一、選題背景
為滿足航空航天飛行器升級(jí)換代對(duì)高性能金屬結(jié)構(gòu)件的需求，零部件生產(chǎn)技術(shù)和材料不斷進(jìn)步革新。鈦合金具備密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕強(qiáng)和耐高溫性等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，且使用量不斷增長(zhǎng)。然而，鈦合金零件生產(chǎn)過(guò)程中存在切削力大、易磨損等問(wèn)題，導(dǎo)致加工效率低、成本高，限制了鈦合金零部件在低空飛行器、兵器船舶領(lǐng)域推廣應(yīng)用。熔模精密鑄造技術(shù)是解決大尺寸、薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金構(gòu)件一體化成型難題、降低制造成本的有效手段。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，當(dāng)前航空航天工業(yè)中90%以上的鈦合金鑄件生產(chǎn)均采用熔模精密鑄造技術(shù)。當(dāng)前，我國(guó)航空航天產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展階段，國(guó)產(chǎn)化在近年錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際局勢(shì)下加速推進(jìn)，預(yù)計(jì)未來(lái)國(guó)內(nèi)航空航天產(chǎn)業(yè)精密鑄造市場(chǎng)總需求量將突破千億。
二、研究方法
本文綜述了近年來(lái)鈦合金精密鑄造在航空航天產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，回顧了國(guó)內(nèi)外鈦合金精密鑄造工藝發(fā)展、材料開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品應(yīng)用，在鑄造工藝方面重點(diǎn)關(guān)注了制模、制殼、熔煉澆注和后處理，在材料開(kāi)發(fā)方面主要涉及常規(guī)鑄造TC4、高溫近α鈦合金和鈦鋁合金的鑄造性能和力學(xué)性能，在鈦合金精密鑄件方面主要介紹了航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件，最后總結(jié)了目前存在的問(wèn)題并提出了建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)、降低生產(chǎn)成本、發(fā)展鑄造模擬軟件等展望。
三、研究?jī)?nèi)容
（1）鈦合金精密鑄造工藝發(fā)展
鈦合金熔模精鑄件的生產(chǎn)流程主要有蠟?zāi)Ｖ谱?模殼制作-熔煉澆注-后處理。首先，將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的鑄件模型用模具（或增材制造設(shè)備）制作出蠟?zāi)?，在其表面包裹多層耐火材料形成模殼，加熱模殼使蠟融化流出。然后，通過(guò)高溫使模殼燒結(jié)陶瓷化后，將熔化的鈦合金液體澆注到模殼內(nèi)，待金屬液凝固并冷卻后破壞模殼，取出鑄件及澆注系統(tǒng)。最后，對(duì)鑄件及澆注系統(tǒng)進(jìn)行切割澆冒系統(tǒng)、吹砂打磨、檢測(cè)、酸洗、修補(bǔ)等后處理工藝后，獲得最終鑄件產(chǎn)品。
圖1鈦合金熔模精密鑄造流程圖
（2）精密鑄造鈦合金材料發(fā)展
鈦合金精密鑄造技術(shù)的發(fā)展與鑄造鈦合金材料的發(fā)展是相輔相成的。為充分發(fā)揮鈦合金材料的特性，適配合金的鑄造性能，需要開(kāi)發(fā)針對(duì)性的鑄造技術(shù)并不斷改進(jìn)。此外，為降低鑄造難度、控制成本，需要調(diào)整鈦合金成分，在最大程度保證使用性能不下降的前提下，使合金成分更有利于鑄造成形和后處理。在這種螺旋上升的態(tài)勢(shì)下，鈦合金精密鑄造技術(shù)和鑄造鈦合金材料都獲得了很大進(jìn)步，常規(guī)鑄造鈦合金的鑄造技術(shù)不斷完善，新型高性能鑄造鈦合金材料也不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用范圍最廣、使用量最大的α+β型鈦合金是ZTC4；近α鈦合金中，ZTA15合金的使用量最多。國(guó)內(nèi)外耐550℃以上高溫鈦合金主要有Ti1100、IMI834、Ti6242、ZTi55、ZTi60和ZTi65。TiAl合金密度比常規(guī)鈦合金更小，還具有優(yōu)異的高溫抗蠕變和抗氧化性能，可替代鎳基高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)600~1000℃高溫區(qū)服役。Ti2AlNb合金比大多數(shù)TiAl合金高溫強(qiáng)塑性和抗蠕變性能更好，其使用溫度高達(dá)800℃，具有很大的替代鑄造鎳基高溫合金的潛力。
（3）鈦合金精鑄件在航空航天飛行器上的應(yīng)用現(xiàn)狀
