Perspectivas de desarrollo de la tecnología de fundición de precisión de alta gama

De la colección del Sr. Chen Bing.

Piezas fundidas de precisión de alta gama o piezas fundidas de precisión de alto valor agregado, que involucran la industria aeroespacial, armas, turbinas de gas industriales y otros sectores importantes, gradualmente las variedades, las especificaciones, ya sean metalúrgicas o de calidad de apariencia, son muy exigentes. En este artículo, solo se presentan algunos ejemplos típicos de la historia y las tendencias del desarrollo para hacer una breve introducción.

Industria de defensa

 1 、 palas de turbina de motor aeronáutico

La parte central del motor de aviación moderno (o motor a reacción) se compone principalmente de tres partes: el presurizador, la cámara de combustión y la turbina (Figura 1). Estrechamente relacionados con la fundición de precisión están los motores a presión después de varias etapas de álabes y álabes de turbina, incluidos álabes estáticos (álabes guía) y álabes dinámicos (álabes de trabajo). Diferentes tipos y usos de aviones, los requisitos del motor no son los mismos, pero una cosa es común, es decir, mejorar constantemente la relación empuje-peso y reducir el consumo de combustible. Para ello, mejorar la eficiencia térmica es la clave, y las principales medidas técnicas para mejorar la eficiencia térmica no son más que maximizar la relación de presurización del presurizador y la temperatura de entrada frontal de la turbina (Figura 1). El resultado inevitablemente hará que la temperatura de todo el sistema aumente y que la temperatura de trabajo de las partes relevantes, especialmente las palas de la turbina, sea cada vez más alta. La temperatura de funcionamiento de las palas de turbina de primera clase es aproximadamente equivalente a la temperatura de entrada de la turbina, y la temperatura de entrada actual de la turbina del motor aeronáutico más avanzado alcanza la increíble cifra de 1700 ℃, superando el punto de fusión del alto contenido de níquel. -aleaciones de temperatura en aproximadamente 300 ℃.

Según los principios básicos de la metalurgia, los límites de grano son eslabones débiles a altas temperaturas, por lo que el área del límite de grano del material de aleación de las palas de la turbina se hará cada vez más pequeña, desde el desarrollo de cristales equiaxiales (década de 1950) hasta la dirección del dirección de tensión principal del cristal columnar orientado paralelo a la dirección de la tensión principal (década de 1970), la temperatura de funcionamiento de la hoja también aumenta de 900 a 1000 ℃ a 1000 a 1100 ℃, y los métodos de fundición también son correspondientemente de la fusión al vacío ordinaria. la fundición se desarrolló hasta la solidificación direccional hasta la fundición monocristalina (Figuras 2 y 3).

La composición química de la aleación monocristalina desarrollada en diferentes países no es la misma, pero la microestructura es básicamente la misma, es decir, la fase γ de una solución sólida a base de níquel como sustrato es una fase cúbica reforzada a alta temperatura γ 'incrustada en ella ( Figura 4). Hasta ahora, la investigación y desarrollo de aleaciones monocristalinas ha experimentado una, dos, tres generaciones, ahora está entrando en la cuarta, quinta e incluso sexta generación de la etapa de investigación y desarrollo, y está avanzando hacia el uso de la temperatura objetivo de 1150 ℃. . A pesar de décadas de incansables esfuerzos, solo desde el punto de vista de la aleación, la temperatura de servicio aún no ha superado los 1150 ℃. Sin embargo, el último requisito de temperatura de entrada de las turbinas de motores de avión es de hasta 1700 ℃, una diferencia de casi 600 ℃. ¿Cómo compensar esta brecha de 600 ℃? En la actualidad, principalmente con la ayuda de dos medidas técnicas, a saber, refrigeración por aire dentro de la pala y revestimiento de barrera térmica exterior de la pala. Para mejorar continuamente la eficiencia de enfriamiento del aire, el canal de enfriamiento interno de la hoja debe ser tortuoso, de modo que su efecto de enfriamiento se extienda por todas las partes del cuerpo de la hoja, especialmente el borde de la entrada y el escape. Esto da como resultado formas estructurales cada vez más elaboradas y complejas para los núcleos cerámicos que forman las cavidades internas (Figura 5). En vista de las malas propiedades de forja y mecanizado de casi todas las aleaciones de alta temperatura, especialmente con cavidades internas complejas (canales de refrigeración), la fundición de precisión se ha convertido merecidamente en la actualidad en el único método de moldeo para álabes de turbinas de motores de avión.

