熔模鑄造在航空工業中的應用

于江成

1 航空工業中常用鑄造方法

1.1 常用的鑄造方法及材料

鑄造技術是一種傳統的制造技術，與其他金屬成形方法相比有著眾多優勢，如鑄造方法幾乎不受零件尺寸大小、壁厚和形狀復雜程度的限制，材料適應性強和成本低廉等。鑄造技術獨有的優勢，使其在航空工業中具有不可替代的地位，飛機發動機零件、結構件、附件中很多薄壁件，結構復雜零件，空心零件只能通過鑄造實現。另外鑄造技術作為基礎制造技術，其工藝技術的進步和新材料的應用，對加速航空產品更新換代，顯著提高新機性能，縮短航空產品的制造周期，大幅度減輕重量、降低成本具有非常重要的意義。

航空工業中使用的鑄造方法主要有：熔模鑄造、石膏型鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、離心鑄造和砂型鑄造等。航空工業中常用鑄造方法及使用的材料見表1。[1]

在航空工業中，復雜薄壁的高溫合金、鈦合金、鋁合金整體鑄件是飛機發動機和機體中的關鍵構件，這些構件形狀尺寸、組織結構和性能直接影響飛機和發動機的性能、結構重系數、壽命等各種重要指標。生產此類鑄件熔模鑄造具有明顯優勢，而且對于如發動機葉片這類復雜空心零件，熔模鑄造已成為其生產的唯一技術，因此，在眾多鑄造技術中，熔模鑄造技術更加受關注。

1.2 熔模鑄造的技術特點

20世紀40年代，由于航空噴氣發動機的發展，要求制造葉片、葉輪、噴嘴等形狀復雜，尺寸精確以及表面粗糙度要求較高的耐熱合金零件[2-3]，需要尋找一種新的精密成型工藝。借鑒于先進精密鑄造技術和流程下來的失蠟鑄造，經過對材料與工藝的優化，現代熔模鑄造得以快速發展。某發動機葉片通過熔模鑄造的制造過程如圖1所示。

2 國內熔模鑄造的技術發展與現狀

2.1 國內熔模鑄造的技術發展過程

國內的熔模鑄造技術是20世紀50年代完全按原蘇聯的工藝模式發展起來的，經過近十年的發展歷程，從仿制到自行研制的過程。20世紀60年代，逐步擺脫了原蘇聯的工藝模式，走上了自行研制、創新發展的道路，研制成功了當時航空工業發展所急需的一系列鑄造合金和鑄造工藝，滿足了當時航空工業發展的需要。到了20世紀70年代初，航空工業在鑄造高溫合金熔模鑄造方面，相繼研制成功了鑄造高溫合金系列，成功地解決了蠟模和型殼的尺寸精度和尺寸穩定性。與此同時，也帶動了其它金屬材料，如鋁、鐵等的航空精鑄技術的發展，把我國的航空鑄造技術推進了一個全新的時期。

2.2 國內熔模鑄造的技術現狀

國內的熔模鑄造技術經過40多年的研究與發展，填補了國內多方面的空白。目前許多領域與目前國際的先進水平同步或差距很小。國內航空鑄造技術的現狀見表2。[4]

3 熔模鑄造在航空工業中的應用

3.1 國外熔模鑄造在航空工業中的應用

鑄造結構件與組合結構件相比，其優點是消除了機械緊固連結，減少了組合件的數量，這樣就可減輕結構件的重量，提高結構的整體性，縮短研制周期，降低制造成本。歐美等工業發達國家出于熔模精密鑄造的種種優勢，對熔模精密鑄造成形工藝過程不斷優化，同時綜合應用新材料新技術，并不斷嘗試將新的研究成果應用到實踐中。

