《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄熔模鑄造

1 概述

熔模鑄造工藝具有鑄件表面質(zhì)量好、尺寸精度高、適用合金種類多、鑄件復(fù)雜、批量靈活等優(yōu)勢(shì)。但是，熔模鑄造工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，一般用于附加值相對(duì)高的鑄件的生產(chǎn)。我國(guó)20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)了用于工業(yè)產(chǎn)品鑄造的熔模鑄造工藝，并開(kāi)始在航空、汽輪機(jī)、汽車、拖拉機(jī)等制造領(lǐng)域推廣。之后又多次引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，經(jīng)過(guò)消化吸收及后續(xù)自主開(kāi)發(fā)，形成了我國(guó)目前的熔模鑄造工業(yè)體系[1]。一般把我國(guó)的熔模鑄造工業(yè)分成三個(gè)類別：采用水玻璃型殼的熔模鑄造工藝，采用硅溶膠或硅酸乙酯型殼（現(xiàn)已較少采用）生產(chǎn)高附加值鑄件的工藝，和采用硅溶膠型殼生產(chǎn)一般商用鑄件的工藝[2]。我國(guó)采用硅溶膠型殼工藝生產(chǎn)一般商用鑄件的工藝技術(shù)日趨成熟，在模料、硅溶膠、型殼耐火材料等原材料生產(chǎn)供應(yīng)，壓蠟、制殼、脫蠟、熔煉、清理等設(shè)備開(kāi)發(fā)以及熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)管理等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。水玻璃型殼工藝在我國(guó)的發(fā)展有特定的市場(chǎng)環(huán)境條件，技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在低溫模料和制殼硬化劑改進(jìn)、型殼質(zhì)量控制、生產(chǎn)機(jī)械化等方面。

目前，熔模鑄件幾乎覆蓋了航空、航天、軍工、能源、石化、交通、工程機(jī)械等的各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域及醫(yī)療、體育、藝術(shù)品等諸多行業(yè)。在我國(guó)，發(fā)展熔模鑄造工藝對(duì)于“兩機(jī)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）”工程的建設(shè)具有重要戰(zhàn)略意義。我國(guó)已經(jīng)明確提出了大涵道比大型渦扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)、F級(jí)及G/H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)等重點(diǎn)型號(hào)的研制路線圖[3]，對(duì)應(yīng)的高溫渦輪葉片、大型整體鑄造機(jī)匣等高難度鑄件的研制是型號(hào)成功的重要前提。

在熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)定向/單晶渦輪葉片熔模鑄造技術(shù)是先進(jìn)熔模鑄造技術(shù)的綜合體現(xiàn)，直接促進(jìn)了熔模鑄造在高溫合金熔煉及澆注工藝、定向/單晶凝固控制、型殼材料和陶瓷型芯技術(shù)等方面的進(jìn)步。其中，鈦合金熔模鑄造的技術(shù)進(jìn)步主要在于面層型殼制備和熔煉技術(shù)。以氧化釔為耐火材料、醋酸鋯為粘結(jié)劑的型殼體系得到成功應(yīng)用，而硅基面層粘結(jié)劑的工藝性更優(yōu)，也受到關(guān)注并實(shí)際應(yīng)用。真空自耗電極電弧凝殼爐則是當(dāng)前鈦合金熔模鑄造的主要熔煉設(shè)備，感應(yīng)式熔煉設(shè)備的研發(fā)在積極推進(jìn)。鋁合金熔模鑄造除了采用沾漿制殼方式獲得鑄型，還可以采用石膏作為粘結(jié)劑，以灌漿方法制備鑄型。石膏型熔模鑄造的關(guān)鍵技術(shù)之一在于石膏混合料的材料選擇和配制，現(xiàn)在已經(jīng)形成商業(yè)化的供應(yīng)。真空澆注、加壓凝固、振動(dòng)凝固等技術(shù)在鋁合金熔模鑄造中也得到應(yīng)用。

