鑄造有色合金

1 概述

鑄造有色合金，是用以澆注鑄件的有色合金，主要有鑄造鋁合金、鑄造鎂合金、鑄造鈦合金、鑄造銅合金、鑄造高溫合金等，近年來又發(fā)展出鑄造金屬間化合物[1-2]和鑄造高熵合金[3-4]。

鑄造有色合金可適用于多種鑄造成形技術(shù)，其在基礎(chǔ)制造產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，在航空、航天、船舶、汽車、軌道交通、化工、能源、電子電器和運(yùn)動休閑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.1 鑄造鋁合金

鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑，熔煉過程中易與水氣反應(yīng)而氧化并吸氫，導(dǎo)致鋁合金鑄件易產(chǎn)生氣孔和夾雜等缺陷。而精煉處理是預(yù)防產(chǎn)生氣孔和夾雜的主要技術(shù)手段。旋轉(zhuǎn)噴頭吹氣技術(shù)成為國外先進(jìn)的鋁液精煉技術(shù)的重要發(fā)展方向之一[5-8]，該技術(shù)用以替代現(xiàn)有的含氯精煉劑，精煉過程更環(huán)保、更安全。該技術(shù)的運(yùn)用，能夠使鋁合金鑄件的氣孔、針孔缺陷得以控制，有效提升冶金質(zhì)量。由于稀土元素具有明顯的化合脫氫作用，并兼有變質(zhì)作用，近來受到普遍重視[9-11]。在初生Al細(xì)化方面研究主要體現(xiàn)在兩方面：1）通過細(xì)化劑細(xì)化初生 Al相[12-13]；2）通過物理場細(xì)化初生相[14-16]，如超聲波場、磁場、電場等，而且通過物理場細(xì)化是今后的主要發(fā)展趨勢。

通過調(diào)整傳統(tǒng)鋁合金中的主要元素含量及各組元的比值，添加微量過渡族元素或稀土元素，從而改變合金中各種化合物的物理性能、尺寸和分布以開發(fā)出對應(yīng)各種不同需要的不同新合金。我國已開展Sc、Ce、Y、Y b等元素用于鋁合金的研究，對提高鋁合金的強(qiáng)韌性發(fā)揮了一定的作用。

在鑄造鋁合金新材料方面，鑄鋁的合金化國內(nèi)開展了很多研究，但應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化成果仍偏少，最大的差距體現(xiàn)在新的合金系研究，如高強(qiáng)韌鋁合金的整體研發(fā)水平與國外仍有差距。國內(nèi)在鋁精煉方面研究的深度、范圍及設(shè)備控制水平較國際先進(jìn)水平仍有待于提高。

1.2 鑄造鎂合金

鑄造鎂合金具有比強(qiáng)度和比剛度高、震動阻尼容量大，在汽油、煤油和潤滑油中性能穩(wěn)定等特點，廣泛用于航空航天、汽車和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

1）高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金[17-19]

高強(qiáng)耐熱鎂合金是國內(nèi)外的重點研究方向，通過稀土合金化提高鎂合金耐熱性能是當(dāng)前的研究熱點，開發(fā)的W E54鑄造合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到350 M Pa、250 M Pa和6%.

我國開發(fā)了多種高性能稀土鎂合金材料，如M g-Gd-Y-Z r 系 、M g-Gd-Y-Z n -Z r 系 、M g-Y-R E-Z r系、M g-N d-Z n-Z r系等，其中M g-Gd-Y-Z r系鎂合金材料在性能方面已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，金屬型鑄造合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到400 M Pa、300 M Pa和6%.

