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        铸造技术路线图:铸造有色合金(一)

        日期:2017-09-21 11:18

         

        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。

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