大型熔模鑄造的發(fā)展也促進(jìn)了熔模鑄造整體工藝的革新，大型壓蠟設(shè)備、重載制殼機(jī)械手、大型脫蠟釜、加熱設(shè)備、熔煉澆注設(shè)備等不斷涌現(xiàn)，有針對(duì)性的工藝研究也在持續(xù)進(jìn)行。新材料、新技術(shù)的引入對(duì)熔模鑄造工藝產(chǎn)生積極影響，例如快速成形技術(shù)與熔模鑄造技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更加靈活的生產(chǎn)組織?；谌勰ｈT造工藝特點(diǎn)的零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為熔模鑄造打開(kāi)了更廣的市場(chǎng)空間。綠色、節(jié)能技術(shù)保障了熔模鑄造可持續(xù)發(fā)展。

雖然熔模鑄造技術(shù)不斷進(jìn)步，但隨著裝備制造業(yè)的發(fā)展，金屬結(jié)構(gòu)件的形狀更復(fù)雜，精度要求更高，特別是航空航天、軍工、能源等產(chǎn)業(yè)對(duì)鑄件的要求更趨于嚴(yán)苛。熔模鑄造工藝也面對(duì)一些困難和挑戰(zhàn)：

1）熔模鑄件組織和性能控制更加嚴(yán)格。組織是鑄件獲得優(yōu)良性能的保障，但熔模鑄造工藝過(guò)程中，影響組織的因素多，機(jī)理復(fù)雜，特別是定向凝固組織和單晶的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的高溫性能實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

2）復(fù)雜陶瓷型芯制造和脫芯技術(shù)需求更加迫切。陶瓷型芯是熔模鑄造形成內(nèi)腔的重要手段。陶瓷型芯的難度在于既要保證力學(xué)強(qiáng)度，還要有利于從鑄件中脫除。如何平衡型芯抗破壞和變形能力與方便脫除的矛盾是工藝難點(diǎn)。當(dāng)鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜時(shí)，對(duì)陶瓷型芯的成形工藝也會(huì)提出更大挑戰(zhàn)。

3）大型鑄件生產(chǎn)中需要適用裝備和采用相應(yīng)工藝措施。尺寸精度控制、金屬液充型能力和補(bǔ)縮能力保證等技術(shù)手段也要相應(yīng)提高。

4）熔模鑄造的數(shù)字化、智能化存在挑戰(zhàn)。由于熔模鑄件形狀復(fù)雜、熱型澆注、充型方案多樣等特點(diǎn)使其模型的邊界條件更加復(fù)雜，材料熱物性參數(shù)對(duì)鑄造過(guò)程的模擬結(jié)果影響更大。熔模鑄件的合金種類也更多，關(guān)鍵熱物性參數(shù)的獲得和特殊條件下工藝模型的建立是技術(shù)難點(diǎn)和需要解決的問(wèn)題。熔模鑄造因?yàn)楣に嚟h(huán)節(jié)多，人為因素對(duì)整個(gè)工藝的可靠性影響大，通過(guò)機(jī)械化、特別是智能化改造，有利于熔模鑄造工藝技術(shù)水平的整體提升，但實(shí)現(xiàn)上存在技術(shù)難度。

5）綠色鑄造的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)不斷提高的環(huán)保要求，型殼材料的回用和廢物利用問(wèn)題，廢水、廢氣處理，除塵，噪音控制等仍需關(guān)注和進(jìn)一步解決。

總體看，熔模鑄造工藝面對(duì)問(wèn)題和挑戰(zhàn)，仍在不斷尋求突破，整體向鑄件要求極端化，合金種類多樣化，工藝手段綜合化和過(guò)程控制精細(xì)化方向發(fā)展。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定向、單晶空心葉片制造技術(shù)

2.1.1 現(xiàn)狀

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪前端工作溫度的不斷提升，定向/單晶葉片的生產(chǎn)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重要一環(huán)，而定向/單晶凝固控制技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)從20世紀(jì)60年代中鑄造出第一代空心鎳基高溫合金渦輪葉片，隨后開(kāi)始定向凝固合金和葉片的研制，目前已經(jīng)有了系列的定向和單晶合金，并掌握了定向/單晶凝固控制技術(shù)。水冷結(jié)晶快速定向凝固技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而為了實(shí)現(xiàn)高的凝固前沿過(guò)冷度，液態(tài)金屬冷卻定向凝固等新技術(shù)和裝備在不斷研發(fā)中[4]。與此同時(shí)，為了適應(yīng)定向凝固過(guò)程中金屬液保持高溫時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)型殼和型芯高溫性能要求高的條件，研制了適用的鑄型材料和陶瓷型芯材料及制備工藝。