在鎂合金熔體凈化方面，開發(fā)了新型非熔劑保護(hù)熔煉技術(shù)和稀土元素添加工藝，減少了鎂合金中的熔劑夾雜物；開發(fā)新型鎂合金陶瓷過濾技術(shù)及相關(guān)裝置，開發(fā)了鎂合金吹氣凈化技術(shù)和相關(guān)裝置，降低了鎂合金中的氧化物夾雜和氣體含量。

2）超輕鑄造鎂鋰合金[20-23]

目前國內(nèi)關(guān)于鑄造鎂鋰合金的相關(guān)研究非常缺乏，這與鎂鋰合金的巨大應(yīng)用前景是不相符的。已研究了 Ag、Cu、Y、N d以及富 Ce稀土等添加對M g-5Li-3Al-2Z n合金組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些元素能夠有效提高鑄造鎂鋰合金的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率最大可分別達(dá)到220 M Pa、170 M Pa和20%.

M g-Li合金化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，因此在熔煉過程中必須采用特殊的方法和工藝對M g-Li合金施加保護(hù)。目前研究和生產(chǎn)中常用的保護(hù)方法主要有兩種：一種是采用常規(guī)鎂合金熔煉設(shè)備和工藝，施加覆蓋熔劑保護(hù)；另一種是采用真空感應(yīng)熔煉，采用惰性氣體保護(hù)，是目前制備M g-Li合金最適宜的方法。

1.3 鑄造鈦合金

鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性好等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。

1）高溫鈦合金[24-26]

高溫鈦合金鑄件主要用于航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤和葉片等，使用溫度可達(dá)600℃.

與一般鈦合金相比，鈦鋁化合物為基的Ti3Al（α2）和TiAl（γ），最大優(yōu)點是高溫性能好（最高使用溫度分別為816℃和982℃）、抗氧化能力強(qiáng)、抗蠕變性能好和重量輕（密度僅為鎳基高溫合金的1/2），這些優(yōu)點使其成為未來航空發(fā)動機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競爭力的材料。

已有兩個Ti3Al為基的鈦合金Ti-21N b-14Al和Ti-24Al-14N b-V-0.5M o在美國開始批量生產(chǎn)。Ti-48Al-2Cr-2N b合金目前已經(jīng)應(yīng)用于波音787機(jī)型。而我國自行開發(fā)的含N b鈦鋁合金也開始得到應(yīng)用。

2）耐腐蝕鈦合金[27-28]

隨著海軍現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，新型號、新工程中的鈦材應(yīng)用越來越多。

中國研制出具有自己特色的不同強(qiáng)度級別的近α型船用耐蝕鈦合金。Ti31合金是500 M Pa級的低強(qiáng)高韌耐蝕鈦合金，Ti75合金是630 M Pa級的中強(qiáng)高韌性耐蝕鈦合金，Ti-B19是一種高強(qiáng)耐蝕鈦合金，Ti80是一種高強(qiáng)、可焊的α型鈦合金。

3）低溫鈦合金[29]

鈦合金具有足夠的低溫韌性、更高的比強(qiáng)度、更低的熱導(dǎo)率與膨脹系數(shù)、無磁性等特點，在航空航天、超導(dǎo)等領(lǐng)域作為一種重要的低溫工程材料而備受關(guān)注。

我國在低溫鈦合金的開發(fā)方面起步比前蘇聯(lián)、美國、日本要晚，早期工作主要集中在對國外低溫鈦合金的仿制與性能表征等。開發(fā)了一種低溫鈦合金CT77，該低溫鈦合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度低于77K，其不但具有優(yōu)異的冷成形和熱成形性能，還具有良好的焊接性能，焊接系數(shù)大于0.90.

1.4 鑄造銅合金

銅合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用到國家建設(shè)的各個環(huán)節(jié)中，伴隨著近年來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，銅合金形成了兩個重要的發(fā)展方向：高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金及海洋工程用銅合金。

1）高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金[30-32]

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的一個重要應(yīng)用是高速鐵路列車用接觸網(wǎng)線。目前國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)能夠規(guī)模生產(chǎn)滿足300 km/h運(yùn)行所需的超高強(qiáng)銅合金接觸線。也已成功為時速超過350 km高鐵制備了高強(qiáng)高導(dǎo)接觸導(dǎo)線。時速超過350 km高鐵要求的接觸導(dǎo)線強(qiáng)度為600 M Pa以上，導(dǎo)電率為80%IACS以上，單根盤重2 500 kg.制備銅鉻鋯合金接觸線的難點在于非真空熔煉時Cr、Z r易氧化燒損，而真空熔煉又難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

