反重力鑄造

《鑄造技術(shù)路線圖》摘錄

1 概述

反重力鑄造（Counter-gravitycasting簡稱CGC）一般指液態(tài)金屬在與重力相反方向力的作用下完成充型、補縮和凝固過程的的鑄造方法，是20世紀(jì)初發(fā)展起來的一種鑄造澆注成形工藝。起初主要是低壓鑄造，之后隨著工藝的進一步發(fā)展，形成了差壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄等多種工藝形式。反重力鑄造工藝適用性廣，可用于鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、高溫合金等多種合金材料，鑄件重量由幾十克到幾噸，鑄型可使用砂型、金屬型、熔模殼型、石膏型及石墨型等。

經(jīng)過多年的研究，我國反重力鑄造技術(shù)取得了眾多的研究成果。在民用領(lǐng)域，低壓鑄造是國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的反重力鑄造技術(shù)，工藝趨于穩(wěn)定和成熟。其中，汽車輪轂、高壓開關(guān)大型殼體、醫(yī)療設(shè)備結(jié)構(gòu)鑄件等一系列民用鋁合金鑄件技術(shù)水平已接近國外先進水平。在軍用領(lǐng)域，國內(nèi)反重力鑄造技術(shù)主要以低壓鑄造為主，對于具有特殊要求的鑄件采用差壓鑄造或調(diào)壓鑄造技術(shù)。在低壓鑄造工藝方面，已成功開發(fā)出一批接近國際先進水平的鑄件，如可達到美軍標(biāo)要求的導(dǎo)彈艙體鑄件、總體長度達到4 m的變截面薄壁復(fù)雜油箱鑄件、軍用航空發(fā)動機機匣鑄件等。在差壓鑄造工藝方面，國內(nèi)主要研制一些大型、厚壁鑄件。但由于差壓鑄造設(shè)備昂貴，工藝技術(shù)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，因此，應(yīng)用受到限制。在調(diào)壓鑄造工藝方面，近20年來，我國一些高校及科研院所針對大型薄壁鑄件或壁厚差大的鑄件展開了大量應(yīng)用研究，目前在石膏型、殼型、砂型鋁合金鑄件方面均有應(yīng)用報道。真空吸鑄主要用于小型高端優(yōu)質(zhì)鑄件的生產(chǎn)，如汽車增壓器葉輪、機載電氣控制箱等。在反重力鑄造裝備方面，我國目前已開發(fā)出容量3 t的大型鋁合金砂型低壓鑄造機，可以單次澆注鋁合金鑄件重量2.5 t以上，液面控制精度達到國際先進水平。此外，鎂合金保護氣體反重力鑄造以及集低壓、差壓和調(diào)壓于一體的多功能反重力鑄造裝備也頗具特色。

高溫合金、鈦合金、銅合金等高溫金屬材料的反重力鑄造技術(shù)與裝備及反重力與離心、反重力與擠壓、反重力澆注翻轉(zhuǎn)凝固、反重力液面懸浮充型重力補縮等創(chuàng)新形式的反重力鑄造技術(shù)及滿足大批量生產(chǎn)方式的高質(zhì)量金屬液制備和傳送模式、模具高效冷卻及控制技術(shù)、液面位置自動檢測系統(tǒng)等反重力鑄造輔助技術(shù)與主機技術(shù)的同步研究將得到重視。自動化、智能化、高效節(jié)能的反重力鑄造技術(shù)和裝備是我國今后的發(fā)展趨勢。