在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，為了提高燃機(jī)效率，航空葉片制造技術(shù)向燃機(jī)領(lǐng)域拓展，用于燃機(jī)的高溫渦輪葉片也開(kāi)始采用定向/單晶技術(shù)。

為了更好地研究工藝參數(shù)對(duì)凝固組織的影響，減少實(shí)際生產(chǎn)中的試錯(cuò)過(guò)程，縮短產(chǎn)品試制周期和降低成本，國(guó)內(nèi)的研究者開(kāi)展了合金凝固組織的計(jì)算機(jī)模擬工作，模擬不同抽拉速度下葉片內(nèi)部的溫度分布，模擬葉片的微觀組織演變。

2.1.2 挑戰(zhàn)

伴隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)工作效率不斷提升的需求，葉片工作溫度還在不斷提升，相應(yīng)的定向及單晶葉片制造技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn)是：

1）隨著葉片結(jié)構(gòu)的變化，特別是重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片尺寸大，單晶控制難度增大，為了更好地實(shí)現(xiàn)定向凝固及單晶制備，需要高溫度梯度的定向凝固設(shè)備和對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行更加精準(zhǔn)地控制，減少和抑制由于工藝環(huán)境和形狀界面變化對(duì)凝固組織的影響。另外，為了實(shí)現(xiàn)更優(yōu)高溫性能的合金，以及減少昂貴合金元素添加等因素，高溫合金的研發(fā)仍在進(jìn)行，結(jié)合新合金的凝固控制工藝研究仍需細(xì)致開(kāi)展。

2）組織形態(tài)是定向/單晶是葉片獲得優(yōu)異高溫性能的重要條件，而組織的檢查和評(píng)價(jià)是對(duì)葉片工作可靠性保障的重要基礎(chǔ)。組織檢測(cè)及性能評(píng)價(jià)能力需要進(jìn)一步提高。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

定向葉片生產(chǎn)技術(shù)更趨成熟，成品率提升。單晶葉片滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和生產(chǎn)需求，定向、單晶葉片技術(shù)能夠滿足F級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)制造需求，葉片合格率超過(guò)70%.

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

全面掌握單晶葉片生產(chǎn)技術(shù)，成品率與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)。滿足G/H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)和未來(lái)研制要求。計(jì)算機(jī)對(duì)微觀組織演變的模擬技術(shù)成功應(yīng)用于工藝開(kāi)發(fā)實(shí)踐中。

2.2 大型、薄壁、復(fù)雜熔模鑄件近凈成形技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

為了滿足航空、航天裝備輕量化的需求，零件功能集成化和部件整體化帶來(lái)了對(duì)大型精密鑄件生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需求，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、航天發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等，這些用于高端裝備的零件，往往又同時(shí)具有形狀復(fù)雜、薄壁的特征。國(guó)際上生產(chǎn)的大型鈦合金鑄件直徑達(dá)2 m，最小壁厚1～2 mm.國(guó)內(nèi)的大型熔模鑄件生產(chǎn)也已專業(yè)化，裝備方面配備了適合大尺寸蠟?zāi)褐频膲合灆C(jī)、重型制殼機(jī)械手、大型真空熔煉裝備等。工藝方面也針對(duì)大型蠟?zāi)Ｄ＞叩脑O(shè)計(jì)、大型蠟?zāi)５钠唇右约跋災(zāi)?、型殼、鑄件尺寸的變化規(guī)律等進(jìn)行了探索，通過(guò)實(shí)踐總結(jié)了金屬液的充型、補(bǔ)縮規(guī)律，進(jìn)一步完善熔模鑄造條件下的鑄件工藝設(shè)計(jì)，基本滿足了我國(guó)新型航空、航天等領(lǐng)域的裝備研制和傳統(tǒng)型號(hào)的生產(chǎn)需求。

