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          天津环亚AG旗舰厅鑄業有限公司

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          來源︰未知 佚名 2018-07-16 瀏覽次
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            從全球範圍看,近十年來盡管先後受到兩次經濟危機的嚴重沖擊,但精鑄工業總體上仍保持良好的發展態勢(見圖1)[1],我國精鑄業表現尤其搶眼,在全世界精鑄件總銷售額中已佔有可觀的份額(圖2)[2]。然而,值得指出的是,工業發達國家(美、歐、日) ,包括燃氣輪機葉片在內的高端(高附加值)精鑄件過去是,現在仍然是拉動精鑄業持續增長的主要動力,其銷售額通常要佔 60%~70%份額,再加上以增壓器(含外圍設備)為代表的汽車精鑄件佔 20%~40%。上述二項之和往往就佔到 80%~90%,剩下 10%~20%才是一般機械零部件和其他產品。對比环亚AG旗舰厅中國,情勢恰好相反(圖 3)[1]。從好處說,這意味著我國精鑄業尚存在巨大的發展潛力和機遇;從壞處想,這種態勢如若不能在未來5~10 年發生根本轉變,那就勢必面臨全面萎縮的沮喪局面。換言之,這種以外需低端產品為主要驅動力的發展模式是不可持續的,精鑄業的轉型升級已經迫在眉睫。

            

           

            

           

            一.我國高端精鑄件的發展寄希望于深化改革、擴大開放

            高端(高附加值)精鑄件市場大多涉及國防、能源、環保等重大關鍵領域,眾所周知,這些部門和領域國內至今仍為國有企業所壟斷。一個行業(例如飛機制造)內各企業之間基本上是封閉的,更不用說行業與行業之間(例如航空發動機和工業燃氣輪機),或是軍民之間。這和國外形成很大的反差,世界著名的三大航空發動機公司——美國 GE、普·惠(Pratt&Whitney Group) 、和英國羅·羅公司,無一不是既生產航空發動機,又生產工業燃氣輪機,既生產軍品,也生產民品。同樣,國外許多規模僅數十人的小、微型精鑄廠也是軍民通吃,即所謂“寓軍于民” 。如果按照我國現存的體制、機制運行下去,恐怕再過多少年也造就不出像上述三大航空發動機公司那樣優秀的頂尖企業,也造就不出像美國Hawmet、PCC 那樣的強勢精鑄企業,我國先進戰機缺少一顆中國“心”的“心病”也難以痊愈。敢問路在何方?路不在政府指令和管控下的“重組”、“重建”,惟有充分發揮市場在優化配置資源上的基礎性作用,令優秀企業在公平競爭的市場環境中脫穎而出。中國精鑄的發展和未來首先寄希望于“深化改革,擴大開放” 。改革開放進入了深水區,精鑄業的發展也到了一個關鍵時期,呼喚改革開放“升級版”盡快出爐。

            二.科學、嚴格的管理制度,訓練有素而又長期穩定的員工隊伍是最重要的前提條件

            近年來國內一些民間資本正企圖或已經進入高端精鑄件市。 檔沒隊 馱,這至少是對壟斷的一種挑戰。然而值得提醒的是,如若沒有一套科學、嚴格的管理制度,沒有一支訓練有素而又長期穩定的員工隊伍, 要想進入高端精鑄件市場並達到一定量產規模恐怕就只能是一場難圓的夢。當前管理缺失、人心浮動這正是我國許多企業最大的軟肋。畢竟批量生產不同于試驗、研究,辦企業也不同于實驗室、研究所。畢竟不惜代價不計成本搞軍工的時代早已成為歷史的記憶。

