Entwicklungsaussichten für die High-End-Präzisionsgusstechnologie

Aus der Sammlung von Herrn Chen Bing

Hochwertige Präzisionsgussteile oder Präzisionsgussteile mit hoher Wertschöpfung, darunter Luft- und Raumfahrt, Waffen, Industriegasturbinen und andere wichtige Sektoren, nach und nach sind Sorten, Spezifikationen, ob metallurgische Qualität oder Aussehensqualität, sehr anspruchsvoll. In diesem Artikel werden nur einige typische Beispiele für die Entwicklungsgeschichte und -trends kurz vorgestellt.

Rüstungsindustrie

 1、Flugzeugturbinenschaufeln

Der Kernteil des modernen Flugtriebwerks (oder Strahltriebwerks) besteht hauptsächlich aus drei Teilen: dem Druckhalter, der Brennkammer und der Turbine (Abbildung 1). In engem Zusammenhang mit dem Präzisionsguss stehen dem Druckmotor nach mehreren Stufen Schaufeln und Turbinenschaufeln, darunter statische Schaufeln (Leitschaufeln) und dynamische Schaufeln (Arbeitsschaufeln). Bei unterschiedlichen Flugzeugtypen und Einsatzzwecken sind die Anforderungen an den Motor nicht gleich, aber eines ist gemeinsam: Das Schub-Gewichts-Verhältnis wird ständig verbessert und der Treibstoffverbrauch gesenkt. Zu diesem Zweck ist die Verbesserung der thermischen Effizienz der Schlüssel, und die wichtigsten technischen Maßnahmen zur Verbesserung der thermischen Effizienz bestehen lediglich darin, das Druckverhältnis des Druckhalters und die vordere Einlasstemperatur der Turbine zu maximieren (Abbildung 1). Dies führt unweigerlich zu einem Anstieg der Temperatur des gesamten Systems und der relevanten Teile, insbesondere der Arbeitstemperatur der Turbinenschaufeln. Die Arbeitstemperatur der erstklassigen Turbinenschaufeln entspricht in etwa der Turbineneintrittstemperatur, und die aktuelle Turbineneintrittstemperatur des fortschrittlichsten Flugtriebwerks liegt bei unglaublichen 1700 °C und übersteigt damit den Schmelzpunkt von Nickelbasislegierungen -Temperaturlegierungen um etwa 300 ℃.

Gemäß den Grundprinzipien der Metallurgie sind Korngrenzen bei hohen Temperaturen schwache Verbindungen, sodass der Korngrenzenbereich des Turbinenschaufellegierungsmaterials von der Entwicklung gleichachsiger Kristalle (1950er Jahre) bis zur Richtung des Turbinenschaufellegierungsmaterials zwangsläufig immer kleiner wird Die Hauptspannungsrichtung des orientierten säulenförmigen Kristalls verläuft parallel zur Richtung der Hauptspannung (1970er Jahre), die Betriebstemperatur der Schaufel wird ebenfalls von 900 bis 1000 °C auf 1000 bis 1100 °C erhöht, und die Gießverfahren weichen auch entsprechend vom gewöhnlichen Vakuumschmelzen ab – Der Guss entwickelte sich zur gerichteten Erstarrung bis hin zum Einkristallguss (Abbildungen 2 und 3).