2.2.2 挑戰(zhàn)

隨著新型航空、航天裝備研發(fā)的不斷推進(jìn)，鑄件的尺寸更大，同時(shí)對(duì)鑄件的尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)在質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格，相應(yīng)的熔模鑄造技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn)是：

1）適用性大型裝備及工裝的研發(fā)。鑄件大型化同時(shí)帶來(lái)蠟?zāi)！⑿蜌さ拇笮突?。在熔模鑄造全工藝鏈條上，工藝裝備都需要有相應(yīng)的大尺寸物料容納能力，以及蠟?zāi)?、型殼、鑄件單體重量增加帶來(lái)的原材料供應(yīng)和夾持、裝載等適應(yīng)能力。在壓蠟機(jī)、制殼機(jī)械手、真空熔煉裝備等關(guān)鍵工藝裝備方面需要相應(yīng)的調(diào)整。對(duì)于一些關(guān)鍵的熔模鑄件，熱等靜壓是必要的后處理工藝，所以需要大裝載空間的熱等靜壓設(shè)備。

2）大型鑄件的精度控制和內(nèi)在質(zhì)量保證。大型、復(fù)雜鑄件的尺寸檢查和形狀矯正難度加大，需要對(duì)其在全工藝鏈條中的尺寸變化規(guī)律有更深入的理解和有效的控制才能從源頭提高精度。而鑄件內(nèi)在質(zhì)量也與諸多工藝因素有關(guān)，包括金屬液-型殼作用，外來(lái)雜質(zhì)控制，金屬液補(bǔ)縮。同時(shí)由于充型路徑復(fù)雜，金屬液流動(dòng)路徑長(zhǎng)帶來(lái)的不同鑄件部位性能的一致性控制等問(wèn)題凸顯。

3）對(duì)于大型鑄件生產(chǎn)，提供高穩(wěn)定性的型殼涂料體系也成為挑戰(zhàn)。大型鑄件的制殼需要大型涂料桶，涂料單次裝載量大而更換周期長(zhǎng)，需要更加穩(wěn)定的涂料體系，以防止由于涂料性能變化影響型殼質(zhì)量或由于涂料失效導(dǎo)致大量浪費(fèi)。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

滿足大涵道比大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制需要，整體鑄造機(jī)匣直徑超1 300 mm.提高量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)機(jī)匣等大型鑄件成品率。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

穩(wěn)定批量供應(yīng)大涵道比大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)商業(yè)運(yùn)營(yíng)需要，整體鑄造機(jī)匣直徑超1 500 mm.在大型、薄壁、復(fù)雜鑄件生產(chǎn)方面形成專業(yè)力量，完善材料、裝備、工藝體系。產(chǎn)品質(zhì)量接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.3 鈦合金新型熔煉方法及面層材料與型殼技術(shù)

2.3.1 現(xiàn)狀

鈦合金比強(qiáng)度高，耐腐蝕，在航空、航天、航海等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。但是鈦合金熔液具有高活性，會(huì)與絕大多數(shù)耐火材料反應(yīng)。鈦合金熔煉和對(duì)應(yīng)的熔模鑄造面層材料和制造技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合，成功開(kāi)展了高惰性氧化物陶瓷型殼的鈦合金熔模鑄造工藝的研究工作，實(shí)現(xiàn)了原材料的國(guó)產(chǎn)化，為我國(guó)航空、航天工業(yè)提供了穩(wěn)定的鑄件供應(yīng)。為了降低制殼材料成本和獲得更加穩(wěn)定的粘結(jié)劑，國(guó)內(nèi)的研究單位也開(kāi)展了多種粘結(jié)劑和耐火材料的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)驗(yàn)證。

鈦合金熔模鑄造的熔煉、澆注設(shè)備也對(duì)鈦合金熔模鑄造的生產(chǎn)具有決定性作用。真空自耗電極電弧凝殼爐仍然是主流設(shè)備，而可以實(shí)現(xiàn)更大金屬液過(guò)熱度的感應(yīng)熔煉設(shè)備尚處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中。由于鈦合金金屬液流動(dòng)性不佳，在充填復(fù)雜、薄壁鑄件時(shí)，多采用離心澆注。針對(duì)離心條件下的金屬液充填特征、組織狀態(tài)、缺陷規(guī)律等，研究者開(kāi)展了系統(tǒng)工作。