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，鈦合金精鑄件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，尤其是整體精鑄件的使用為飛行器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升、延長(zhǎng)機(jī)體壽命、整體減重、減少裝配難度、降低制造成本做出了重要貢獻(xiàn)。常規(guī)鈦合金精密鑄件在航空飛行器上的應(yīng)用最為突出。北京航材院已成為空客CFM 56-7發(fā)動(dòng)機(jī)支板的主要供應(yīng)商，并成為L(zhǎng)EAP-1A、1B、1C發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金鑄件供應(yīng)商。中科院金屬所、北京航材院、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了TiAl合金擴(kuò)壓器、葉片和增壓器渦輪等鑄件。中科院金屬所生產(chǎn)的45XD合金低壓渦輪葉片已完成英國(guó)羅羅公司的Trent XWB大推力大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)考核驗(yàn)證。鈦合金鑄件在導(dǎo)彈上使用比較普遍，有尾翼、彈頭殼體、火箭殼體及連接座等。航天飛行器和人造衛(wèi)星使用的鈦合金鑄件主要是一些支座，板架與接頭等結(jié)構(gòu)件、人造衛(wèi)星上照相機(jī)框架等。
圖2航空航天飛行器用典型鈦合金精密鑄件
四、研究結(jié)論
近年來(lái)，鈦合金精密鑄造技術(shù)、材料和產(chǎn)品在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用取得很大進(jìn)展，我國(guó)在鑄造鈦合金材料開(kāi)發(fā)上已走在世界前列，鈦合金精密鑄造技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并大批量應(yīng)用于航空航天飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上。但是我國(guó)鈦合金精密鑄造技術(shù)企業(yè)與美國(guó)先進(jìn)精密鑄造企業(yè)相比仍有一定差距，鈦合金精鑄件應(yīng)用方面也存在一些亟待解決的難題：
?。?）新型鑄造鈦合金推廣應(yīng)用遲緩；
?。?）鈦合金精密鑄造生產(chǎn)成本下降難；
?。?）鈦合金精密鑄造模擬仿真技術(shù)落后；
?。?）鈦合金增材制造崛起的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)。為解決這些難題，提升鈦合金精密鑄造的應(yīng)用水平，我們可以從如下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：
?。?）建立新型鑄造鈦合金成分-鑄造性能-力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)；
?。?）利用數(shù)字孿生技術(shù)降低生產(chǎn)成本；
（3）大力發(fā)展國(guó)產(chǎn)鑄造模擬軟件。
作者介紹
張鵬飛
研究員，主要從事航空航天材料先進(jìn)制造技術(shù)研究。
李金山
教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料及其精確熱成形技術(shù)。
團(tuán)隊(duì)介紹
李金山，西北工業(yè)大學(xué)教授、博導(dǎo)，凝固技術(shù)國(guó)家全國(guó)實(shí)驗(yàn)室主任，萬(wàn)人計(jì)劃領(lǐng)軍人才，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家。兼任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)凝固科學(xué)與技術(shù)分會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)航空學(xué)會(huì)材料工程分會(huì)副主任委員、中國(guó)兵裝學(xué)會(huì)隱身與防護(hù)材料分會(huì)副主任委員。主要從事先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料及其精確成形技術(shù)研究工作。發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，合著專著3部，獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利100余項(xiàng)。獲國(guó)家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；國(guó)防科技一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，其他省部級(jí)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)。
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