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    高温合金精密铸造技术及发展趋势

    作者:高新铸业 日期:2019-01-24
    内容摘要:​铸造技术是一门占老的、传统的工艺技术。在航空工业中,各类高温合金、钦合金、铝合金复杂薄壁整体构件的精密铸造技术应用广泛,是航空工业中的关键制造技术之一。

    铸造技术是一门占老的、传统的工艺技术。在航空工业中,各类高温合金、钦合金、铝合金复杂薄壁整体构件的精密铸造技术应用广泛,是航空工业中的关键制造技术之一。

    铸造的鲜明特点是成形构件的尺寸、组织和性能等受控于铸造工艺方法和成形过程。先进精密铸造技术在传统理论和方法的基础上,与自动控制、计算机仿真等先进技术相结合,向理论指导、过程控制和整体近净成形的方向发展。

    在航空工业中,复杂薄壁的高温合金、钦合金、铝合金整体精密铸件是飞机发动机和机体中的关键构件,这些构件形状尺寸、组织结构和性能直接影响飞机和发动机的性能、结构重量系数、寿命和制造成本等各种重要指标。因此,精密铸造技术是先进航空装备和民用航空产品向轻量化、精确化、长寿命、低成本方向发展的重要技术基础。

    精密铸造技术在国外航空工业中的研究应用情况

    欧美等工业发达国家综合应用现代新材料、新技术,在丰富成形基础理论的基础上,不断研究和开发新工艺技术,对精密铸造这一难以控制的成形工艺过程进行控制,研制了大量优质、复杂、整体精密构件,广泛应用于航空装备中,以提高部件整体结构性能和可靠性,减轻结构重量,降低制造成本,缩短制造周期,满足航空装备的研制生产和发展的需要。

    1高温合金精密铸造技术

    高温合金精密铸造技术主要应用于航空发动机关键热端部件制造,如航空发动机叶片、整体涡轮盘、整体机匣等。20世纪70年代,美、英、苏等发达国家率先成功研究高温合金近净形熔模精密铸造技术,并应用于工业化生产。随着后来的热等静压技术、高温合金过滤净化技术的发展,高温合金熔模铸件的冶金缺陷大大减少,性能显著提高。近年来计算机技术的应用,更提高了熔模铸件生产的成品率和可靠性,定向空心叶片生产合格率达到90%以上,单晶空心叶片生产合格率达到80%。而随着发动机推重比的不断升级换代,其关键热端部件的结构和材料发生了巨大的变化,结构向整体、薄壁空心方向发展,要求使用的材料具有更高承温能力的同时必须具有更好的抗腐蚀性能、更长的持久寿命以及更低的成本。

    1)在航空发动机叶片方面。自20世纪80年代以来,国外对发动机的关键热端部件—涡轮工作叶片和导向叶片的结构、材料及制造技术进行了深入的研究,已相继研制出具有高效气冷效果的叶片冷却系统、材料和制造技术,制造的部件已经通过了发动机的全而考核。罗·罗公司一直在致力于研究高推重比发动机的关键热端部件—Lamilloy和壁冷单晶叶片的结构与制造技术,并已将真实的铸造叶片用于发动机的试验。20世纪90年代中后期,Allision公司研究出了集合多孔层板冷却孔制造技术、精密铸造技术以及材料技术,铸造出了具有高冷效的单晶Lamilloy合金涡轮叶片。较新技术为采用Cast Cool铸造技术将超气冷单晶叶片一次铸成。俄罗斯在现有发动机的高压涡轮叶片壁上添加冷却通道,研究出了高效气冷单晶空心叶片的精密铸造技术。

    2)在航空发动机叶盘精密铸造方面。先进航空发动机中叶盘需整体铸造,其叶片为定向结晶组织,而轮盘组织为细晶组织,这种双性能整体叶盘(DS/GX)是新一代航空发动机涡轮的发展趋势。Howmet,罗·罗等于20世纪80年代开始了双性能整体叶盘材料与精密铸造技术研究,并于20世纪末成功开发了与之相关的成套铸造技术及熔铸设备技术,成功整铸出了叶片为定向柱晶、轮盘为等轴细晶的整体叶盘,将现有燃气涡轮发动机的使用寿命提高2一3倍,发动机功率增加7. 3%一9 .2%。