國外反重力鑄造技術(shù)具有更多創(chuàng)新性和成套性特征。如英國公司開發(fā)的Cosworth工藝，它是一種精確樹脂自硬砂的組芯造型，在可控氣氛、壓力下充型的鑄造工藝，利用該工藝西方發(fā)達國家開發(fā)出汽車發(fā)動機缸體、缸蓋、排氣管等多種精密鑄件產(chǎn)品[1]。另外，Aloca公司開發(fā)了一種真空無冒口鑄造/壓力無冒口鑄造（VRC/PRC）工藝。實現(xiàn)了“自頂向下”的定向凝固順序，獲得批量接近零縮孔的鑄件，并縮短循環(huán)周期。此外，保加利亞開發(fā)了一模多件的差壓鑄造技術(shù)，并成功用于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)批量生產(chǎn)；德國庫茲開發(fā)出具有先進模具冷卻及金屬輸送、分配技術(shù)的高精度、高效率汽車轉(zhuǎn)向節(jié)低壓鑄造裝備，產(chǎn)品性能達到差壓鑄造水平，而前者更具成本和效率優(yōu)勢[2]。在軍工領(lǐng)域，美國H ICHCOCK公司開發(fā)出反重力冷硬樹脂砂精密鑄造技術(shù)，利用該技術(shù)可生產(chǎn)出整體壁厚2 mm的薄壁復(fù)雜鋁合金鑄件，如導(dǎo)彈薄壁殼體鑄件、油箱類鑄件、軍用航空發(fā)動機機匣鑄件、戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)鑄件等，替代傳統(tǒng)的機加、鉚接工藝。

除鋁、鎂等低熔點合金外，高溫合金、鈦合金等高熔點易氧化合金材料的多種反重力鑄造技術(shù)已經(jīng)在部分軍工企業(yè)得到成功應(yīng)用。另外，銅合金小型五金鑄件反重力鑄造已得到大批量成熟應(yīng)用。上述技術(shù)國內(nèi)還近乎空白。

當(dāng)前，工業(yè)發(fā)達國家正在開展工業(yè)智能化、信息化革命，國外反重力鑄造技術(shù)未來的發(fā)展趨勢將向著主輔機高度配套及高可靠性方向發(fā)展，新形式及復(fù)合模式的反重力鑄造技術(shù)將會不斷涌現(xiàn)，而生產(chǎn)過程的智能化、信息化是總的發(fā)展趨勢。

近年來，國內(nèi)反重力鑄造技術(shù)取得了長足的進步，在大型和多功能反重力鑄造技術(shù)與裝備方面具有優(yōu)勢和特色。但與國外相比，尚存在較大差距，主要表現(xiàn)在：

1）在差壓鑄造、調(diào)壓鑄造、真空吸鑄等特種反重力鑄造技術(shù)方面開展的研究尚不夠充分，特別是在應(yīng)用技術(shù)研究方面較為落后，缺乏工藝適應(yīng)性選擇的支撐數(shù)據(jù)和國際先進水平典型產(chǎn)品批量生產(chǎn)的應(yīng)用示例。

2）以復(fù)雜缸體為代表的“組芯”反重力鑄造技術(shù)缺乏，對于部分采用反重力鑄造成形的鑄件產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)指標(biāo)和生產(chǎn)效率，無法達到如國外開發(fā)的C o s wor t h工藝大批量生產(chǎn)的水平。

3）滿足汽車高要求結(jié)構(gòu)件（如轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架等）的金屬型反重力鑄造技術(shù)和裝備缺乏，該類產(chǎn)品生產(chǎn)裝備和模具主要還采用進口。

4）高溫合金、鈦合金、銅合金等高溫或易氧化合金材料的反重力鑄造裝備和技術(shù)研究較少，滿足不了市場需求。

5）反重力與離心、反重力與擠壓、反重力澆注翻轉(zhuǎn)凝固、反重力液面懸浮充型重力補縮等創(chuàng)新形式的反重力鑄造技術(shù)的研究不夠深入，反重鑄造技術(shù)與國外相比不夠系統(tǒng)和完善。

6）滿足大批量生產(chǎn)方式的高質(zhì)量金屬液制備和傳送模式、模具高效冷卻及控制技術(shù)、液面位置自動檢測及補償控制系統(tǒng)等反重力鑄造輔助技術(shù)與主機技術(shù)的同步研究較少，高效節(jié)能的自動化及智能化反重力鑄造技術(shù)和裝備缺乏。

