本低廉等。鑄造技術(shù)獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，使其在航空工業(yè)中具有不可替代的地位，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件、結(jié)構(gòu)件、附件中很多薄壁件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件，空心零件只能通過(guò)鑄造實(shí)現(xiàn)。另外鑄造技術(shù)作為基礎(chǔ)制造技術(shù)，其工藝技術(shù)的進(jìn)步和新材料的應(yīng)用，對(duì)加速航空產(chǎn)品更新?lián)Q代，顯著提高新機(jī)性能，縮短航空產(chǎn)品的制造周期，大幅度減輕重量、降低成本具有非常重要的意義。

航空工業(yè)中使用的鑄造方法主要有：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。航空工業(yè)中常用鑄造方法及使用的材料見(jiàn)表1。[1]

在航空工業(yè)中，復(fù)雜薄壁的高溫合金、鈦合金、鋁合金整體鑄件是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體中的關(guān)鍵構(gòu)件，這些構(gòu)件形狀尺寸、組織結(jié)構(gòu)和性能直接影響飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)重系數(shù)、壽命等各種重要指標(biāo)。生產(chǎn)此類(lèi)鑄件熔模鑄造具有明顯優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片這類(lèi)復(fù)雜空心零件，熔模鑄造已成為其生產(chǎn)的唯一技術(shù)，因此，在眾多鑄造技術(shù)中，熔模鑄造技術(shù)更加受關(guān)注。

1.2 熔模鑄造的技術(shù)特點(diǎn)

20世紀(jì)40年代，由于航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，要求制造葉片、葉輪、噴嘴等形狀復(fù)雜，尺寸精確以及表面粗糙度要求較高的耐熱合金零件[2-3]，需要尋找一種新的精密成型工藝。借鑒于先進(jìn)精密鑄造技術(shù)和流程下來(lái)的失蠟鑄造，經(jīng)過(guò)對(duì)材料與工藝的優(yōu)化，現(xiàn)代熔模鑄造得以快速發(fā)展。某發(fā)動(dòng)機(jī)葉片通過(guò)熔模鑄造的制造過(guò)程如圖1所示。

2 國(guó)內(nèi)熔模鑄造的技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)熔模鑄造的技術(shù)發(fā)展過(guò)程

國(guó)內(nèi)的熔模鑄造技術(shù)是20世紀(jì)50年代完全按原蘇聯(lián)的工藝模式發(fā)展起來(lái)的，經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展歷程，從仿制到自行研制的過(guò)程。20世紀(jì)60年代，逐步擺脫了原蘇聯(lián)的工藝模式，走上了自行研制、創(chuàng)新發(fā)展的道路，研制成功了當(dāng)時(shí)航空工業(yè)發(fā)展所急需的一系列鑄造合金和鑄造工藝，滿足了當(dāng)時(shí)航空工業(yè)發(fā)展的需要。到了20世紀(jì)70年代初，航空工業(yè)在鑄造高溫合金熔模鑄造方面，相繼研制成功了鑄造高溫合金系列，成功地解決了蠟?zāi)：托蜌さ某叽缇群统叽绶€(wěn)定性。與此同時(shí)，也帶動(dòng)了其它金屬材料，如鋁、鐵等的航空精鑄技術(shù)的發(fā)展，把我國(guó)的航空鑄造技術(shù)推進(jìn)了一個(gè)全新的時(shí)期。

2.2 國(guó)內(nèi)熔模鑄造的技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的熔模鑄造技術(shù)經(jīng)過(guò)40多年的研究與發(fā)展，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)多方面的空白。目前許多領(lǐng)域與目前國(guó)際的先進(jìn)水平同步或差距很小。國(guó)內(nèi)航空鑄造技術(shù)的現(xiàn)狀見(jiàn)表2。[4]

3 熔模鑄造在航空工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 國(guó)外熔模鑄造在航空工業(yè)中的應(yīng)用

鑄造結(jié)構(gòu)件與組合結(jié)構(gòu)件相比，其優(yōu)點(diǎn)是消除了機(jī)械緊固連結(jié)，減少了組合件的數(shù)量，這樣就可減輕結(jié)構(gòu)件的重量，提高結(jié)構(gòu)的整體性，縮短研制周期，降低制造成本。歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家出于熔模精密鑄造的種種優(yōu)勢(shì)，對(duì)熔模精密鑄造成形工藝過(guò)程不斷優(yōu)化，同時(shí)綜合應(yīng)用新材料新技術(shù)，并不斷嘗試將新的研究成果應(yīng)用到實(shí)踐中。