2）船舶螺旋槳用銅合金[33-35]

螺旋槳是船舶動力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，世界上最大螺旋槳的成品重量已超過100 t.大型艦船用螺旋槳制備技術(shù)關(guān)乎國家核心技術(shù)，國外發(fā)達(dá)國家對這種制備技術(shù)相對保密，很難詳細(xì)獲知國外大型船艦用螺旋槳的制備進(jìn)程。

我國冶金質(zhì)量精確控制能力不夠成熟，一些高品質(zhì)高性能的銅合金產(chǎn)品仍需進(jìn)口。目前，我國缺乏良好耐腐蝕性能的銅合金，國內(nèi)的產(chǎn)品一般耐蝕性較差，如C70600，國內(nèi)產(chǎn)品的腐蝕速率高達(dá)國外同類產(chǎn)品的10倍。盡管我國已經(jīng)掌握超大型螺旋槳的制備技術(shù)，但制備產(chǎn)品的成分精度、腐蝕性能等均有很大的進(jìn)步空間。

1.5 鑄造高溫合金

高溫合金是指能在600℃以上的高溫環(huán)境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬材料。渦輪葉片合金由早期的變形高溫合金發(fā)展到鑄造高溫合金，鑄造高溫合金由等軸晶鑄造高溫合金發(fā)展到定向柱晶高溫合金及單晶高溫合金，使合金的承溫能力提高約400℃[36-39].

近年來，由于定向凝固柱晶渦輪葉片制造的整個工藝流程較短、成品率較高和檢測費(fèi)用較低，制造成本比定向凝固單晶葉片低，故定向凝固柱晶合金也得到了較大發(fā)展。國外定向凝固柱晶合金已由第一代發(fā)展到第三代，其性能水平不斷提高，其所適用的發(fā)動機(jī)性能水平（推重比）也在不斷提升。

我國已發(fā)展了K系列的數(shù)十個鑄造等軸晶高溫合金、D Z系列的十多個定向柱晶高溫合金、10余種DD系列單晶高溫合金。上述鑄造高溫合金在我國航空發(fā)動機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。我國鑄造高溫合金的整體成熟度低于國外航空制造技術(shù)先進(jìn)國家。

國內(nèi)典型的單晶高溫合金，其中DD3單晶高溫合金具有國外第一代單晶高溫合金的性能水平，且密度較低，價格較便宜；第二代單晶高溫合金DD6，該合金具有高溫強(qiáng)度高、綜合性能好、組織穩(wěn)定及鑄造工藝性能好等優(yōu)點。第三代單晶高溫合金DD9，該合金的力學(xué)性能與國外第三代單晶高溫合金力學(xué)性能相當(dāng)，并開始探索第四代單晶高溫合金。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鑄造鋁合金技術(shù)

2.1.1 現(xiàn)狀

國內(nèi)一些新興產(chǎn)業(yè)如高鐵、大飛機(jī)、新能源汽車等對優(yōu)質(zhì)高性能鑄造鋁合金需求量巨大，但高端鋁鑄件的制備仍需鑄造界的共同努力，特殊性能、特殊結(jié)構(gòu)的高端鑄鋁件制備與國外差距很大，未來需要國內(nèi)自主研發(fā)并替代進(jìn)口。

2.1.2 挑戰(zhàn)