形成國內(nèi)外反重力鑄造技術(shù)差距的主要原因是由于國內(nèi)的反重力鑄造技術(shù)研究力量分散，工藝、機械、液壓、電氣控制協(xié)同不暢，成套技術(shù)薄弱，結(jié)果造成裝備技術(shù)研究與工藝技術(shù)研究脫節(jié)，主機制造與輔機配套脫節(jié)，針對特殊要求的產(chǎn)品，成套解決方案創(chuàng)新能力不足。

為了解決國內(nèi)反重力鑄造工藝缺乏應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)研究和應(yīng)用不足的問題，可以采用如下解決措施：首先，組織國內(nèi)反重力鑄造工藝、機械、液壓、電氣控制、產(chǎn)品應(yīng)用等方面具有優(yōu)勢的研究和生產(chǎn)單位組成聯(lián)合體，針對國內(nèi)反重力鑄造技術(shù)、裝備及應(yīng)用存在的問題，借鑒國外先進的反重力鑄造技術(shù)，采用效仿、研究、再開發(fā)的思路，盡快縮小與國外發(fā)達國家的差距。其次，開展特種反重力鑄造技術(shù)系統(tǒng)研究工作，通過不同類型鑄件的開發(fā)，積累相關(guān)工藝經(jīng)驗，并總結(jié)出工藝的特殊性和規(guī)律性，形成具有自己特色的特種反重力鑄造工藝應(yīng)用技術(shù)體系，擴大工藝的應(yīng)用范圍，從工藝技術(shù)上提高鑄件的質(zhì)量。最后，進一步提升國內(nèi)反重力鑄造設(shè)備的可靠性、主輔機及模具配套和自動化、智能化能力，達到高效、低耗和高性能目標(biāo)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高質(zhì)量薄壁復(fù)雜鋁、鎂合金鑄件反重力鑄造技術(shù)

2.1.1 現(xiàn)狀

高質(zhì)量復(fù)雜薄壁鋁、鎂合金鑄件是典型的高質(zhì)量要求特殊鑄件，如航空發(fā)動機機匣類鑄件、飛機艙門類鑄件等。由于具有薄壁（整體壁厚最小達到2 mm）、復(fù)雜（具有多個空腔、曲面、凸臺等結(jié)構(gòu)）等特點，對于鑄件的完整充型和內(nèi)部質(zhì)量控制提出了較高的要求。此外，該類鑄件不斷向集成化和大型化方向發(fā)展，對鑄造技術(shù)提出前所未有的挑戰(zhàn)。國外針對該薄壁復(fù)雜鑄件的特點，開展了較為系統(tǒng)的研究工作，先后開發(fā)出了多種反重力成形技術(shù)，從最初的低壓鑄造工藝開始，隨著鑄件壁厚越薄、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、技術(shù)指標(biāo)要求越高，逐漸增加了真空吸鑄、調(diào)壓鑄造等特種反重力鑄造技術(shù)。目前，國外利用反重力鑄造技術(shù)可實現(xiàn)整體最小壁厚2 mm鋁合金鑄件以及整體最小壁厚4 mm的鎂合金鑄件的完整成形，且鑄件內(nèi)部質(zhì)量均可達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類鑄件要求，并形成了穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力。

在國內(nèi)相關(guān)型號需求的牽引之下，我國利用低壓鑄造工藝對薄壁復(fù)雜鑄件也開展了相關(guān)開發(fā)工作，取得了一定的成果，解決了部分鑄件產(chǎn)品“有無”問題，滿足了相關(guān)型號配套的急需。但是，國內(nèi)只是針對具體型號鑄件進行了開發(fā)工作，研究工作零散，只是解決了有無問題，尚未形成共性鑄造工藝技術(shù)，導(dǎo)致鑄件經(jīng)常出現(xiàn)“欠鑄”、“嗆火”、“縮孔”、“縮松”等缺陷，質(zhì)量不穩(wěn)定、合格率偏低，無法滿足高端裝備制造業(yè)，特別是航空裝備制造業(yè)對其配套鑄件高穩(wěn)定性和可靠性的要求。另外，國內(nèi)在該類鑄件成形工藝上較為單一，尚未形成國外多種工藝形式并存的局面。