El revestimiento de barrera térmica, en resumen, es un revestimiento termoaislante, una nueva tecnología desarrollada recién a finales del siglo pasado. Su estructura básica consta de dos capas, una capa superior cerámica con una pequeña conductividad térmica y una capa adhesiva diseñada para evitar la oxidación del sustrato y unirlo firmemente (Fig. 6). El primero se forma principalmente mediante métodos físicos de deposición de vapor, como el haz de electrones o el plasma, mientras que el segundo se forma mediante deposición química de vapor. El coeficiente de expansión térmica general del recubrimiento debe coincidir con el del material del sustrato para garantizar que no se agriete ni se desprenda a una temperatura alta de 1700 °C. El recubrimiento también debe aplicarse al material del sustrato. La Figura 7 muestra un álabe de turbina hueca con un revestimiento de barrera térmica.

2 、 Grandes componentes estructurales integrales

En la Figura 8 se muestra un perfil típico de un motor de avión. La carcasa consta de varios compartimentos, a menudo denominados "cargador". Después de la cámara de combustión generalmente no se realiza ninguna fundición, mientras que la parte presurizada de algunas formas muy complejas del cargador a menudo solo se realiza mediante la fundición de piezas moldeadas. La relación de impulso de los requisitos cada vez mayores de la temperatura de funcionamiento del compresor de aire presurizado continúa aumentando, por lo que el método de moldeo de estos cargadores de fundición de arena de aleación de aluminio y magnesio (desarrollo de láminas de acero inoxidable en las décadas de 1950 y 1960, soldadas a la actual aleación de titanio). o fundición de precisión de aleaciones de alta temperatura. La Figura 9 muestra el gran cargador de aleación de titanio producido por PCC, y las Figuras 10 y 11 muestran el cargador de aleación de titanio y el molde de cera producidos por Howmet, respectivamente.

Dado que las aleaciones de titanio tienen mayor resistencia específica y rigidez específica que otras aleaciones, los grandes componentes estructurales complejos de paredes delgadas de aleaciones de titanio también se han utilizado ampliamente en grandes componentes estructurales de soporte de carga de aviones (Fig. 12) y cascos de misiles (Fig. 13). ) desde la década de 1970.

3. Piezas fundidas de precisión de aleación de aluminio con estructura integral.

Estas piezas fundidas se utilizan ampliamente en bastidores, marcos, bases y radiadores para equipos electrónicos y de telecomunicaciones, etc. La Figura 14 muestra algunos ejemplos típicos. Piezas fundidas de precisión de aleación de aluminio con estructura integral.

 Turbinas de gas industriales

Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero se ha convertido en un serio desafío para toda la humanidad. Sin duda, la mayor cantidad de dióxido de carbono se emite desde las centrales termoeléctricas (térmicas) de todo el mundo. Generalmente, la generación de energía térmica se clasifica en carbón, petróleo o gas, según el combustible utilizado. Las emisiones de dióxido de carbono por unidad de calor producida por estos tres sistemas son muy diferentes, con valores relativos de 1,00, 0,76 y 0,53 respectivamente, lo que significa que las emisiones de dióxido de carbono se pueden reducir aproximadamente a la mitad si se sustituye toda la generación de energía convencional a base de carbón. mediante generación de energía a gas. Como todos sabemos, en la actualidad los equipos de generación de energía térmica de China siguen siendo principalmente turbinas de vapor alimentadas con carbón. Desde el punto de vista de mejorar la eficiencia energética de los equipos de generación de energía, los países industrializados han cambiado desde hace mucho tiempo a turbinas de gas alimentadas por petróleo o gas. No sólo los equipos de generación de energía, la energía de los barcos y algunas bombas y presurizadores mecánicos de alta potencia y otros equipos también funcionan con turbinas de gas. Por lo tanto, en casi todos los países industrializados, las turbinas de gas son uno de los principales mercados de la industria de fundición de precisión y sus ventas representaron aproximadamente un tercio de la cuota de mercado. Desafortunadamente, debido a varias razones, hasta ahora la industria de turbinas de gas de China todavía se encuentra en un nivel de desarrollo bastante bajo, incluidas las palas de las turbinas, incluidos muchos componentes clave que aún se encuentran en la etapa de desarrollo, lo que representa una proporción insignificante de la cuota de mercado de fundición de precisión.