鋁合金鑄件在國家各領(lǐng)域廣泛使用，無論是我國提出的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，還是目前已經(jīng)具有的各工業(yè)領(lǐng)域，都離不開鋁合金鑄件，且這種需求已顯現(xiàn)出加重、擴(kuò)大的態(tài)勢，原因有三：其一，由于環(huán)保和節(jié)能減排的要求，輕量化已成為世界主要發(fā)達(dá)國家均予重視，并爭相加大投入力度的新需求，而鋁合金及其鑄件的普遍使用是實現(xiàn)輕量化的最重要途徑；其二，高速鐵路、列車是我國為數(shù)不多的具有國際競爭力的拳頭產(chǎn)品，新一代大飛機(jī)項目也將成為類似高鐵及列車的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)對鋁合金鑄件需求量巨大，甚至不可或缺，鋁合金鑄件大有用武之地；其三，我國正在積極推進(jìn)企業(yè)結(jié)構(gòu)升級戰(zhàn)略，從國外應(yīng)用的普遍性對比，先進(jìn)、高端鋁合金鑄件完全代表了這一主流發(fā)展趨勢，這些采用新材料、新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)指標(biāo)的高端鋁合金鑄件，應(yīng)用量更大、應(yīng)用范圍更廣、應(yīng)用需求更多，完全可為企業(yè)結(jié)構(gòu)升級提供支撐。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

合金化新型鑄造鋁合金的研究：通過混合添加合金元素或者稀土，重點掌握鑄造鋁合金性能調(diào)控手段，揭示合金成分對組織及其演變過程的影響規(guī)律，掌握合金成分-工藝過程-性能的對應(yīng)關(guān)系。

高強(qiáng)韌鋁合金新材料開發(fā)與設(shè)計：通過合金設(shè)計，使鑄造鋁合金強(qiáng)度和韌性更高、重量更輕，同時抗腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性和損傷容限更好。在高強(qiáng)鋁強(qiáng)韌化機(jī)理及新合金等諸多難題仍有待于解決。滿足飛機(jī)、高鐵等高端產(chǎn)品向大型、高速、多載方向的發(fā)展要求。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

鑄造鋁合金凝固及固態(tài)相變過程的組織演變數(shù)值模擬技術(shù)：隨著計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，針對鋁合金凝固過程的組織演變開展研究，以及對其熱處理作用下的固態(tài)相變過程組織演變的模擬，可相應(yīng)的掌握其性能指標(biāo)，從而利用數(shù)值模擬結(jié)果為鋁合金鑄件成分設(shè)計、工藝優(yōu)化提供依據(jù)，同時為智能制造奠定基礎(chǔ)。

鑄造鋁合金回收再利用技術(shù)：廢舊的鋁合金件及鋁合金鑄造過程的工藝廢品等需要再生利用，該過程的主要技術(shù)難點是重熔過程中夾雜物及有害氣體的排除，利用傳統(tǒng)的精煉技術(shù)不能保證再生鋁的質(zhì)量，需要開發(fā)專門的熔煉技術(shù)。

2.2 鑄造鎂合金技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

我國鎂合金的研究起步較晚，還不能滿足在大型結(jié)構(gòu)件鑄造成形方面的需求。我國由于型號研制任務(wù)緊迫，材料研制時間短，研究過程缺少機(jī)理的深入研究，致使基礎(chǔ)積累不足。必須由以攻關(guān)任務(wù)為主導(dǎo)的投入模式，改變?yōu)橐约訌?qiáng)對共性科學(xué)問題和技術(shù)研究為主的方向，完善高性能鑄造鎂合金體系性能數(shù)據(jù)庫。

2.2.2 挑戰(zhàn)