            三.若干技術關鍵和難點

            高端精鑄件高就高在技術含量,需要突破的技術關鍵和難點多。下面僅就對全局有影響的幾個方面做一些簡要介紹。

            1.葉片冷卻技術和陶瓷型芯

            目前世界上最先進的航空發動機渦輪進氣溫度已高達令人難以置信的 1700℃甚至更高[3] [4],超過鎳基高溫合金熔點約 300℃以上!從全球範圍看,工業燃氣輪機與噴氣發動機幾乎是同步發展的,例如,正在研發中的超高效燃氣輪機熱效率目標值56%~60%,渦輪前進氣溫度也將提高到 1700℃[5],跟航空發動機基本持平。承受如此高的工作溫度,首先要求葉片合金材料本身具有優異的高溫性能。于是,制作渦輪葉片的高溫合金逐步從等軸晶(1950s)發展到平行于主應力方向的定向柱晶(1970s) ,自 1980s以後進一步發展到單晶合金。盡管經過數十年堅持不懈的努力,單從合金角度看,使用溫度仍未超過 1150℃,距目前最先進發動機的要求還相差近600℃。可見,提高渦輪葉片的承溫能力,單靠合金本身是遠遠不夠的,還必須借助冷空氣從葉片內部進行強制冷卻和對葉片表面氣膜冷卻,以及熱障涂層的綜合作用。下面重點介紹與精鑄關系最為密切的葉片冷卻技術。

            目前,渦輪葉片的冷卻主要是靠消耗一部分本該用來供燃油燃燒的冷卻空氣,這就勢必會降低發動機的熱效率,所以,必須力求消耗最少的冷空氣達到最佳的冷卻效果。如果用于冷卻渦輪葉片的空氣比例減少 20%,其功效相當于令渦輪進氣溫度提升幾十攝氏度[3],燃油比耗也將大幅下降,然而這就勢必令葉片內部冷卻通道的構型越來越復雜。傳導和對流仍是空氣冷卻作用的基。 ,設計具有大比表面積的冷卻通道是必然結果,例如在冷卻通道內設置片狀、放射狀、針狀,或柵格狀散熱片,在此基礎上再加入進氣邊噴淋冷卻、葉身氣膜冷卻、葉盆全覆蓋氣膜冷卻,以及排氣邊針鰭冷卻(Pin Fin Cooling)等,使葉片工作溫度提升到 1500℃以上(見圖 4[5]、圖5[3])。

            

           

            

           

            1990s 以後美、俄率先推出超高效氣冷葉片,采用雙層壁結構,在原本已經很薄的壁厚內再開設圍牆狀或柵欄型槽孔 [4],這些槽孔又用尺寸小于 1mm 的小孔分別與葉片內腔和外表相連。冷卻空氣進入葉片內腔後,通過這些小孔進入型壁槽孔,形成一道道圍牆式或柵欄式的冷卻屏障,然後再通過小孔向高溫外表噴射冷空氣並形成氣膜(圖 6) ,使冷卻效率大幅提升,冷卻溫度達600℃以上,令葉片工作溫度提高到 1700℃甚至更高。形成這種類似圍牆或柵欄式的縴細通道,型芯制作和脫除的難度之大不言而喻。在未來若干年內,上述冷卻系統以及相關的加工要求必將對葉片設計師和制造工程師提出新的挑戰,不斷將型芯制作、精鑄工藝和加工技術推向極致。

            

           

            形成如此復雜而精細的冷卻通道,只用一種型芯恐怕是無能為力的,必須采用不同材料和工藝制成多種型芯組合而成,而形成夾壁結構的型芯非水溶型芯莫屬。該型芯兩端分別以芯頭和型殼與中心型芯相連(圖 7) ,待鑄件成型後再除之。制作結構如此復雜而精細的型芯,必須有新的思路,材料和工藝都需要創新。

            

           

            能形成復雜內腔是鑄造工藝的顯著優勢,不僅是空心葉片,許多精鑄件,尤其是高端產品(例如機匣、燃油泵殼體等)都具有復雜的內腔。型芯的材料、成型和脫除技術,具有相當高的難度和技術含量,學科綜合性很強。或許是由于型芯只是工藝過程中的一種過渡性的產品,往往不被重視,相關介紹發展緩慢。不用說形成夾壁結構的型芯,就拿中心型芯來說,用于定向凝固和單晶鑄造的陶瓷型芯,歐美各國主要是采用 基(石英玻璃)材料,而俄羅斯則采用氧化鋁基,二者都早已取得成功(上世紀 80~90年代),而我國則二者都舉步維艱,至今難說有重大突破。由于體制、機制的局限,型芯研發和生產至今基本上仍處于自給自足的自然經濟狀態,資源配置極不合理。值得欣慰的是,近年來已有若干專門從事陶瓷型芯研發和生產的小微型企業誕生,但願有更多類似企業能夠在公平競爭的市場環境中脫穎而出,早日成長為高科技小微型企業,為推動我國精鑄工業,特別是高端精鑄件發展做貢獻。