2.1.2 挑戰(zhàn)

國內(nèi)以低壓鑄造工藝為主要手段的成形技術(shù)已近于充型和凝固控制的極限，無法完全滿足更大尺寸和技術(shù)指標(biāo)需求，需選擇真空吸鑄、差壓鑄造或調(diào)壓鑄造等特種反重力鑄造技術(shù)進行提高，當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是：

1）現(xiàn)有低壓鑄造工藝質(zhì)量提升。需結(jié)合鑄件特點對現(xiàn)有低壓鑄造工藝進一步開展系統(tǒng)的研究工作，在薄壁鑄件充型及凝固規(guī)律研究、鑄造工藝設(shè)計、鑄造工藝參數(shù)選擇、所用造型材料等方面的開展研究，并找出影響質(zhì)量的主要因素，制定控制方案，提升質(zhì)量穩(wěn)定性，滿足鑄件批量生產(chǎn)的需要。

2）特種反重力鑄造工藝充型及缺陷控制。合金液充型及凝固規(guī)律與常壓環(huán)境下有一定的區(qū)別，通過開展不同種類合金液在不同工作壓力環(huán)境下的流動特性、凝固補縮特性，工藝參數(shù)對內(nèi)部質(zhì)量影響規(guī)律以及不同鑄型種類成形特點等系統(tǒng)的研究工作，為鑄件鑄造工藝的設(shè)計，以及相關(guān)工藝參數(shù)的選擇提供支撐。

3）特種反重力鑄造成形裝備的液面加壓精確實時控制。對于成形裝備的液面加壓精確實時控制就顯得尤為重要，特備是裝備的響應(yīng)速度，如響應(yīng)速度較慢，將無法實現(xiàn)預(yù)定的工藝過程，導(dǎo)致鑄件無法按預(yù)定的工藝過程充型及凝固，從而降低鑄件的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致鑄件報廢。特種反重力鑄造成形裝備的液面加壓實時精確控制技術(shù)主要包括控制策略、算法、氣路的布局、氣路執(zhí)行機構(gòu)（電磁閥和調(diào)節(jié)閥的優(yōu)選）、傳感器及控制器界面設(shè)計等。

4）特種反重力鑄造技術(shù)工程化應(yīng)用。需在基礎(chǔ)工藝研究的基礎(chǔ)上，針對不同種類鑄件的特點開展應(yīng)用技術(shù)研究，并在研究過程中對工藝技術(shù)和成形裝備進行進一步優(yōu)化改進，使之滿足工程化應(yīng)用的要求，實現(xiàn)特種反重力鑄造技術(shù)的大規(guī)模工程化應(yīng)用。

2.1.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達到的目標(biāo)：

現(xiàn)有低壓鑄造工藝質(zhì)量穩(wěn)定性得到較大提升，生產(chǎn)的鑄件產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性可滿足大批量生產(chǎn)要求，在鑄造工藝設(shè)計、工藝參數(shù)選擇、所用造型材料等方面形成一批成熟穩(wěn)定的工藝技術(shù)。

2）預(yù)計到2030年，要達到的目標(biāo)：

以真空吸鑄、差壓鑄造及調(diào)壓鑄造為代表的特種反重力鑄造技術(shù)的工藝穩(wěn)定，可實現(xiàn)高難度高質(zhì)量大型薄壁復(fù)雜鑄件的規(guī)?；_發(fā)及生產(chǎn)。具備工程化應(yīng)用要求的特種反重力鑄造成形裝備得到廣泛應(yīng)用。

2.2 高效率反重力鑄造技術(shù)