目前，鎂合金工程化技術(shù)能力較薄弱。一是實驗室階段的基礎(chǔ)研究不夠深入，技術(shù)成熟度低；二是缺少中試研究條件，材料研制完成實驗室階段就直接過渡到工業(yè)化生產(chǎn)中，實驗室得出的工藝窗口在工業(yè)化條件下難以實現(xiàn)；三是現(xiàn)有生產(chǎn)工藝簡單、粗糙，國外許多的先進(jìn)生產(chǎn)工藝沒有掌握和應(yīng)用。為了獲得更好的高性能先進(jìn)鎂合金構(gòu)件，尤其是航空、航天、兵器等領(lǐng)域需要的大型鎂合金復(fù)雜構(gòu)件（例如重載直升機(jī)機(jī)匣、新一代飛行器機(jī)翼），必須發(fā)展針對先進(jìn)鎂合金材料應(yīng)用特性的精確控形控性制造工藝技術(shù)，滿足國防和民用需求。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金：進(jìn)一步完善M g-Gd-Y系鎂合金的研究，測試該類合金的熱物性參數(shù)和斷裂韌性等，豐富其數(shù)據(jù)庫；同時，開發(fā)新型M g-R E-Z n系鎂合金，研究M g-R E-Z n合金體系中精細(xì)結(jié)構(gòu)（析出相、LPSO結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶、細(xì)晶）的微觀特征和形成機(jī)制，探明熱/力及其耦合作用下的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及其調(diào)控原理，建立基于精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)制，并發(fā)展先進(jìn)控形控性技術(shù)。大規(guī)模熔鑄，突破鎂-稀土合金大容量熔煉與凈化技術(shù)，突破大規(guī)格鑄錠鑄造關(guān)鍵技術(shù)，突破直徑500 mm鑄錠冷卻技術(shù)；產(chǎn)業(yè)鏈的形成，與稀土主產(chǎn)地企業(yè)結(jié)合，提高稀土原材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和成熟度。形成高強(qiáng)度稀土鎂合金材料工程化生產(chǎn)能力，系統(tǒng)開展關(guān)鍵、重要、復(fù)雜零件制造技術(shù)研究及典型件的裝機(jī)考核。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

超輕鑄造鎂鋰合金：重點開發(fā)M g-Li-Al-Z n-R E系鎂鋰合金，探索稀土元素對鑄造鎂鋰合金的強(qiáng)化機(jī)理從強(qiáng)化相形成的熱力學(xué)和動力學(xué)角度入手，研究稀土元素在鎂鋰合金中的存在形式和強(qiáng)化作用。實現(xiàn)鑄造鎂鋰合金成分設(shè)計理論與方法的新突破，最終開發(fā)出原創(chuàng)性的鑄造鎂鋰合金牌號。研究覆蓋熔劑和保護(hù)氣體復(fù)合保護(hù)，揭示鎂鋰合金熔體阻燃保護(hù)機(jī)制和鎂鋰合金熔體凈化原理。有效抑制熔體的氧化燃燒，提高合金元素的收得率。通過熔劑凈化方法，大幅度提高鎂鋰合金熔體的純凈度。開發(fā)出鎂鋰合金液態(tài)成形技術(shù)原型，最終實現(xiàn)鎂鋰合金的低壓砂型鑄造成形，促進(jìn)鑄造鎂鋰合金在航天器上的應(yīng)用。

2.3 鑄造鈦合金技術(shù)

2.3.1 現(xiàn)狀

鈦合金在高強(qiáng)合金、耐熱合金、耐蝕合金、超導(dǎo)合金等各方面的應(yīng)用越來越廣。一方面，單項功能合金的需求日益提高，抗拉強(qiáng)度1 100 M Pa以下的鈦合金、600℃以下的耐熱合金已經(jīng)無法滿足下一代航天器的需求；另一方面，對全能合金的需求也是重中之重：發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片既需要耐熱，也需要抗拉強(qiáng)度；海洋平臺所用的鈦合金，既需要抗拉強(qiáng)度，也需要耐腐蝕。鈦鋁Ti3Al金屬間化物合金，在航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪、高壓壓氣機(jī)等溫度超過600℃的運(yùn)行環(huán)境有用武之地，5～10年內(nèi)可以替代比重較大的鎳基合金在850℃以下的環(huán)境中運(yùn)行，應(yīng)以重中之重對待。攻關(guān)高溫鈦合金生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，逐漸擺脫對國外設(shè)備的依賴，是鈦合金生產(chǎn)和創(chuàng)新的關(guān)鍵。攻關(guān)鈦合金熔煉的關(guān)鍵設(shè)備，是我們未來很長一段時間的兩大課題。利用這些關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)新型能夠有明確應(yīng)用方向的鈦合金新品種。