            2.幾何形狀和尺寸檢測

            內腔復雜是鑄造特別是精鑄工藝的顯著優勢,許多高端精鑄件,尤其是空心葉片都具有復雜的內腔。這就不能不對檢測手段提出了新的要求和挑戰。傳統的超聲檢驗往往只能檢測諸如壁厚之類的簡單尺寸,用來檢測具有復雜形狀的內腔尺寸實在力不從心。計算機斷層掃描(Computed Tomography),簡稱CT,上世紀 70 年代首先在醫學界廣泛應用,80 年代以後作為一種無損檢測手段逐步被推廣到工業界。 近年來在提高分辨率和圖像重建速率上取得長足的進步,不僅可以作為一種無損探傷手段探測鑄件內部的某些冶金缺陷,還可作為一種特殊的尺寸檢測工具測量鑄件復雜內腔(例如多層壁結構)的各類尺寸,這些都是傳統方法,包括超聲檢測和三坐標測量機等都無法檢測的。

            CT 成像的原理是利用X-射線透過樣本時,由于樣本各個部位存在密度差異,從而對 X-射線的吸收率不同,最終在 X-射線檢測器上形成不同灰度或顏色的圖像。采用扇形 X 線束對樣本進行360°分層掃描,所得為相應斷面的2D CT 圖像(圖 8 左);采用錐形X射線束對樣本進行 360°逐段掃描,再通過計算機軟件將所獲取的圖像進行分析、重建,便可還原成在電腦中可視的 3D 圖像(圖8 右)。3D CT 比2D CT 更直觀,立體視覺效果更好,現已成為快速成型和逆向工程不可或缺的利器,但由于 X射線光源缺少準直系統並存在衰減問題,所以,就目前進展而言,3D CT 還需要進一步解決分辨率的問題,才能精確檢測諸如渦輪葉片之類復雜鑄件外型和內腔的結構和尺寸。但作為一種方便快捷的在線檢測手段,在生產過程中實時監控型芯-蠟模-型殼收縮/變形的行為特征和規律,以改進並優化工藝,它不失為一種非常有實用價值的工具。較之于3D,2D CT圖像具有高得多的分辨率(圖 9)[6],因此,對于尺寸公差要求十分嚴格的鑄件來說,是更加給力的手段。它不僅能檢測復雜的多層壁結構,也能適應像葉片進、排氣邊緣那樣小半徑部位的檢測。

            總而言之,檢測手段的更新和現代化,是發展高端精鑄件過程中需要高度關注的部分,需要加大投入。

            

           

            3.計算機模擬技術

            鑄件,特別是高端精鑄件的成本在很大程度上取決于一次成品率。應清醒認識減少鑄件冶金缺陷(包括晶體缺陷)對降低成本的重要性。為此,還需要特別關注鑄造過程計算機模擬技術的進展及發展趨勢。20世紀 90年代初期,凝固模擬開始興起並被廣泛應用到熔模精密鑄造業中。

            

           

            廣義的凝固過程模擬涵蓋不同尺度範圍,即宏觀、介觀和微觀[7、3、9]。宏觀尺度模擬其對象大小為米(m)級,用有限元或有限差分建模。許多宏觀尺寸模擬軟件(例如Procast)早已被用來模擬鑄造過程流場、溫度場和應力。 ァ庀喙氐鬧烊畢,評估和優化澆注/補縮系統以及工藝參數等。目前它已成為一種常規工具被廣泛地用來縮短新產品開發試制周期,提高成品率,降低成本(圖10)[7、9]。

            

           