2.2.1 現(xiàn)狀

由于反重力鑄造工藝自身的技術(shù)優(yōu)點，該工藝已被大量應(yīng)用于高質(zhì)量要求鑄件的生產(chǎn)，如何提高該工藝的生產(chǎn)效率，形成高效率反重力鑄造技術(shù)，已成為工業(yè)發(fā)達國家開展反重力鑄造技術(shù)研究的熱點。為此，工業(yè)發(fā)達國家開展了系統(tǒng)的研究工作，無論是砂型鑄造，還是金屬型鑄造，均實現(xiàn)了反重力鑄造技術(shù)的高效率應(yīng)用。特別是在汽車制造領(lǐng)域，利用反重力鑄造技術(shù)已實現(xiàn)了汽車發(fā)動機缸體、缸蓋、輪轂、汽車底盤等鋁合金鑄件的大批量生產(chǎn)，在生產(chǎn)效率方面可以完全滿足汽車工業(yè)所要求的大批量、高效率的要求。

國內(nèi)在高效率反重力鑄造技術(shù)開發(fā)方面尚處于起步階段，只是在汽車鋁合金輪轂鑄件等少數(shù)鑄件上實現(xiàn)了反重力鑄造技術(shù)的高效率生產(chǎn)應(yīng)用。為提高差壓鑄造生產(chǎn)效率，國內(nèi)也開始推出不同類型的自動化差壓鑄造設(shè)備。如為上罐配備了可以自動升降與平移的機構(gòu)，使設(shè)備的自動化程度得到了很大程度的提高。同時，為了解決金屬型差壓鑄造機只能水平分型的局限，有學(xué)者提出了可以實現(xiàn)上下、前后、左右開模的金屬型差壓鑄造機，同時，借助非金屬型差壓鑄造機的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，可以進一步提高這類設(shè)備的同步工作壓力，為進一步提高鑄件質(zhì)量提供硬件保障[3]。

2.2.2 挑戰(zhàn)

目前，國內(nèi)高效率反重力鑄造技術(shù)急需解決主要技術(shù)難題如下：

1）高品質(zhì)、高效率、大容量合金制備及傳輸。在熔體處理技術(shù)方面，集精煉、變質(zhì)、細化為一體的新型高效率熔體處理技術(shù)將是未來大容量熔體處理的技術(shù)發(fā)展方向。另外，為了進一步縮短合金液的制備時間，也需開發(fā)出快速熔煉設(shè)備，以滿足大噸位合金錠的熔煉需要。最后，如何在合金液運輸過程中，保證合金液的品質(zhì)不發(fā)生變化，也需開發(fā)出合金液傳輸設(shè)備及配套工藝，滿足批量生產(chǎn)過程中，大批量合金液傳輸?shù)男枰?/p>

2）高效率反重力鑄造鑄型翻轉(zhuǎn)及合金液切斷。鑄型翻轉(zhuǎn)及合金液切斷是高效率反重力鑄造技術(shù)中的關(guān)鍵，采用該技術(shù)可實現(xiàn)鑄型內(nèi)的金屬液在自重力的作用下結(jié)晶凝固，不僅提高了生產(chǎn)率，而且還可利用翻轉(zhuǎn)后澆道中過熱的金屬液對鑄件進行補縮，從而提升鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。鑄型翻轉(zhuǎn)技術(shù)主要涉及鑄型翻轉(zhuǎn)方式和機構(gòu)的設(shè)計，合金液節(jié)流技術(shù)主要涉及到充型控制系統(tǒng)的設(shè)計，節(jié)流裝置的設(shè)計以及與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)之間的聯(lián)動配合等。

3）批量鑄件產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性控制。在開發(fā)高效率反重力鑄造技術(shù)的同時，需針對所開發(fā)的工藝技術(shù)進行典型鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)研究，獲得關(guān)鍵控制工藝，固化相關(guān)工藝參數(shù)，保證鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性，滿足高效率生產(chǎn)的需要。另外，在金屬型高效率反重力鑄造技術(shù)中，模具溫度的控制不僅影響鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定性，而且對于提升生產(chǎn)效率也有重大意義，該技術(shù)需進行高效冷卻技術(shù)、控溫原理、控溫裝置、控溫系統(tǒng)等研究開發(fā)工作。