2.3.2 挑戰(zhàn)

以滿足對高溫高強(qiáng)為重點應(yīng)用目標(biāo)的高溫、高強(qiáng)鈦合金的開發(fā)和應(yīng)用，以深空探測、海洋和船舶低溫、耐腐蝕鈦合金為應(yīng)用目標(biāo)的鈦合金品種的開發(fā)，研究更高使用溫度的TiAl金屬間化合物的新材料，以及耐腐蝕鈦合金等。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

新型鈦合金：進(jìn)一步挖掘傳統(tǒng)鈦合金的高溫使用性能，使其使用溫度達(dá)到650℃.完善Ti2Al N b合金成分設(shè)計、建立組織-工藝-性能關(guān)系，使其使用溫度達(dá)到750℃.通過合金化和組織控制，進(jìn)一步提升TiAl化合物的性能，使其使用溫度達(dá)到800℃、室溫塑性穩(wěn)定在2%以上。開發(fā)海洋工程用耐腐蝕鈦合金，不斷提升該合金的強(qiáng)度，保持其韌性，改善其可焊性。提高低溫鈦合金低溫下的屈服強(qiáng)度及塑性，并有較好的斷裂韌性和屈服強(qiáng)度的匹配。保證該合金具有優(yōu)異的冷成形和熱成形性能，還具有良好的焊接性能。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo).

鈦及鈦合金廢料回收重熔的技術(shù)：研究發(fā)展新的真空熔煉鑄造設(shè)備，發(fā)展新的熔鑄方法，特別是真空感應(yīng)水冷銅坩堝凝殼爐的普及應(yīng)用推廣。鈦合金熔煉的關(guān)鍵設(shè)備如PA M離子束冷床爐熔煉，CCI M水冷坩堝感應(yīng)熔煉法，V I M（真空感應(yīng)爐熔煉），真空電弧熔煉（V A R），電渣熔煉（ES R），電子束熔煉（E BM），電子束冷室爐床熔煉（E B CH R）等需要在專業(yè)廠內(nèi)推廣。隨著鈦合金在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，鈦合金的廢品回收和重復(fù)利用是一個重要的研究課題。開發(fā)出鈦及鈦合金廢料回收重熔的新技術(shù)，確保在降低成本的同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.4 鑄造銅合金技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

高強(qiáng)和高導(dǎo)無法兼顧的問題一直困擾高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的設(shè)計。如何使固溶于銅基體的元素充分彌散析出是實現(xiàn)高強(qiáng)高導(dǎo)性能的關(guān)鍵所在，為此需要精確控制合金元素之間的結(jié)合與分布狀態(tài)，盡量減少固溶對導(dǎo)電率的負(fù)面影響。

超大型艦船用螺旋槳銅合金的合金元素含量以及分布決定著材料最終的力學(xué)性能及腐蝕性能，微量元素，尤其是微量的雜質(zhì)對腐蝕性能的影響都有可能是巨大的影響，這方面我國與國外存在很大差距。由于螺旋槳應(yīng)用在海水環(huán)境中，表面沒有涂層保護(hù)，會產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象和海洋微生物附著而影響其水動力性能。

2.4.2 挑戰(zhàn)

典型的軌道交通網(wǎng)線以及海洋工程用高性能銅合金為主要研究對象，以提升銅合金的力學(xué)、導(dǎo)電性能、耐蝕性等為導(dǎo)向，采用多元（粒子）銅合金成分設(shè)計，引入析出強(qiáng)化（或彌散強(qiáng)化）突破二元銅合金其力學(xué)性能與導(dǎo)電率互相矛盾的理論瓶頸，建立一套完整的軌道交通及海洋工程用鑄造銅合金鑄造成形的體系，達(dá)到各自的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能要求。

