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铸造技术路线图:铸造有色合金(一)


第一节 概述

铸造有色合金,是用以浇注铸件的有色合金,主要有铸造铝合金、铸造镁合金、铸造钛合金、铸造铜合金、铸造高温合金等,近年来又发展出铸造金属间化合物和铸造熵合金。

铸造有色合金可适用于多种铸造成形技术,其在基础制造产业中占有重要地位,在航空、航天、船舶、汽车、轨道交通、化工、能源、电子电器和运动休闲等领域有着广泛的应用。

1、铸造铝合金

铝的化学性质很活泼,熔炼过程中易与水气反应而氧化并吸氢,导致铝合金铸件易产生气孔和夹杂等缺陷。而精炼处理是预防产生气孔和夹杂等主要技术手段。旋转喷头吹气技术成为国外先进的铝液精炼技术的重要发展方向之一,该技术用以替代现有的含氯精炼剂,精炼过程更环保、更安全。该技术的运用,能够使铝合金铸件的气孔、针孔缺陷得以控制,有效提升冶金质量。由于稀土元素具有明显的化合脱氢作用,并兼有变质作用,近年来收到普遍重视。在初生AI细化方面研究主要体现在两方面:①通过细化剂细化初生AI相;②通过物理场细化初生相,如超声波场、磁场、电场等,而且通过物理场细化是今后的主要发展趋势。

通过调整传统铝合金中的主要元素含量及各组元的比值,添加微量过渡族元素或稀土元素,从而改变合金中各种化合物的物理性能、尺寸和分布可开发出对应各种不同需要的不同新合金。我国已开展Sc、Ce、Y、Yb等元素用于铝合金的研究,对提高铝合金的强韧性发挥了一定的作用。

在铸造路合金材料方面,铸铝的合金化国内开展了很多研究,但应用及产业化成果仍偏少,最大的差距体现在新的合金系研究,如高强韧合金的整体研发水平与国外仍有差距。国内在铝精炼方面研究的深度、范围及设备控制水平较国际先进水平仍有待于提高。

2、铸造镁合金

铸造镁合金具有比强度和比刚度高、震动阻尼容量大,在汽车、煤油和润滑油中性能稳定等特点,广泛用于航空航天、汽车和电子产品等领域。

1)高强耐热铸造镁合金

高强耐热镁合金是国内外的重点研究方向,通过稀土合金化提高镁合金耐热性能是当前的研究热点,开发的WE54铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到350MPa、250MPa和6%。

我国开发了多种高性能稀土镁合金材料,如Mg-Gd-Zr系、Mg-Gd-Y-Zn-Zr系、Mg-Y-RE-Zr系、Mg-Nd-Zn-Zr系等,其中Mg-Gd-Zr系镁合金材料在性能方面已经达到国际先进水平,金属型铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到400MPa、300MPa和6%。

在镁合金熔体净化方面,开发了新型非熔剂保护熔炼技术和稀土元素添加工艺,减少了镁合金中的熔剂夹杂物;开发新型镁合金陶瓷过滤技术及相关装置,开发了镁合金吹气净化技术和相关装置,降低了镁合金中的氧化物夹杂和气体的含量。

2)超轻铸造镁锂合金

目前国内关于铸造镁锂合金的相关研究非常缺乏,这与镁锂合金的巨大应用前景是不相符的。已研究了Ag、Cu、Y、Nd以及富Ce稀土等添加对Mg-5Li-3AI-2Zn合金组织性能的影响,发现这些元素能够有效提高铸造镁锂合金的强度,抗拉强度、屈服强度和伸长率最大可分别达到220MPa、170MPa和20%。

Mg-Li合金化学性质非常活泼,因此在熔炼过程中必须采用特殊的方法和工艺对Mg-Li合金施加保护。目前研究和生产中常用的保护方法主要有两种:一种是采用常规镁合金熔炼设备和工艺,施加覆盖熔剂保护;另一种是采用真空感应熔炼,采用惰性气体保护,是目前制备Mg-Li合金最适宜的方法。

3、铸造钛合金

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性好等特点而被广泛用于各个领域。

1)高温钛合金

高温钛合金铸件主要用于航空发动机压气机盘和叶片等,使用温度可达600℃。

与一般钛合金相比,钛铝化合物Ti3AI(α2)和TiAI(γ)为基的合金,最大优点是高温性能好(最高使用温度分别为816℃和982℃)、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻(密度仅为镍基高温合金的1/2),这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

已有两个Ti3AI为基的钛合金Ti-21Nb-14AI和Ti-24AI-14Nb-V-0.5Mo在美国开始批量生产。Ti-48AI-2Cr-2Nb合金目前已经应用于波音787机型。而我国自行开发的含Nb钛合金也开始得到应用。