4）反重力鑄造自動化及智能化集成。國內(nèi)在智能鑄造生產(chǎn)方面尚處于空白階段，高效節(jié)能的自動化及智能化反重力鑄造技術(shù)和裝備缺乏，為了實現(xiàn)反重力鑄造技術(shù)的自動化及智能化生產(chǎn)，提高反重力鑄造鑄件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，需在反重力鑄造設(shè)備可靠性提升、主輔機智能化控制元件開發(fā)、智能化生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計、智能化管理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)等方面開展工作。

5）大數(shù)據(jù)的收集與應(yīng)用。反重力鑄造工藝的非標(biāo)性較強，在鑄件的整個生產(chǎn)過程中會涉及到大量數(shù)據(jù)，快速收集和分析這些數(shù)據(jù)，并且將分析結(jié)果反饋給生產(chǎn)現(xiàn)場，不但能夠提高生產(chǎn)效率，而且對提高鑄件質(zhì)量和合格率具有重要的現(xiàn)實意義。

2.2.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達到的目標(biāo)：

完成Cosworth工藝、汽車高要求結(jié)構(gòu)件金屬型反重力鑄造工藝等高效率反重力鑄造技術(shù)的仿制及研究工作，形成大部分主輔機裝備、工藝技術(shù)及模具的自主開發(fā)能力，部分典型鑄件在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)指標(biāo)和生產(chǎn)效率等方面達到用戶要求。

2）預(yù)計到2030年，要達到的目標(biāo)：

形成具有我國特色的高效率反重力鑄造技術(shù)，完成效仿、研究、再開發(fā)的過程，具備高效節(jié)能自動化及智能化反重力鑄造技術(shù)和裝備的自主開發(fā)能力，在國內(nèi)建成具有自動化及智能化特征的反重力鑄造生產(chǎn)線，滿足相關(guān)制造領(lǐng)域?qū)﹁T件高效率生產(chǎn)的要求。

2.3 復(fù)合反重力鑄造技術(shù)

2.3.1 現(xiàn)狀

由于反重力鑄造工藝在金屬液充型方面具有的獨特優(yōu)勢，與其他工藝相結(jié)合，形成復(fù)合鑄造工藝技術(shù)，將是反重力鑄造工藝重要的發(fā)展方向。國外在復(fù)合反重力鑄造工藝開發(fā)方面開始的較早，并已形成了多種工藝形式，如美國Hitchiner公司發(fā)明的離心真空吸鑄工藝技術(shù)，它將離心鑄造較強的補縮能力和真空吸鑄優(yōu)良的充型能力結(jié)合在一起，顯著提高了金屬液的充型能力，而且鑄件組織致密，縮松及縮孔缺陷較少[4]；日本日立公司將反重力鑄造工藝與擠壓鑄造工藝相結(jié)合，實現(xiàn)了金屬液的定量精確澆注，而且金屬液在升液過程平穩(wěn)、無夾雜，在合金品質(zhì)方面保證了鑄件的質(zhì)量[5]。另外，國外公司為滿足特殊質(zhì)量要求鑄件開發(fā)及生產(chǎn)的需要，開發(fā)出反重力澆注翻轉(zhuǎn)凝固、反重力充型后液面懸浮重力補縮等系列復(fù)合反重力鑄造工藝形式，也獲得了很好的應(yīng)用效果。

我國在復(fù)合反重力鑄造工藝開發(fā)方面目前處于起步階段，部分工作尚處于實驗室研究階段。如西北工業(yè)大學(xué)開展了離心真空吸鑄工藝的研究工作，自行設(shè)計了離心真空吸鑄設(shè)備，并利用該設(shè)備進行了部分基礎(chǔ)工藝研究工作，獲得了一定的研究成果[6]；沈陽鑄造研究所開展了反重力擠壓鑄造一體化設(shè)備及工藝的開發(fā)工作，獲得了一系列實驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)實現(xiàn)設(shè)備及工藝的工程化應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。另外，在反重力澆注翻轉(zhuǎn)凝固、反重力充型后液面懸浮重力補縮等工藝形式方面，國內(nèi)只有少數(shù)廠家進行了試探性試驗，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)極度缺乏。

2.3.2 挑戰(zhàn)