基于高性能銅合金的“設(shè)計-制備-加工-性能評價和壽命管理”的全流程技術(shù)路線，開展基礎(chǔ)研究工作，解決關(guān)鍵科學(xué)問題。從材料學(xué)、力學(xué)、冶金學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、控制學(xué)等多學(xué)科交叉融合的角度，對每一個環(huán)節(jié)涉及到的關(guān)鍵科學(xué)問題以及技術(shù)瓶頸進(jìn)行深入研究，尋找解決的方法。

4.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金：以高強(qiáng)高導(dǎo)的性能需求為導(dǎo)向，結(jié)合第一性原理、分子動力學(xué)理論，綜合考慮成分、組織與性能的對應(yīng)關(guān)系，對銅合金進(jìn)行成分設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計。以宏微觀變形組織為對象，結(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和能量耗散理論，采用實驗與模擬相結(jié)合的方法，研究高性能銅合金的組織、性能與內(nèi)應(yīng)力分布特征，建立大盤重銅合金坯材流變組織與內(nèi)應(yīng)力演變的宏微觀塑性變形理論，進(jìn)而獲取組織均勻性與內(nèi)應(yīng)力的調(diào)控方法。系統(tǒng)研究時效初期、中期、后期各個階段的相變規(guī)律，探究變形加工率、外加電磁場等對析出強(qiáng)化相的形態(tài)、大小及分布的影響，探討多元微合金化元素對時效過程的影響規(guī)律。掌握熔體凈化、除氣造渣的關(guān)鍵工藝參數(shù)，重點研發(fā)新型高效保護(hù)渣配以惰性保護(hù)氣氛取代真空條件，通過施加電磁場調(diào)控銅合金的鑄造過程以獲得均勻的成分與組織，降低鑄造缺陷。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

大型船艦螺旋槳用銅合金：以高強(qiáng)耐蝕的性能需求為導(dǎo)向，對銅合金進(jìn)行成分設(shè)計和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點研究不同微量元素對腐蝕性能的影響，開發(fā)易鑄造的高強(qiáng)高耐蝕銅合金，并加強(qiáng)研究熱處理工藝對腐蝕性能的影響。改進(jìn)熔煉及加工工藝，以提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，增加經(jīng)濟(jì)效益的同時減少能耗，減少污染，實現(xiàn)綠色制造。

2.5 鑄造高溫合金技術(shù)

2.5.1 現(xiàn)狀

經(jīng)過近60年的發(fā)展，我國已經(jīng)形成了主干鑄造高溫合金材料體系。隨著國外發(fā)動機(jī)的引進(jìn)，仿制了許多國外牌號的鑄造高溫合金。在型號牽引下，我國發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造高溫合金，目前形成了仿制國外合金與自主研制合金并存的現(xiàn)狀。長期以來，我國存在重型號研制輕合金研究的思想，導(dǎo)致很多合金的應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏，在缺少實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上就開始研制構(gòu)件使用，從而出現(xiàn)問題。目前，在認(rèn)識到上述問題的基礎(chǔ)上，著力推進(jìn)自主研制主干鑄造高溫合金材料，重視鑄造高溫合金的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的研制提供支持。

2.5.2 挑戰(zhàn)

隨著航空發(fā)動機(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，要求等軸晶鑄造高溫合金不斷提高使用溫度和高溫強(qiáng)度，這主要依賴于合金成分優(yōu)化設(shè)計和工藝進(jìn)步。對定向凝固柱晶高溫合金來說，系列化發(fā)展合金以適應(yīng)不同需求。對于單晶高溫合金，在第一代、第二代單晶高溫合金服役應(yīng)用的基礎(chǔ)上，做好工程應(yīng)用研究，繼續(xù)發(fā)展第三代、第四代單晶高溫合金，促進(jìn)應(yīng)用。

2.5.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)