Ti-Al基金屬間化合物的應(yīng)用中，相應(yīng)的熔模鑄造工藝與鈦合金也具有一定共通性。但針對(duì)Ti-Al合金的鑄造特性，更多的工藝研究仍需進(jìn)行。

2.3.2 挑戰(zhàn)

作為一種重要的輕金屬，鈦合金在高端裝備中的應(yīng)用得以不斷拓展，但鈦合金本身是一種高活性金屬，在鑄造工藝實(shí)現(xiàn)中面對(duì)的挑戰(zhàn)是：

1）需要工藝穩(wěn)定性高的面層型殼體系。目前廣泛采用的面層型殼體系存在涂料穩(wěn)定性差，面層型殼易剝落等缺陷，容易引發(fā)鈦合金鑄件內(nèi)部夾雜。鈦合金熔體與面層的界面反應(yīng)形成的污染層對(duì)鑄件力學(xué)性能有影響，反應(yīng)機(jī)理及相應(yīng)的工藝控制手段也是需要著重解決的問(wèn)題。另外，隨著裝備可靠性要求的提高，對(duì)鑄件缺陷的標(biāo)準(zhǔn)制定也需要開(kāi)展研究，研究缺陷對(duì)鑄件性能的影響規(guī)律。熱等靜壓是提高鈦合金關(guān)鍵鑄件可靠性的手段，缺陷的修復(fù)機(jī)制也需要深入研究。

2）開(kāi)發(fā)新型大容量鈦合金熔煉設(shè)備。合格的金屬液是獲得高質(zhì)量鑄件的基礎(chǔ)。鈦合金熔煉具有較大的困難。感應(yīng)熔煉鈦合金是目前關(guān)注的熱點(diǎn)，當(dāng)前的感應(yīng)熔煉設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的熔煉量還偏低，可澆注的鑄件重量受到制約。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

現(xiàn)有工藝穩(wěn)定性提高，鑄件成品率提升。滿足航空航天裝備研發(fā)和現(xiàn)有裝備批量生產(chǎn)需求。對(duì)鈦合金熔模鑄造常見(jiàn)缺陷有更深入理解。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

鈦合金面層涂料穩(wěn)定性和型殼質(zhì)量提高，根據(jù)不同性能要求形成多種涂料體系。鈦合金熔煉工藝和設(shè)備取得突破，鑄造成本下降，在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。Ti-Al金屬間化合物熔模鑄造工藝成熟。

2.4 熔模鑄件復(fù)雜內(nèi)腔成形用的陶瓷型芯制備技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

熔模鑄造之所以能夠成形高復(fù)雜形狀鑄件，合理使用陶瓷型芯是重要的工藝手段。陶瓷型芯根據(jù)鑄件內(nèi)腔形狀預(yù)先制備，在壓制熔模時(shí)與熔模合為一體，經(jīng)過(guò)制殼脫蠟后，陶瓷型芯與型殼共同構(gòu)成鑄型，鑄造后陶瓷型芯從鑄件中脫除，這樣大大降低了鑄件內(nèi)腔的制殼難度，能夠形成復(fù)雜而細(xì)小、狹窄的內(nèi)腔形狀。熔模鑄造發(fā)達(dá)國(guó)家的陶瓷型芯技術(shù)相對(duì)成熟，并形成了專業(yè)化商品供應(yīng)。我國(guó)在陶瓷型芯研究方面也開(kāi)展了長(zhǎng)期研究，特別是針對(duì)定向和單晶葉片的陶瓷型芯。為了滿足長(zhǎng)周期熱作用下陶瓷型芯穩(wěn)定性要求，針對(duì)陶瓷型芯基體材料和礦化劑、型芯孔隙率控制方面進(jìn)行探索，硅基陶瓷型芯已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，鋁基陶瓷型芯的性能也在不斷改善。為了實(shí)現(xiàn)陶瓷型芯的良好脫除，多采用物理脫芯和化學(xué)脫芯聯(lián)合的方法，利用化學(xué)腐蝕、液流沖擊等手段，采用專用的脫芯裝置。