Die chemische Zusammensetzung der in verschiedenen Ländern entwickelten Einkristalllegierung ist nicht gleich, aber die Mikrostruktur ist im Grunde die gleiche, das heißt, die γ-Phase einer festen Lösung auf Nickelbasis als Substrat ist eine darin eingelegte kubische, hochtemperaturverstärkte γ-Phase ( Figur 4). Bisher hat die Forschung und Entwicklung von Einkristalllegierungen eine, zwei, drei Generationen erlebt, jetzt tritt sie in die vierte, fünfte und sogar sechste Generation der Forschungs- und Entwicklungsphase ein und bewegt sich in Richtung der Verwendung des Temperaturziels von 1150 ℃ . Trotz jahrzehntelanger unermüdlicher Bemühungen hat die Betriebstemperatur allein aus Legierungssicht noch nicht 1150 °C überschritten. Die neuesten Anforderungen an die Einlasstemperatur von Flugtriebwerksturbinen liegen jedoch bei bis zu 1700℃, was einem Unterschied von fast 600℃ entspricht. Wie kann man diese 600-Grad-Lücke ausgleichen? Derzeit hauptsächlich mit Hilfe von zwei technischen Maßnahmen, nämlich der Luftkühlung im Inneren der Schaufel und der äußeren Wärmedämmschicht der Schaufel. Um die Luftkühlungseffizienz kontinuierlich zu verbessern, muss der interne Kühlkanal des Blattes gewunden sein, so dass seine Kühlwirkung auf alle Blattkörperteile, insbesondere die Kante des Einlasses und Auslasses, ausgeübt wird. Dies führt zu immer ausgefeilteren und komplexeren Strukturformen für die Keramikkerne, die die inneren Hohlräume bilden (Abbildung 5). Angesichts der schlechten Schmiede- und Bearbeitungseigenschaften fast aller Hochtemperaturlegierungen, insbesondere mit komplexen inneren Hohlräumen (Kühlkanälen), ist Präzisionsgießen bis heute zu Recht das einzige Formverfahren für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken.

Kurz gesagt handelt es sich bei der Wärmedämmschicht um eine wärmeisolierende Beschichtung, eine neue Technologie, die erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt wurde. Sein Grundaufbau besteht aus zwei Schichten, einer keramischen Deckschicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit und einer Klebeschicht, die eine Oxidation des Substrats verhindern und es fest verbinden soll (Abb. 6). Ersteres wird hauptsächlich durch physikalische Gasphasenabscheidungsverfahren wie Elektronenstrahl oder Plasma gebildet, während letzteres durch chemische Gasphasenabscheidung gebildet wird. Der Gesamtwärmeausdehnungskoeffizient der Beschichtung sollte dem des Substratmaterials entsprechen, um sicherzustellen, dass sie bei einer hohen Temperatur von 1700 °C nicht reißt und abblättert. Die Beschichtung sollte auch auf das Trägermaterial aufgetragen werden. Abbildung 7 zeigt eine hohle Turbinenschaufel mit Wärmedämmschicht.

2、Große integrale Strukturkomponenten

Ein typisches Flugzeugtriebwerksprofil ist in Abbildung 8 dargestellt. Das Gehäuse besteht aus einer Reihe von Fächern, die oft als „Magazin“ bezeichnet werden. Nach der Brennkammer erfolgt im Allgemeinen kein Guss, während der unter Druck stehende Teil der teilweise sehr komplexen Form des Magazins oft nur durch Gussformung entsteht. Aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an die Betriebstemperatur des Druckluftkompressors steigt das Boost-Verhältnis weiter an, so dass das Formverfahren dieser Magazine aus Aluminium, Magnesiumlegierung und Sandguss besteht (1950er bis 1960er Jahre, Entwicklung von Edelstahlblechen – geschweißt mit der aktuellen Titanlegierung). Abbildung 9 zeigt das von PCC hergestellte große Titanlegierungsmagazin und die Abbildungen 10 und 11 zeigen das von Howmet hergestellte Titanlegierungsmagazin und die Wachsform.

Da Titanlegierungen eine höhere spezifische Festigkeit und spezifische Steifigkeit als andere Legierungen aufweisen, werden große, dünnwandige, komplexe Strukturbauteile aus Titanlegierungen auch häufig in großen tragenden Strukturbauteilen von Flugzeugen (Abb. 12) und Raketenrümpfen (Abb. 13) verwendet ) seit den 1970er Jahren.

3、Präzisionsgussteile aus Aluminiumlegierung mit integrierter Struktur

Diese Gussteile werden häufig in Gestellen, Rahmen, Sockeln und Heizkörpern für Elektronik- und Telekommunikationsgeräte usw. verwendet. Abbildung 14 zeigt einige typische Beispiele. Präzisionsgussteile aus Aluminiumlegierung mit integraler Struktur.