            介觀尺度模擬其對象大小為毫米(mm)級。 它將宏觀尺度模擬輸出的溫度場計算結果與介觀尺度的元胞自動機有限元模型(CA-FE)耦合起來(圖 10)[7、3、9]。CA-FE跟蹤凝固前沿的移動,並計算出凝固區間內固-液界面處的過冷度。而過冷度的大小則是確定離群晶粒能否形核的關鍵因素。由此可以對于單晶或定向凝固過程中會否產生諸如雜晶、雀斑之類的晶體缺陷做出預測[3]。介觀尺度模擬還可以用于模擬定向柱晶晶粒大小[9],也可以用于單晶葉片選晶器(含起始塊)擇優效能的優選優化上[3、9]。例如,首先針對不同尺寸和結構的葉片設計

            不同類型和尺寸的選晶器,按照螺旋體參數對其幾何結構進行建模(圖 11)[3],而後通過晶粒生長介觀模擬結果預覽每一個特定選晶器中晶粒競相生長的特點以及選晶效果, 經對比分析進行優選、優化[3]。ProCAST 2005 或更高的版本已經具備此項功能。圖12 所示便是該軟件模擬某空心葉片單晶生長過程[8]。

            

           

            值得一提的是,當過程物理模型不得不考慮溶質擴散時(即凝固區間較寬時),企圖通過介觀尺度模擬來預測柱狀晶會否向等軸晶轉變,或是否會產生雜晶、雀斑之類晶體缺陷,就目前進展而言,介觀模擬還無能為力[3]。

            微觀尺度模擬其對象大小為微米(μm)級。通過相場法模擬枝晶生長過程,常用于預測發生在枝晶干到枝晶臂間區域的元素偏析程度和(顯微)疏松[7]。但欲對渦輪葉片易于產生雜晶、雀斑的部位進行可靠預測,微觀尺度模擬也無能為力。然而它可以用來比較不同合金產生此類缺陷的敏感程度[3]。

            最後是再結晶問題。從數值模擬角度考慮,這也是推測經常可能出現的單晶晶體缺陷最具挑戰性的難點之一。再結晶是由塑性變形誘發的晶體缺陷。塑性變形通常經由以下兩種機制所產生的應力超過所需要的臨界應變極限所致,即︰a)熱處理前操作失誤造成的傷害,對此無法預知也就無法建模;b)鑄件凝固後因收縮不均產生的收縮應力。鑒于模擬收縮應力導致變形涉及的問題多多,例如:同一模組內葉片和澆道以及葉片與型殼之間相互牽扯作用;還有型殼材質的不均勻性以及型芯和型殼熱物理性能隨時間和溫度的變化等,況且這些性能的準確測試本身就是很大的難題。另外,還要考慮在脫殼過程中由于型殼破裂導致應力消失,而型殼破裂行為往往不可預見,這些因素使得準確進行三維力學建模基本無法實現。因此,再結晶預測將成為另一個極具挑戰性的領域。然而,將模擬計算得出的應變水平和鑄造過程中實際再結晶程度進行比對,積累大量數據可以定性推斷得到臨界應變極限。這個方法作為一個可比性手段來評估不同鑄造場景下產生再結晶傾向具有一定實用價值[3]。

            4.計算材料學和相關材料熱物理性能數據庫的建設

            計算材料學是材料科學與現代計算機技術交叉形成的一門快速發展的新興學科,是材料科學研究里的“虛擬實驗室”。其典型的應用實例例如運用計算機而不是大量實驗,計算得出相圖;再如建立合金化學成分、微觀結構和力學性能之間的定量關系,進而對材料的組織結構和性能進行建模、模擬計算和預測預報,並進一步開發出新型合金設計軟件。據報道,日本國立材料科學研究院正是通過使用其自主開發的合金設計程序 (ADP)研制出可用于1100℃以上的新一代(五代)單晶合金,正朝著六代單晶的目標前進[4];ProCAST數據庫中相當完善的合金熱物理性能數據庫也正是計算材料學具有代表性的應用成果。而國內計算機模擬的

            一大軟肋就是數據庫里缺數據。這個空白如不盡快填上,勢必陷入處處受制于人的窘境。

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