等軸晶鑄造高溫合金：研制新型等軸晶鑄造高溫合金，根據(jù)合金化理論和冶金原理，設(shè)計出具有低密度、抗氧化和耐熱腐蝕性好、抗高溫蠕變疲勞、高損傷容限、高斷裂韌性的等軸晶鑄造高溫合金新型材料。采用快速凝固工藝可以降低合金元素偏析，使合金的成分、組織和性能穩(wěn)定，提高發(fā)動機(jī)批生產(chǎn)的可靠性。加強(qiáng)高溫合金大型復(fù)雜薄壁鑄件的熱控凝固技術(shù)和細(xì)化工藝研究，提高鑄件的冶金質(zhì)量和性能水平。

定向凝固柱晶高溫合金：發(fā)展更高性能水平的定向凝固柱晶高溫合金。目前國內(nèi)正在研制第二代定向凝固柱晶高溫合金。隨著R e、R u等合金元素在高溫合金中的應(yīng)用，有可能發(fā)展更高性能水平的第三代定向凝固柱晶高溫合金，以用于先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片與導(dǎo)向器葉片。發(fā)展抗腐蝕定向凝固柱晶高溫合金。地面燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展方向是大容量、高效率、高性能，其重要途徑是提高渦輪進(jìn)口溫度，這對燃?xì)鉁u輪高溫部件（渦輪葉片、噴嘴）使用材料提出了更高的要求。因此，研制和生產(chǎn)抗腐蝕定向凝固柱晶高溫合金渦輪葉片和噴嘴是今后一個重要的發(fā)展方向。

2）預(yù)計到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)

單晶高溫合金：發(fā)展新型單晶高溫合金的設(shè)計理論與方法，隨著單晶高溫合金的強(qiáng)化理論和合金設(shè)計理論的發(fā)展，出現(xiàn)了多種合金設(shè)計方法。建立在電子空穴理論和d電子理論基礎(chǔ)上的相計算（PHACO M P）和新相計算（N ew PHACO M P）方法，可以進(jìn)行合金成分設(shè)計，預(yù)測合金是否出現(xiàn)TCP相，評價現(xiàn)有合金在高溫長期暴露后的組織穩(wěn)定性。

單晶高溫合金中含有多種有害雜質(zhì)元素，如O、H、N、S、P、B i、Si、Sb、Pb、Sn、As等，這些有害雜質(zhì)元素對合金的塑性、韌性和其他力學(xué)性能有不利影響。為了減輕甚至消除這些不利影響，必須盡可能去除有害雜質(zhì)元素，提高單晶高溫合金的純凈度。單晶高溫合金正在向高純合金方向發(fā)展，在發(fā)展新型單晶高溫合金和應(yīng)用已有單晶高溫合金時，應(yīng)不斷提高合金的純凈度。

共性技術(shù)：改進(jìn)和提高合金的熔煉工藝和設(shè)備，將合金O、N、S等雜質(zhì)元素的含量控制在5×10-6以下，提高合金的冶金質(zhì)量水平。繼續(xù)發(fā)展定向凝固柱晶高溫合金雙性能整體葉盤。采用定向凝固技術(shù)鑄成柱晶組織的葉片與細(xì)晶組織的輪盤，從而獲得雙性能整體葉盤。目前，定向凝固柱晶高溫合金雙性能整體葉盤已獲得實際應(yīng)用。發(fā)展高溫度梯度定向凝固技術(shù)，高溫度梯度對單晶高溫合金的組織和性能有較大的影響，高溫度梯度對合金成分、顯微組織均勻性和致密性有明顯改善，使同一材料最大限度發(fā)揮材質(zhì)的潛力，提高單晶葉片的合格率與生產(chǎn)率，使葉片安全可靠。

3 技術(shù)路線圖

鑄造有色合金技術(shù)路線圖如圖1.

圖1 鑄造有色合金技術(shù)路線圖

圖1 鑄造有色合金技術(shù)路線圖

編寫組

組 長：蘇彥慶

成 員：王同敏，曲迎東，李嘉榮，吳國華，陳瑞潤

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