 Industriegasturbinen

Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen ist zu einer ernsthaften Herausforderung für die gesamte Menschheit geworden. Die größte Menge Kohlendioxid wird zweifellos weltweit von thermoelektrischen (Wärme-)Kraftwerken ausgestoßen. Im Allgemeinen wird die thermische Stromerzeugung je nach verwendetem Brennstoff in Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerke eingeteilt. Die Kohlendioxidemissionen pro erzeugter Wärmeeinheit dieser drei Systeme sind mit relativen Werten von 1,00, 0,76 bzw. 0,53 sehr unterschiedlich, was bedeutet, dass die Kohlendioxidemissionen um etwa die Hälfte reduziert werden können, wenn die gesamte konventionelle Kohleverstromung ersetzt wird durch gasbetriebene Stromerzeugung. Wie wir alle wissen, handelt es sich bei den thermischen Stromerzeugungsanlagen Chinas derzeit noch hauptsächlich um kohlebefeuerte Dampfturbinen. Unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Energieeffizienz von Stromerzeugungsanlagen sind die Industrieländer seit langem auf mit Öl oder Öl betriebene Gasturbinen umgestiegen Gas. Nicht nur Stromerzeugungsgeräte, Schiffsstromanlagen und einige leistungsstarke mechanische Pumpen und Druckgeräte sowie andere Geräte werden auch von Gasturbinen angetrieben. Daher ist die Gasturbine in fast allen Industrieländern einer der Hauptmärkte der Präzisionsgussindustrie, deren Umsatz etwa ein Drittel des Marktanteils ausmacht. Leider befindet sich Chinas Gasturbinenindustrie aus verschiedenen Gründen bisher immer noch auf einem relativ niedrigen Entwicklungsstand, einschließlich der Turbinenschaufeln, darunter viele Schlüsselkomponenten, die sich noch in der Entwicklungsphase befinden, sodass der Anteil des Präzisionsgussmarktes vernachlässigbar ist.

Tatsächlich sind das Funktionsprinzip und die Struktur einer Industriegasturbine im Wesentlichen die gleichen wie bei einem Flugzeugtriebwerk, und der Kernteil besteht ebenfalls aus drei Teilen, wie Druckhalter, Brennkammer und Turbine (Abb. 15). Daher wurden viele fortschrittliche Feingusstechnologien, die in Flugzeugtriebwerken verwendet werden, wie z. B. gerichtete Erstarrung, Einkristallguss, Schaufelkühlung und Wärmedämmbeschichtung, in großen Mengen auf Gasturbinen übertragen. Wie bei Flugtriebwerken hängt der thermische Wirkungsgrad von Gasturbinen direkt von der Einlasstemperatur der Turbinenfront ab. Beispielsweise beträgt die vordere Eintrittstemperatur der Turbine bei dem weltweit verbreiteten herkömmlichen Typ von Kombikraftwerkssätzen 1100 bis 1300 °C und der thermische Wirkungsgrad 43 bis 48 %. während die vordere Einlasstemperatur der neuen Art von Gasturbine 1500℃ beträgt und der thermische Wirkungsgrad 52 % beträgt; und der Zielwert des thermischen Wirkungsgrades der ultrahocheffizienten Gasturbine im Forschungs- und Entwicklungsprozess beträgt 56 % bis 60 %, und die vordere Eintrittstemperatur der Turbine wird weiter auf 1700 °C erhöht.