    3)在高温合金整体结构件方 而。20世纪末期由Carret, PCC公 司等研究出较新的大件整铸技术(第 二代整铸技术),即热控凝固工艺技 术,它是通过将铸件合金凝固结晶 前沿的温度梯度和冷却速率控制在 等轴晶区域内实现了对大型复杂薄 壁构件内部致密度一晶粒度一组织 的原位复合控制的技术突破和创新, 整铸出较大尺寸达1027mm,较小壁 厚为0. 8一1. 2mm,晶粒度控制在 1一5m。的发动机机匣类结构件。 该技术的突出点是整铸过程中实现 了致密充填与晶粒度细化复合控制, 同时合金材料的利用率提高了50%以上。

    2钦合金精密铸造技术

    美国于20世纪60年代开始研究应用钦合金精密铸造技术,经过几十年的发展,目前处于世界先进水平,开发出了熔模陶瓷铸型技术、机加石墨铸型技术和热等静压技术等。发动机的整体钦合金中介机匣的外形尺寸为φ1300mm X 368mm,是目前世界上较大的钦合金精密铸件,代表着先进的钦合金精密铸造水平。

    针对航空用热等静压钦合金铸件研究,经过多年研究将钦合金铸件应用到军机上并经应用证明钦合金铸件作为飞机机体构件是安全可靠的,其性能和可靠性可与塑性变形构件相媲美,而制造成本、生产周期都明显优于塑性变形构件。铸造结构件与组合结构件相比,其优点是消除了机械紧固连结,减少了组合件的数量,这样就可减轻结构件的重量,提高结构的整体性,缩短研制周期,降低制造成本。

    随着钦合金铸件热处理和过程控制技术的突破,铸造钦合金的性能已达到了部分锻件性能,可替代部分锻件。通过部件组合,采用近净形铸造技术使得整体结构性能提高,成本降低,并广泛使用在先进航空装备的关键部位。钛合金铸件的用量占机体重量7. 1%,在机体上大约有54个钦精密铸件,机翼前、后侧位铸件较大,分别为87kg和58kg。通过采用先进的凝固过程控制、检验技术及产品可预测性等保证了铸件质量和性能,并用于机翼与机体连接的“断裂关键部位”。

    3铝合金精密铸造技术

    航空铝合金精密铸造技术主要包括熔模铸造、石膏型铸造和精密砂型铸造,在发动机、机体、机载设备上应用广泛。熔模铸造、石膏型铸造主要用于中小零件铸造。近年来,大型精密砂型铸造发展迅速,尺寸精度大幅度提高。综合应用上述方法,结合计算机设计和控制、浇注设备改进,可实现尺寸1500m。左右、壁厚3m。以下的铸件整体近净成形,铸件性能达到中等变形合金性能水平,替代部分铝合金锻件、饭金件和机加组合件,从而实现了减重、降低制造成本等目的。

    航空精密铸造技术发展趋势

    航空精密铸造技术随着航空装备和民用航空产品升级换代而不断发展。在成形精度、成形工装、成形方法、成形过程控制到成形设备自动化程度各个方而都随着航空装备换代发展而发展,在精确性、自动化、经济性和可靠性方而不断改进和提高。其总的发展趋势是构件的复杂整体化、成形的精确化、工艺设计和控制的全程化、检测技术数字化。 

    1构件复杂整体化

    为提高航空装备性能、整体结构性能和可靠性,减轻结构重量,降低制造成本,缩短制造周期,将原来的几个部件组合于一体,整体铸造成形,其形状结构呈现出整体化、薄壁化和复杂化;此外, 为实现某些功能,将结构与功能一体化,这也使得其形状结构复杂;另外,根据构件在装备中的使用特点和需要,有的大型整体结构件的组织结构要求均匀,有的大型整体结构件不同 部位的组织结构要求不一样(如双性能整体叶盘),有的构件对组织结构控制有特殊要求(如定向或单晶叶片),所以组织结构复杂也是先进航空装备构件发展趋势之一。

    2成形精确化

    为降低制造成本和缩短制造周期,结构件形状尺寸要求精确,即无或少加工余量。要求减少机械加工量90%以上,成本降低66%,这势必要求其零件整体成形且尺寸精确。

    3工艺设计和控制全程化

    为满足装备高性能、高可靠性的需求,必须提高铸件自身的性能和可靠性,使其无(少)缺陷并根据构件的使用特点和要求精确设计并控制各部位的组织结构。精确控形和精确控性的复杂整体精密铸件是新一代装备研制和发展的基础,其广泛的研究和应用大幅度提高了装备的性能,对装备的研制和发展起到了十分关键的作用。


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