2)耐腐蚀钛合金

随着海军现代化建设步伐的加快,新型号的钛材应用越来越多。

中国研制出具有自己特色的不同强度级别的近α型船用耐蚀钛合金。Ti31合金是500MPa级的低强高韧耐蚀钛合金,Ti75合金是630MPa级的中强高韧性耐蚀钛合金,Ti-B19是一种高强耐蚀钛合金,Ti80是一种高强、可焊的α型钛合金。

3)低温钛合金

钛合金具有足够的低温韧性、更高的比强度、更低的热导率与膨胀系数、无磁性等特点,在航空航天、超导等领域作为一种重要的低温工程材料而备受关注。

我国在低温钛合金的开发方面起步比苏联、美国、日本要晚,早期工作主要集中在对国外低温钛合金的仿制与性能表征等。开发了一种低温钛合金CT77,该低温钛合金的塑-脆转变温度低于77K,其不但具有优异的冷成形性能,还具有良好的焊接性能,焊接系数大于0.90.

4、铸造铜合金

铜合金已经广泛应用到国家建设的各个环节中,伴随着近年来的经济发展,铜合金形成了两个重要的发展方向:高强高导铜合金及海洋工程用铜合金。

1)高强高导铜合金

高强高导铜合金的一个重要应用是告诉铁路列车用接触网线。目前国内企业已经能够规模生产满足300km/h运行所需的超高强铜合金接触线。也已成功为时速超过350km高铁制备了高强高导接触线。时速超过350km高铁要求的接触导线强度为600MPa以上,导电率为80%IACS以上,单根盘重2500kg。制备铜铬锆合金接触线的难点在于非真空熔炼时Cr、Zr易氧化烧损,而真空熔炼又难以满足大规模生产的需求。

2)船舶螺旋桨用铜合金

螺旋桨是船舶动力系统的关键部件,世界上最大螺旋桨的成品重量已超过100t。大型舰船用螺旋桨制备技术关乎国家核心技术,国外发达国家对这种制备技术相对保密,很难详细获知国外大型船舰用螺旋桨的制备进程。

我国冶金质量精确控制能力不够成熟,一些高品质高性能的铜合金产品仍需进口。目前,我国缺乏良好耐腐蚀性能的铜合金,国内的产品一般耐蚀性较差,如C70600,国内产品的腐蚀速率高达国外同类产品的10倍。尽管我国已经掌握超大型螺旋桨的制备技术,但制备产品的成品精度、腐蚀性能等均有很大的进步空间。

5、铸造高温合金

高温合金是指能在600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀,并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。涡轮叶片合金由早期的变形高温合金发展到铸造高温合金,铸造高温合金由等轴晶铸造高温合金发展到定向柱晶高温合金及单晶高温合金,使合金的承温能力提高约400℃。

近年来,由于定向凝固柱晶涡轮叶片制造的整个工艺流程较短、成品率较高和检测费用较低,制造成本比定向凝固单晶叶片低,故定向凝固柱晶合金也得到了较大发展。国外定向凝固柱晶合金已由第一代发展到第三代,其性能水平不断提高,其所适用的发动机性能水平(推重比)也在不断提升。

我国已发展了K系列的数十个铸造等轴晶高温合金、DZ系列的10多个定向柱晶高温合金,10余种DD系列单晶高温合金。上述铸造高温合金在我国航空发动机上获得广泛应用。我国铸造高温合金的整体成熟度低于国外航空制造技术先进国家。

国内典型的单晶高温合金包括DD3单晶高温合金,它具有国外第一代单晶高温合金的性能水平,且密度较低,价格较便宜;第二代单晶高温合金DD6,该合金具有高温强度高、综合性能好、组织稳定及铸造工艺性能好等优点。第三代单晶高温合金DD9,该合金的力学性能与国外第三代单晶高温合金力学性能相当,并开始探索第四代单晶高温合金。

 

第二节 关键技术

一、铸造铝合金技术

1、现状

国内一些新兴产业如高铁、大飞机、新能源汽车等对优质性能铸造铝合金需求量巨大,但高端铝铸件的制备仍需铸造界的共同努力,特殊性能、特殊结构的高端铸铝件制备与国外差距很大,未来需要国内自主研发并替代进口。

2、挑战

铝合金铸件在国家各领域广泛使用,无论是我国提出的战略新兴产业,还是目前已经具有的各工业领域,都离不开铝合金铸件,且这种需求已显现出加重、扩大的态势。其原因有三:其一,由于环保和节能减排的需求,轻量化已成为世界主要发达国家均予重视,并争相加大投入力度的新需求,而铝合金及其铸件的普遍使用是实现轻量化的最重要途径;其二,高速铁路、列车是我国为数不多的具有国际竞争力的拳头产品,新一代大飞机项目也将成为类似高铁及列车的战略性产业,这些产业对铝合金铸件需求量巨大,甚至不可或缺,铝合金铸件大有用武之地;其三,我国正在积极推进企业结构升级战略,从国外应用的普遍性对比,先进、高端铝合金铸件完全代表了这一主流发展趋势,这些采用新材料、新设备、新工艺、新技术指标的高端铝合金铸件,应用量更大、应用范围更广、应用需求更多,完全可为企业结构升级提供支撑。