在軍用飛機(jī)領(lǐng)域，美國(guó)新一代軍用飛機(jī)的目標(biāo)要求：質(zhì)量減輕50%，機(jī)身緊固件數(shù)量減少80%以上，批生產(chǎn)成本降低25%以上，制造周期縮短1/3-1/3。美國(guó)F-22第4代戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體中，鈦合金鑄件的用量占機(jī)體重量7.1%，在機(jī)體上大約有54個(gè)鈦精密鑄件，機(jī)翼前、后側(cè)位鑄件最大，分別為87kg和58kg，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼承力部位復(fù)雜薄壁整體鈦合金精密鑄件如圖2所示。

在大型運(yùn)輸機(jī)和民用航空領(lǐng)域，波音767-40ER飛機(jī)儀表盤(pán)采用精鑄成形，組成部分由296個(gè)零件減少為11個(gè)鑄件加53個(gè)零件，重量減少2.24kg，裝配工具數(shù)量減少90%，裝配時(shí)間由180小時(shí)減少為20小時(shí)，鉚釘數(shù)目減少600個(gè)，成本減少50%。波音飛機(jī)某機(jī)型襟翼采用精鑄一體成型，重量由4.5kg降低為4.4kg，裝配工具數(shù)量減少34.4%，材料利用率提高3.5%，機(jī)加和裝配費(fèi)用降低94.1%，制造成本降低49.5%。[5]

3.2 國(guó)內(nèi)熔模鑄造在航空工業(yè)中的應(yīng)用

隨著我國(guó)在航空、航天領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)鑄造技術(shù)也提出了更高的要求，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、民用航空等領(lǐng)域，各種大型、薄壁、復(fù)雜、整體、優(yōu)質(zhì)精密鑄件被采用。

在航天發(fā)動(dòng)機(jī)方面，由某研究所為神舟系列飛船研制的分離密封板、支架等20余種鈦合金精鑄件。采用熔模鑄造成形的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的Ti-6A1-4V壓氣機(jī)葉輪，公差為±0.127mm，表面粗糙度Ra=3.2μm，經(jīng)熱等靜壓（HIP）工藝處理可實(shí)現(xiàn)0.56mm極薄葉型的生產(chǎn)。[6]

在民用航空領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)某大型客機(jī)應(yīng)急門(mén)試制了熔模精密鑄造的整體門(mén)框，外形尺寸為1220×520×81mm，整體重量為13.49kg，門(mén)框橫梁、縱梁和邊框厚度為3左右，最薄處厚度為2mm。相比ARJ21飛機(jī)應(yīng)急門(mén)門(mén)框，零件數(shù)目減少166個(gè)，緊固件數(shù)模減少1858個(gè)，應(yīng)急門(mén)門(mén)框如圖3所示。

圖3 國(guó)內(nèi)某大型客機(jī)應(yīng)急門(mén)鑄造門(mén)框

目前，我國(guó)主要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，均配備有熔模精密鑄造車(chē)間（分廠），如沈陽(yáng)黎明、西安西航、貴州黎明、株洲南方等，中航工業(yè)集團(tuán)還建有熔模精密鑄造專(zhuān)業(yè)化工廠——貴州安吉航空精密鑄造有限公司。另外，國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)近年來(lái)在熔模精密鑄造成形理論與工藝技術(shù)的研究上也取得了很大的進(jìn)展。

4 結(jié)論

熔模鑄造可以實(shí)現(xiàn)大型、薄壁、復(fù)雜、整體鑄件的生產(chǎn)，該類(lèi)鑄件在應(yīng)用時(shí)具有近凈尺寸設(shè)計(jì)，提高材料利用率，降低加工成本，降低重量，直接安裝，降低裝配費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)，所以越來(lái)越多的被應(yīng)用在航空工業(yè)中。

本文闡述了國(guó)內(nèi)熔模鑄造的發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)狀，說(shuō)明了國(guó)內(nèi)不同鑄造材料，不同方法可以實(shí)現(xiàn)的鑄件的尺寸、重量、最小壁厚、表面粗糙度、鑄造精度等關(guān)鍵參數(shù)。并從航空、航天等領(lǐng)域闡述熔模鑄造在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況及其優(yōu)勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]呂志剛.我國(guó)熔模精密鑄造的歷史回顧與發(fā)展展望[J].鑄造，2012，61（4）：347-351.

[3]SAROJRANI P. BENNY K D. JHA P K. Developments in investment casting process-A review[J]. Journal of Material Processing Technology， 2012， 212： 2 332-2348.

[4]謝成木，王新英，南海，等.航空工業(yè)與鑄造技術(shù)[D].上海：第二屆有色金屬及鑄造國(guó)際會(huì)議論文集.中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)，2001-05：78-85.

[5]熊艷才.精密鑄造技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，2008，22：32-35.

[6]黃東，謝成木，南海，等.國(guó)外鈦合金熔模鑄造耐火材料的研究[J].特種鑄造及有色合金，2004（3）：47-49.