在軍用飛機領域，美國新一代軍用飛機的目標要求：質量減輕50%，機身緊固件數量減少80%以上，批生產成本降低25%以上，制造周期縮短1/3-1/3。美國F-22第4代戰斗機的機體中，鈦合金鑄件的用量占機體重量7.1%，在機體上大約有54個鈦精密鑄件，機翼前、后側位鑄件最大，分別為87kg和58kg，F-22戰斗機機翼承力部位復雜薄壁整體鈦合金精密鑄件如圖2所示。

在大型運輸機和民用航空領域，波音767-40ER飛機儀表盤采用精鑄成形，組成部分由296個零件減少為11個鑄件加53個零件，重量減少2.24kg，裝配工具數量減少90%，裝配時間由180小時減少為20小時，鉚釘數目減少600個，成本減少50%。波音飛機某機型襟翼采用精鑄一體成型，重量由4.5kg降低為4.4kg，裝配工具數量減少34.4%，材料利用率提高3.5%，機加和裝配費用降低94.1%，制造成本降低49.5%。[5]

3.2 國內熔模鑄造在航空工業中的應用

隨著我國在航空、航天領域的發展，對鑄造技術也提出了更高的要求，在航空發動機、航天發動機、民用航空等領域，各種大型、薄壁、復雜、整體、優質精密鑄件被采用。

在航天發動機方面，由某研究所為神舟系列飛船研制的分離密封板、支架等20余種鈦合金精鑄件。采用熔模鑄造成形的小型燃氣渦輪發動機的Ti-6A1-4V壓氣機葉輪，公差為±0.127mm，表面粗糙度Ra=3.2μm，經熱等靜壓（HIP）工藝處理可實現0.56mm極薄葉型的生產。[6]

在民用航空領域，國內某大型客機應急門試制了熔模精密鑄造的整體門框，外形尺寸為1220×520×81mm，整體重量為13.49kg，門框橫梁、縱梁和邊框厚度為3左右，最薄處厚度為2mm。相比ARJ21飛機應急門門框，零件數目減少166個，緊固件數模減少1858個，應急門門框如圖3所示。

圖3 國內某大型客機應急門鑄造門框

目前，我國主要的航空發動機制造企業，均配備有熔模精密鑄造車間（分廠），如沈陽黎明、西安西航、貴州黎明、株洲南方等，中航工業集團還建有熔模精密鑄造專業化工廠——貴州安吉航空精密鑄造有限公司。另外，國內外的科研機構近年來在熔模精密鑄造成形理論與工藝技術的研究上也取得了很大的進展。

4 結論

熔模鑄造可以實現大型、薄壁、復雜、整體鑄件的生產，該類鑄件在應用時具有近凈尺寸設計，提高材料利用率，降低加工成本，降低重量，直接安裝，降低裝配費用等優勢，所以越來越多的被應用在航空工業中。

本文闡述了國內熔模鑄造的發展過程和現狀，說明了國內不同鑄造材料，不同方法可以實現的鑄件的尺寸、重量、最小壁厚、表面粗糙度、鑄造精度等關鍵參數。并從航空、航天等領域闡述熔模鑄造在國內外的應用情況及其優勢。

【參考文獻】

[1]姜不居，呂志剛.鑄造與航空工業[J].金屬加工，2008，13：14-16.

[2]呂志剛.我國熔模精密鑄造的歷史回顧與發展展望[J].鑄造，2012，61（4）：347-351.

[3]SAROJRANI P. BENNY K D. JHA P K. Developments in investment casting process-A review[J]. Journal of Material Processing Technology， 2012， 212： 2 332-2348.

[4]謝成木，王新英，南海，等.航空工業與鑄造技術[D].上海：第二屆有色金屬及鑄造國際會議論文集.中國鑄造協會，2001-05：78-85.

[5]熊艷才.精密鑄造技術在航空工業中的應用和發展[J].航空制造技術，2008，22：32-35.

[6]黃東，謝成木，南海，等.國外鈦合金熔模鑄造耐火材料的研究[J].特種鑄造及有色合金，2004（3）：47-49.