Obwohl die Anforderungen an Industriegasturbinen hinsichtlich des Schub-Gewichts-Verhältnisses nicht so hoch sind wie die von Flugtriebwerken, liegt die Schwierigkeit in der großen Größe. Abbildung 16 zeigt die primären und sekundären Turbinenschaufeln der Industriegasturbine MS9001FA von GE mit Längen von 43 cm und 56 cm und Massen von 13,5 kg bzw. 12,6 kg. Abbildung 17 zeigt den Lüfterabschnitt der Turbinenleitschaufel mit einer Länge von 60 cm und einer Masse von >60 kg. Es wurde auch berichtet, dass die Konstruktionslängen der Turbinenschaufeln von Industriegasturbinen sogar 90 cm erreicht haben. Abbildung 18 zeigt eine 30 cm lange, einkristalline Turbinenschaufel, die 2011 von Mitsubishi Heavy Industries in Japan erfolgreich entwickelt wurde. Abbildung 19 zeigt eine Wachsform im Pressprozess. Abbildung 20 zeigt einen Keramikkern (Rohling), der beschnitten wird.

 Turbolader für Automobilmotoren

Der ursprüngliche Zweck des Einbaus eines Turboladers in ein Auto besteht darin, die Abgase des Motors vollständig zu nutzen, um die Turbine des Turboladers in Rotation zu versetzen, die wiederum das Laufrad des Koaxialkompressors antreibt, um die Luft zu komprimieren und dem Motor zuzuführen , wodurch die Motorleistung und das Drehmoment erhöht werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Abgase sauberer zu machen (Abbildungen 21 und 22).

Typischerweise emittieren Pkw-Dieselmotoren Abgase mit einer maximalen Temperatur von etwa 850 °C, während Benzinmotoren bis zu 1050 °C erreichen können. Daher werden Turbinen in der Regel aus Nickelbasis-Hochtemperaturlegierungen wie 713C oder MarM präzisionsgegossen. Als effizienteste Methode zur Herstellung solcher Produkte gilt die patentierte Anti-Schwerkraft-Gießtechnik (Vakuumguss) der Hitchiner Manufacturing Co., Inc. in den USA (Abb. 23). Die vorderen Verdichterlaufräder hingegen arbeiten nicht bei hohen Temperaturen und bestehen in der Regel aus Gips-Präzisionsguss aus einer Aluminiumlegierung. Kompressorlaufräder und -turbinen sind im Allgemeinen klein, haben aber sehr hohe Drehzahlen von bis zu 250.000 U/min oder mehr, was zu sehr strengen Qualitätsanforderungen für diese beiden Laufräder führt. Zwar gibt es auch eine Reihe inländischer Hersteller, die diese beiden Laufräder produzieren, doch macht die Produktion an der Gesamtnachfrage keinen großen Anteil aus.

In den letzten Jahren hat sich der Einsatz kleiner Motoren mit Turbolader als Ersatz für große Saugmotoren in Europa zu einem beliebten Trend entwickelt, da immer mehr Forderungen nach einem geringeren Kraftstoffverbrauch und einer verbesserten Stadtluftqualität laut werden Die Zahl der Supercharger wird sich bis 2016 verdoppeln oder sogar noch steigern und bis zu 76 % der Gesamtzahl ausmachen. Da es sich bei den Kfz-Generatoren in den europäischen Ländern jedoch hauptsächlich um Dieselmotoren handelt, reicht der Einbau eines Turboladers nicht aus, um die ständig aktualisierten EU-Fahrzeugemissionsnormen zu erfüllen, sondern es muss auch mit Ansaug- und Abgassystemen ausgestattet sein, um PM2,5 und NOx zu minimieren und andere schädliche Emissionen. Viele Teile im System, das meiste Material besteht aus rostfreiem Stahl, mit komplexer Geometrie, dünner Wand und höheren Anforderungen an die Maßgenauigkeit, eignet sich sehr gut zum Formen mit Präzisionsgussverfahren, wodurch die Automobil-Präzisionsgussteile für die schnelle Expansion verantwortlich sind Der Marktanteil stieg von 5 % im Jahr 2004 auf 16 % im Jahr 2011, während er im gleichen Zeitraum in Japan von 24 % auf 43 % stieg. Obwohl die Präzisionsgussteile des Automobilkompressor-Einlass- und Abgassystems aus allgemeiner Sicht auf dem Präzisionsgussmarkt nur als Mittelklasseprodukte gezählt werden können, sorgt sie aufgrund der Marktnachfrage für die Entwicklung der chinesischen Präzisionsgussindustrie seltene Gelegenheit. Im 21. Jahrhundert verlieren viele Präzisionsgussunternehmen im Jangtse-Delta, im Bohai-Meer und in anderen Gebieten Chinas, die sich auf die Reform und Öffnung verlassen, um politische und geografische Vorteile zu schaffen, keine Zeit, die Gelegenheit zu nutzen, diesen Teil des Präzisionsgusses zu machen Produkte in diesen Bereichen haben sich etabliert und haben sich schnell zu einem neuen Produktmarkt entwickelt, unabhängig davon, ob es sich um die Unternehmensführung, die Prozesstechnik und die Ausrüstung handelt, sondern auch um einen Schritt auf der Grundlage des Originals zu verbessern. Erwähnenswert ist, dass bei den heimischen Pkw-Motoren zwar immer noch Benzinmotoren bei Personenkraftwagen dominieren, bei Güterwagen jedoch Dieselmotoren dominieren. Mit der schrittweisen Verbesserung der Luftqualitätsanforderungen Chinas werden Turbolader und ihre unterstützende Ausrüstung schnell einen neuen Inlandsmarkt bilden, die Entwicklung der chinesischen Präzisionsgussindustrie vorantreiben und dann eine neue Welle der Entwicklungsdynamik einleiten.