目前，國內(nèi)復(fù)合反重力鑄造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是：

1）復(fù)合反重力擠壓鑄造合金液充型過程參數(shù)優(yōu)化。復(fù)合反重力鑄造過程較單一形式的反重力鑄造技術(shù)更為復(fù)雜，需要考慮兩種不同工藝方式的“無縫銜接”。對于反重力擠壓鑄造，不但要考慮輸液管溫度損失、升液平穩(wěn)、定量準(zhǔn)確，同時還要平順及時過渡到擠壓工作狀態(tài)。對于反重力澆注翻轉(zhuǎn)凝固及反重力充型后懸浮重力補縮等工藝形式也有類似復(fù)雜性特點。由于以上工作近于空白，因此需要對工藝規(guī)律進行系統(tǒng)探索，對工藝參數(shù)組合進行優(yōu)化。

2）復(fù)合反重力鑄造工藝參數(shù)精確控制。復(fù)合反重力鑄造液面加壓及工藝形式轉(zhuǎn)換需要自動控制完成。為提高合金液充型及工藝方式轉(zhuǎn)換的控制精度，需在液面加壓控制算法、數(shù)學(xué)模型、液面位置自動等方面進行系統(tǒng)的研究，并對關(guān)鍵控制執(zhí)行元器件進行優(yōu)選，開發(fā)出與生產(chǎn)工藝相適應(yīng)的成熟控制軟件，滿足復(fù)合反重力鑄造需求，從而共同發(fā)揮出兩種工藝形式的優(yōu)勢，體現(xiàn)出復(fù)合反重力鑄造工藝的先進性。

2.3.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2020年，要達到的目標(biāo)：

建成一批復(fù)合反重力鑄造工藝試驗平臺，完成基礎(chǔ)工藝研究工作，獲得大量試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)工程化生產(chǎn)設(shè)備的研制，以及典型鑄件產(chǎn)品的開發(fā)提供工藝數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）預(yù)計到2030年，要達到的目標(biāo)：

形成一批具有我國特色的復(fù)合反重力鑄造技術(shù)，具備一體化復(fù)合反重力鑄造技術(shù)和裝備的自主開發(fā)能力，并在多種典型鑄件生產(chǎn)方面實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

2.4 高溫及易氧化合金材料的反重力鑄造裝備和技術(shù)

2.4.1 現(xiàn)狀

反重力鑄造工藝大多集中于輕合金材料領(lǐng)域，對于高溫合金、鈦合金等易氧化合金材料的反重力鑄造工藝研究較為缺乏。由于反重力鑄造工藝在高質(zhì)量鑄件成形上的優(yōu)勢，高溫及易氧化合金材料反重力鑄造裝備和工藝將成為反重力鑄造技術(shù)未來重要的組成部分。國外高溫合金、鈦合金、鎂合金的多種反重力鑄造技術(shù)已經(jīng)在部分軍工企業(yè)得到成功應(yīng)用。如美國H i t c h in e r公司利用反重力鑄造生產(chǎn)的鎳基Inco718擴散器機匣，鑄件外徑達到889 mm，高635 mm，內(nèi)部質(zhì)量和性能得到了顯著提升[7]。另外，在鎂合金反重力鑄造工藝中，工業(yè)發(fā)達國家已大部分采用氣體保護的方法替代了傳統(tǒng)的熔劑保護，消除了保護熔劑對鎂合金液的污染。

我國高溫及易氧化合金材料的反重力鑄造裝備和技術(shù)開發(fā)尚處于起步階段，高溫合金和鈦合金材料仍停留在實驗室基礎(chǔ)工藝研究階段，鎂合金反重力鑄造工藝雖有一定的應(yīng)用，但成套化方面與國外先進水平還有很大差距。在高溫合金反重力鑄造技術(shù)研究方面，國內(nèi)部分高校進行了實驗室研究工作，如西北工業(yè)大學(xué)用集總參數(shù)法導(dǎo)出了考慮到耦合傳輸條件下反重力充型工藝參數(shù)的計算公式，為高溫合金反重力鑄造提供了一定的理論基礎(chǔ)[8]；在鈦合金反重力鑄造技術(shù)方面，西北工業(yè)大學(xué)利用真空吸鑄和鈦合金水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉技術(shù)，實現(xiàn)了簡單鈦合金構(gòu)件的真空吸鑄工藝[9]；在鎂合金反重力鑄造技術(shù)方面，國內(nèi)主要集中在低壓及差壓鑄造工藝方面，調(diào)壓及真空吸鑄研究的較少，而在鎂合金液保護方面還停留在熔劑保護階段，與國外氣體保護技術(shù)還有很大的差距，造成鑄件質(zhì)量與國外差距較大。