2.4.2 挑戰(zhàn)

陶瓷型芯是熔模鑄造工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)腔的重要手段，特別是對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件如葉片等而言，陶瓷型芯技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和質(zhì)量可靠性的提高，陶瓷型芯面對(duì)的挑戰(zhàn)是：

1）解決高復(fù)雜形狀陶瓷型芯的成形問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)更高溫度下工作的挑戰(zhàn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的對(duì)流、回流、氣膜冷卻向發(fā)散冷卻、層板冷卻方式改進(jìn)，葉片由單層壁向雙層壁、多層壁發(fā)展[5]，內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性提高帶來(lái)陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜。制造形狀復(fù)雜、具有更多微細(xì)結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯成為新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)制芯工藝的提升，或者新的制芯工藝的提出成為需要解決的問(wèn)題。

2）制備型芯工作強(qiáng)度與脫除性綜合優(yōu)化的陶瓷型芯的挑戰(zhàn)。滿足型芯在壓蠟、制殼、澆注過(guò)程中的抗破壞能力和提高型芯從金屬鑄件中脫除性能一直是陶瓷型芯面對(duì)的突出矛盾，尚沒(méi)有很好的解決方法。隨著型芯結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，矛盾更加突出。需要從陶瓷型芯強(qiáng)度形成機(jī)制出發(fā)，通過(guò)對(duì)陶瓷型芯成分的組分設(shè)計(jì)，優(yōu)化陶瓷型芯的組織、性能和通過(guò)制造方法的革新控制型芯孔隙率，在強(qiáng)度和脫除性方面尋得更好的平衡。

3）陶瓷型芯的脫除工藝與裝備的挑戰(zhàn)。陶瓷型芯的脫除依靠專門(mén)的裝備，脫芯效率與脫芯工藝和相應(yīng)的裝備有直接關(guān)系。型芯高效率脫除對(duì)于降低生產(chǎn)周期具有重要意義。型芯脫除后的型芯殘留檢測(cè)方法也需要特別關(guān)注。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

陶瓷型芯的專業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng)更趨完善。硅基陶瓷型芯應(yīng)用比較成熟，鋁基或其他高溫穩(wěn)定性更好的陶瓷型芯進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。陶瓷型芯技術(shù)滿足目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)和F級(jí)燃機(jī)空心渦輪葉片的需求。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

陶瓷型芯滿足下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和G/H級(jí)燃機(jī)渦輪葉片冷卻孔腔制造要求。高溫穩(wěn)定性好的陶瓷型芯制造工藝成熟。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷型芯制備工藝成熟，快速成形技術(shù)在陶瓷型芯制造中得以應(yīng)用。型芯脫除工藝和裝備更新，脫除效率得以提高。

2.5 熔模鑄造工藝的機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化改造

2.5.1 現(xiàn)狀

熔模鑄造工序流程長(zhǎng)，影響鑄件質(zhì)量的因素多，工藝穩(wěn)定性對(duì)鑄件質(zhì)量影響大。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化不僅有利于降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，更有利于減少人工干預(yù)，對(duì)高精度的工藝質(zhì)量控制具有重要意義。我國(guó)不同類型企業(yè)的裝備水平差別比較大。面向航空、航天、燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)高附加值鑄件的企業(yè)多裝備有現(xiàn)代化的裝備，關(guān)鍵裝備包括壓蠟機(jī)、制殼機(jī)械手、干燥線、脫蠟釜、焙燒爐、熔煉澆注裝置、后處理裝備及各種分析、檢驗(yàn)設(shè)備。一般商用鑄件的鑄造企業(yè)，考慮到資金投入限制，工藝設(shè)備在參數(shù)控制精度、自動(dòng)化程度等方面降低要求，壓縮了設(shè)備投入，降低運(yùn)行成本。