De hecho, el principio de funcionamiento y la estructura de una turbina de gas industrial es básicamente el mismo que el de un motor de aviación, y la parte central también se compone de tres partes, como el presurizador, la cámara de combustión y la turbina (Fig. 15). Por lo tanto, muchas tecnologías avanzadas de fundición fina utilizadas en motores de aviación, como la solidificación direccional, la fundición monocristalina, el enfriamiento de las palas y el revestimiento de barrera térmica, se han trasplantado a las turbinas de gas en grandes cantidades. Al igual que los motores de aviación, la eficiencia térmica de las turbinas de gas está directamente relacionada con la temperatura de entrada del frente de la turbina. Por ejemplo, para el tipo tradicional de grupo electrógeno de ciclo combinado popular en el mundo, la temperatura de entrada frontal de la turbina es de 1100~1300℃ y la eficiencia térmica es de 43%~48%; mientras que la temperatura de entrada frontal del nuevo tipo de turbina de gas es de 1500 ℃ y la eficiencia térmica es del 52 %; y el valor objetivo de la eficiencia térmica de la turbina de gas de ultra alta eficiencia en el proceso de investigación y desarrollo es del 56% al 60%, y la temperatura de entrada frontal de la turbina se aumentará aún más a 1700 ℃.

Aunque los requisitos de las turbinas de gas industriales en términos de relación empuje-peso no son tan altos como los de los motores de aviación, la dificultad es su gran tamaño. La Figura 16 muestra los álabes primarios y secundarios de la turbina de gas industrial MS9001FA de GE, con longitudes de 43 cm y 56 cm, y masas de 13,5 kg y 12,6 kg, respectivamente. La Figura 17 muestra la sección del ventilador de la paleta guía de la turbina, con una longitud de 60 cm y una masa de >60 kg. También se ha informado que las longitudes de diseño de las palas de turbinas de turbinas de gas industriales han alcanzado incluso los 90 cm. La Figura 18 muestra un álabe de turbina monocristal de 30 cm de largo desarrollado con éxito por Mitsubishi Heavy Industries en Japón en 2011. La Figura 19 muestra un molde de cera en el proceso de prensado. La Figura 20 muestra un núcleo cerámico (en blanco) siendo recortado.

 Turbocompresor de motor de automóvil

El propósito original de instalar un turbocompresor en un automóvil es aprovechar al máximo los gases de escape del motor para hacer girar la turbina del turbocompresor, que a su vez impulsa el impulsor del compresor coaxial para comprimir el aire y suministrarlo al motor. , aumentando así la potencia y el par del motor para lograr el efecto de reducir el consumo de combustible y hacer que los gases de emisión sean más limpios (Figuras 21 y 22).

Normalmente, los motores diésel de los turismos emiten gases de escape a una temperatura máxima de unos 850°C, mientras que los motores de gasolina pueden alcanzar hasta 1050°C. Por lo tanto, las turbinas suelen estar fundidas con precisión a partir de aleaciones de alta temperatura a base de níquel, como 713C o MarM. La tecnología patentada de fundición antigravedad (fundición al vacío) de Hitchiner Manufacturing Co., Inc. en EE. UU. (Fig. 23) se considera el método más eficaz para producir este tipo de productos. Los impulsores frontales del compresor, por otro lado, no funcionan a altas temperaturas y generalmente están hechos de fundición de precisión tipo yeso de aleación de aluminio. Los impulsores y turbinas de sobrealimentador son generalmente de tamaño pequeño, pero tienen velocidades de rotación muy altas, de hasta 250.000 rpm o más, lo que genera requisitos de calidad muy estrictos para estos dos impulsores. Aunque también hay varios fabricantes nacionales que producen estos dos impulsores, la producción en la demanda total no representa una gran proporción.