2.4.2 挑戰(zhàn)

隨著我國高端裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，特別是將航空發(fā)動機列為國家戰(zhàn)略重點發(fā)展領(lǐng)域，對于高溫及易氧化合金高質(zhì)量要求鑄件的需求將不斷增加，也將推動國內(nèi)高溫及易氧化合金材料反重力鑄造技術(shù)的發(fā)展。目前，國內(nèi)高溫及易氧化合金材料反重力鑄造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是：

1）耐高溫、抗熱震、高惰性材料。澆注高溫合金要求有耐高溫、高抗熱震性好的坩堝，而且澆注時相應(yīng)地要求升液管具有良好的耐高溫、抗熱震、高惰性。鑄型、坩堝、升液管及其附屬裝置等合適材料的缺乏是阻礙反重力鑄造技術(shù)在高溫易氧化合金鑄造設(shè)備發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

2）復(fù)雜條件下的冷卻、密封性技術(shù)。澆注高溫易氧化合金需要有大功率特殊加熱裝置。為保證設(shè)備正常工作和合金的凝固控制，需要配備必要的冷卻系統(tǒng)。高溫易氧化合金通常在真空或惰性保護氣體環(huán)境下澆注，要做好設(shè)備的上下室之間、上室與鑄型之間、鑄型與升液管接口的高溫密封。實現(xiàn)復(fù)雜條件下設(shè)備冷卻和密封是高溫易氧化合金低壓鑄造設(shè)備研制面臨的另一挑戰(zhàn)。

3）高性能鑄型。高溫易氧化合金鑄型不但要耐高溫、高惰性，同時還有一定力學(xué)性能，保證鑄型和升液管之間壓實密封和較大壓差條件下不爆裂。高性能鑄型材料是高溫易氧化合金反重力鑄造重要研究課題之一。

4）精確控制系統(tǒng)。反重力鑄造設(shè)備的氣壓控制系統(tǒng)是整個設(shè)備的核心，主要實現(xiàn)不同罐體氣壓（真空度）和保護氣體濃度控制和調(diào)節(jié)。由于高溫易氧化合金材料密度較大，充型時需較大的壓力，加之設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊，對于氣壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、及時性與可控性提出了更高的要求。

5）鑄件反重力鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計。由于高溫合金及易氧化合金材料反重力鑄造技術(shù)在我國提出時間并不長，對于澆注系統(tǒng)和澆注參數(shù)的設(shè)計、選擇還缺乏足夠的積累，也有一個探索的過程。

2.4.3 目標(biāo)

1）預(yù)計到2025年，要達到的目標(biāo)：

完成現(xiàn)有反重力鑄造設(shè)備的優(yōu)化改進以及新實驗設(shè)備的開發(fā)，完成高溫合金及易氧化合金材料反重力鑄造基礎(chǔ)工藝研究工作，獲得基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，為后續(xù)工程化生產(chǎn)設(shè)備的研制，以及典型鑄件產(chǎn)品的開發(fā)提供工藝基礎(chǔ)。

2）預(yù)計到2030年，要達到的目標(biāo)：

完成可滿足工程化應(yīng)用需要的高溫合金及易氧化合金材料反重力鑄造設(shè)備開發(fā)，并掌握較為成熟的鑄造工藝設(shè)計技術(shù)，部分典型鑄件具有工程化批量生產(chǎn)能力。

3 技術(shù)路線圖

反重力鑄造技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 反重力鑄造技術(shù)路線圖