熔模鑄造生產(chǎn)的數(shù)字化也是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)熔模鑄造工藝的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和組織場(chǎng)的模擬軟件開(kāi)發(fā)持續(xù)進(jìn)行，為熔模鑄造工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化提供了好的基礎(chǔ)。另一方面，結(jié)合熔模鑄造企業(yè)管理，信息化采集和管理軟件也不斷進(jìn)步。

圖1 熔模鑄造技術(shù)路線圖

圖1 熔模鑄造技術(shù)路線圖

快速成形技術(shù)同樣具有制造復(fù)雜形狀的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)而言，高分子材料的快速成形技術(shù)更加成熟。用快速成形方法制造熔模，進(jìn)而采用熔模鑄造復(fù)制金屬鑄件的工藝已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中成功實(shí)踐。能夠自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、分析、集成，并對(duì)工藝進(jìn)行反饋，驅(qū)動(dòng)工藝裝備操作的智能化熔模鑄造生產(chǎn)模式正在逐步形成。

2.5.2 挑戰(zhàn)

為了實(shí)現(xiàn)熔模鑄造的工藝穩(wěn)定性和可靠性，工藝的控制更加重要。隨著鑄件要求的提升，熔模鑄造工藝在機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化和智能化方面面臨的挑戰(zhàn)是：

1）針對(duì)長(zhǎng)流程、多物料的生產(chǎn)過(guò)程的工藝跟蹤與數(shù)據(jù)采集存在難度。熔模鑄造是個(gè)高分子、陶瓷、金屬材料成形方法的集成，工藝過(guò)程經(jīng)歷多個(gè)工藝黑箱，工藝的數(shù)據(jù)采集具有一定難度。而缺乏工藝數(shù)據(jù)的支撐，制造過(guò)程的智能化就缺乏基礎(chǔ)。

2）針對(duì)復(fù)雜形狀的適用化裝備開(kāi)發(fā)有挑戰(zhàn)。熔模鑄造的工藝特點(diǎn)決定了其生產(chǎn)的鑄件往往具有形狀復(fù)雜的特點(diǎn)。特別是在多品種、小批量的情況下，工藝裝備對(duì)加工對(duì)象的形狀適應(yīng)性就非常重要，需要一定的柔性化系統(tǒng)。

3）采集熔模鑄造工藝數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效挖掘存在挑戰(zhàn)。熔模鑄造生產(chǎn)中，在諸多工藝環(huán)節(jié)中產(chǎn)生大量的工藝數(shù)據(jù)，熔模鑄造的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)依然是工藝優(yōu)化提升的重要基礎(chǔ)。如何有效地采集和管理數(shù)據(jù)，開(kāi)展必要的整理和挖掘，不斷豐富工藝知識(shí)庫(kù)是需要解決的問(wèn)題。針對(duì)物料種類多、工藝環(huán)節(jié)多的特點(diǎn)，加強(qiáng)過(guò)程跟蹤，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)制造過(guò)程智能化也非常必要。

4）快速成形工藝與熔模鑄造的深入結(jié)合存在挑戰(zhàn)。在熔模鑄造工藝進(jìn)步中，應(yīng)發(fā)揮不同工藝方法的各自優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)快速成形制造熔模的高精度、低成本、高效率發(fā)展。探索快速成形技術(shù)在型殼（鑄型）、型芯制造中的應(yīng)用。

2.5.3 目標(biāo)

1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

在工藝操作方面，更大范圍實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，減少人工?？焖俪尚渭夹g(shù)與熔模鑄造工藝進(jìn)一步融合，分步驟實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的全過(guò)程采集和分析，流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬軟件在更多企業(yè)得到應(yīng)用。

2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

在熔模鑄造企業(yè)全面實(shí)現(xiàn)信息化集成，大數(shù)據(jù)技術(shù)在企業(yè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用，數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)一步提升，在組織、性能模擬預(yù)測(cè)方面有更大范圍應(yīng)用。企業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和組織，適應(yīng)多品種小批量的快速工藝設(shè)定，優(yōu)化工藝路徑，快速實(shí)現(xiàn)鑄件供應(yīng)。建立完整的工藝和鑄件標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

3 技術(shù)路線圖

熔模鑄造技術(shù)路線圖如圖1所示。