Die Verringerung der Dichte der rotierenden Teile des Laders wirkt sich positiv auf die Motoreffizienz und das Einschwingverhalten aus. Das spezifische Gewicht der Titan-Aluminium-Legierung (TiAl) beträgt 4,2 und die spezifische Dichte der Nickelbasislegierung (713 C) 7,9. Wenn also ersteres anstelle letzteres verwendet wird, wird die Masse um fast die Hälfte (47 %) reduziert, wodurch die Masse verringert wird Die Trägheit der Turbine verkürzt die Reaktionszeit des Drehmomentanstiegs, so dass die Einschwingeigenschaften des Turboladers verbessert werden können. Nach Angaben der japanischen Daido Casting Co. (Daido Casting Co.) konnte mithilfe einer Kombination aus Suspensionsschmelzen und Vakuumgießen erfolgreich eine Turboladerturbine aus einer Titan-Aluminium-Legierung gegossen und in die Massenproduktion gebracht werden. Abbildung 24 für das Prinzip des Suspensionsschmelzens (links) und Schmelzbads (rechts), Abbildung 25 für das Suspensionsschmelzen – Vakuum-Saug-Gießgerät, schematisch.

   TitanaluminiumLegierungs-Präzisionsguss

Eine Titan-Aluminium-Legierung ist eine intermetallische Verbindung mit geringer Dichte, guten mechanischen Hochtemperatureigenschaften und Oxidationsbeständigkeit, die als Ersatz für bestimmte Hochtemperaturlegierungen und andere hochtemperaturbeständige Materialien in der Luft- und Raumfahrt-, Industriegasturbinen- und Automobilindustrie verwendet werden kann . Testergebnisse zu den mechanischen Eigenschaften belegen, dass es eine hohe Kriechfestigkeit und eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit bei 760 °C aufweist. Solche Materialien sind jedoch spröde, die Dehnung bei Raumtemperatur beträgt weniger als 2 %, die Schlagfestigkeit und die Rissausdehnungsleistung sind schlecht, so dass Druckguss das beste Mittel zur Bildung solcher Materialien ist. Seit den neunziger Jahren des letzten Jahrhunderts werden anstelle von Nickelbasis-Hochtemperaturlegierungen zunehmend Hochtemperaturlegierungen für die Herstellung industrieller Gasturbinenschaufeln (Abbildung 26a), des gesamten Turbinengusses (Abbildung 26b), von Flugtriebwerksschaufeln (Abbildung 26c) und der Automobilindustrie verwendet Einlass- und Auslassventile für Zylinder von Verbrennungsmotoren und andere Produkte.