3、目标

1)预计到2020年,要达到的目标:

合金化新型铸造铝合金的研究:通过混合添加合金元素或者稀土,重点掌握铸造铝合金性能调控手段,揭示合金成分对组织及其演变过程的影响规律,掌握合金成分-工艺工程-性能的对应关系。

高强韧铝合金材料开发与设计:通过合金设计,使铸造铝合金强度和韧性更高、重量更轻,同时抗腐蚀性、经济性和损伤容限更好。在高强铝强韧化机理及新合金等诸多难题仍有待于解决。满足飞机、高铁等高端产品向大型、高速、多载方向的发展要求。

2)预计到2030年,要达到的目标:

铸造铝合金凝固及固态相变过程的组织演变数值模拟技术:随着计算机数值模拟技术的成熟,针对铝合金凝固过程的组织演变开始研究,以及对其热处理作用下的固态相变过程组织演变的模拟,可相应的掌握其性能指标,从而利用数值模拟结果为铝合金铸件成分设计、工艺优化提供依据,同时为智能制造奠定基础。

铸造铝合金回收再利用技术:废旧的铝合金件及铝合金铸造过程的工艺废品等需要再生利用,该过程的主要技术难点是重熔过程中夹杂物及有害气体的排除,利用传统的精炼技术不能保证再生铝的质量,需要开发专门的熔炼技术。

二、铸造镁合金技术

1、现状

我国镁合金的研究起步较晚,还不能满足在大型结构件铸造成形方面的需求。我国由于型号研制任务紧迫,材料研制时间短,研究过程缺少机理的深入研究,致使基础积累不足。必须由攻关任务为主导的投入模式,改变为以加强对共性科学问题和技术研究为主的方向,完善高性能铸造镁合金体系性能数据库。

2、挑战

目前,镁合金工程化技术能力较薄弱。一是实验室阶段的基础研究不够深入,技术成熟度低;二是缺少中试研究条件,材料研制完成实验室阶段就直接过渡到工业化生产中,实验室得出的工艺窗口在工业化条件下难以实现;三是现有生产工艺简单、粗糙,国外许多的先进生产工艺没有掌握和应用。为了获得更好的高性能先进镁合金构件,尤其是航空、航天、兵器等领域需要的大型镁合金复杂构件(例如重载直升机匣、新一代飞行器机翼),必须发展针对先进镁合金材料应用特性的精确控形控性制造工艺技术,满足国防和民用需求。

3、目标

(1)预计到2020年,要达到的目标:

高强耐热铸造镁合金:进一步完善Mg-Gd-Y系镁合金的研究,测试该类合金的热物性参数和断裂韧性等,丰富其数据库;同时,开发新型Mg-RE-Zn系镁合金,研究Mg-RE-Zn合金体系中精细结构(析出相、LPSO结构、准晶、细晶)的微观特征和形成机制,探明热/力及其耦合作用下的精细结构演变规律及其调控原理,建立基于精细结构调控的镁合金强韧化机制,并发展先进控形控性技术。大规模熔铸,突破镁-稀土合金大容量熔炼与净化技术,突破大规格铸锭铸造关键技术,突破直径500mm铸锭冷却技术;产业链的形成,与稀土主产地企业结合,提高稀土原材料的质量稳定性和成熟度。形成高强度稀土镁合金材料工程化生产能力,系统开展关键、重要、复杂零件制造技术研究及典型件的装机考核。

2)预计到2030年,要达到的目标:

超轻铸造镁锂合金:重点开发Mg-Li-AI-Zn-RE系镁锂合金,探索稀土元素对铸造镁锂合金的强化机理,从强化相形成的热力学和动力学角度入手,研究稀土元素在镁锂合金中的存在形式和强化作用。实现铸造镁锂合金成分设计理论与方法的新突破,最终开发出原创性的铸造镁锂合金牌号。研究覆盖熔剂和保护气体复合保护,揭示镁锂合金熔体阻燃保护机制和镁锂合金熔体净化原理。有效抑制熔体的氧化燃烧,提高合金元素的收得率。通过熔剂净化方法,大幅度提高镁锂合金熔体的纯净度。开发出镁锂合金液态成形技术原型,最终实现镁锂合金的低压砂型铸造成形,促进铸造镁锂合金在航天器上的应用。