En los últimos años, el uso de motores pequeños con turbocompresores para sustituir a los grandes motores de aspiración natural se ha convertido en una tendencia popular en Europa debido a los crecientes pedidos de reducción del consumo de combustible y mejora de la calidad del aire urbano, y con 2011 como año base, la tasa de instalación El número de sobrealimentadores se duplicará o más para 2016, representando hasta el 76% del total. Sin embargo, debido a que los generadores de automóviles de los países europeos son principalmente motores diésel, la instalación de un turbocompresor no es suficiente para cumplir con las normas de emisiones de vehículos de la UE que se actualizan constantemente, sino que también deben estar equipados con sistemas de admisión y escape para minimizar las PM2,5 y los NOx. y otras emisiones nocivas. Muchas piezas del sistema, la mayor parte del material es acero inoxidable, con geometría compleja, pared delgada y requisitos de precisión dimensional de características más altas, es muy adecuado para moldear con método de fundición de precisión, lo que hace que las piezas fundidas de precisión automotriz representen la rápida expansión de la cuota de mercado pasó del 5% en 2004 al 16% en 2011, durante el mismo período en Japón, saltó del 24% al 43%. Aunque las piezas de fundición de precisión del sistema de admisión y escape del sobrealimentador de automóviles, desde un punto de vista general en el mercado de fundición de precisión sólo pueden contarse como productos de gama media, pero debido a la demanda del mercado, el desarrollo de la industria de fundición de precisión de China proporciona una rara oportunidad. En el siglo XXI, el delta del río Yangtze de China, el mar de Bohai y otras áreas de muchas empresas de fundición de precisión, confiando en la reforma y la apertura para proporcionar ventajas políticas y geográficas, no pierden tiempo para aprovechar la oportunidad de hacer que esta parte de la fundición de precisión. Los productos en estas áreas se han asentado y rápidamente se han convertido en un nuevo mercado de productos, al mismo tiempo, no importa si desde la gestión de la empresa hasta la tecnología de proceso y el equipo, sino también sobre la base del original para mejorar un paso. Vale la pena mencionar que en los motores de automóviles nacionales, aunque los turismos todavía están dominados por motores de gasolina, los vehículos de carga están dominados por motores diésel. Con la mejora gradual de los requisitos de calidad del aire de China, los turbocompresores y sus equipos de soporte seguramente formarán rápidamente un nuevo mercado interno, será el desarrollo de la industria de fundición de precisión de China y luego agregará una nueva ola de vitalidad de desarrollo.

Reducir la densidad de las partes giratorias del sobrealimentador tiene un efecto positivo tanto en la eficiencia del motor como en la respuesta transitoria. Gravedad específica de la aleación de titanio y aluminio (TiAl) de 4,2 y de la aleación a base de níquel (713 C) de 7,9, por lo que si se utiliza la primera en lugar de la segunda, la masa se reducirá casi a la mitad (47%), reduciendo así la inercia de la turbina, acortando el tiempo de respuesta del aumento de par, de modo que se puedan mejorar las características de respuesta transitoria del turbocompresor. Según Daido Casting Co. de Japón (Daido Casting Co.), el uso de una combinación de fusión en suspensión y fundición al vacío ha fundido con éxito una turbina de turbocompresor de aleación de titanio y aluminio y la ha puesto en producción en masa. Figura 24 para el principio de fusión en suspensión (izquierda) y piscina de fusión (derecha), Figura 25 para la fusión en suspensión: esquema del dispositivo de fundición por succión al vacío.

   Aluminio titaniofundición de precisión de aleación

La aleación de titanio-aluminio es un compuesto intermetálico con baja densidad, buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas y resistencia a la oxidación, que puede usarse para reemplazar ciertas aleaciones de alta temperatura y otros materiales resistentes a altas temperaturas en las industrias aeroespacial, de turbinas de gas industriales y automotrices. . Los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas demuestran que tiene una alta resistencia a la fluencia y una excelente resistencia a la fatiga a 760 ℃. Pero tales materiales son frágiles, el alargamiento a temperatura ambiente es inferior al 2%, la resistencia al impacto y el rendimiento de extensión de grietas es deficiente, por lo que la fundición a presión se convierte en el mejor medio para formar dichos materiales. Desde los años noventa del siglo pasado, se utiliza cada vez más en lugar de aleaciones de alta temperatura a base de níquel para fabricar álabes de turbinas de gas industriales (Figura 26a), turbinas de fundición completa (Figura 26b), álabes de motores de aviación (Figura 26c), automóviles. Válvulas de entrada y escape de cilindros de motores de combustión interna y otros productos.