Prospek pengembangan teknologi pengecoran presisi kelas atas

Dari koleksi Tuan Chen Bing

Pengecoran presisi kelas atas atau pengecoran presisi bernilai tambah tinggi, yang melibatkan ruang angkasa, senjata, turbin gas industri dan sektor penting lainnya, secara bertahap variasi, spesifikasi, baik kualitas metalurgi atau penampilan sangat menuntut. Dalam makalah ini, hanya beberapa contoh khas sejarah perkembangan dan tren yang dapat diperkenalkan secara singkat.

Industri Pertahanan

 1、Bilah turbin mesin aero

Bagian inti dari mesin penerbangan modern (atau mesin jet) terutama terdiri dari tiga bagian: alat penekan, ruang bakar dan turbin (Gambar 1). Terkait erat dengan pengecoran presisi adalah mesin bertekanan setelah beberapa tahap pengoperasian sudu dan sudu turbin, termasuk sudu statis (sudu pemandu) dan sudu dinamis (sudu kerja). Berbeda jenis dan kegunaan pesawat, kebutuhan mesinnya tidak sama, namun ada satu hal yang sama, yaitu terus meningkatkan rasio dorong terhadap berat dan mengurangi konsumsi bahan bakar. Untuk mencapai tujuan ini, peningkatan efisiensi termal adalah kuncinya, dan langkah teknis utama untuk meningkatkan efisiensi termal tidak lebih dari memaksimalkan rasio tekanan dari pressurizer dan suhu saluran masuk depan turbin (Gambar 1). Akibatnya mau tidak mau akan membuat temperatur seluruh sistem meningkat, bagian-bagian terkait, terutama sudu turbin, temperatur kerja semakin tinggi. Suhu kerja bilah turbin kelas satu kira-kira setara dengan suhu masuk turbin, dan suhu masuk turbin saat ini dari mesin aero paling canggih mencapai 1700 ℃, melebihi titik leleh tinggi berbasis nikel. -paduan suhu sekitar 300 ℃.

Menurut prinsip dasar metalurgi, batas butir merupakan mata rantai lemah pada suhu tinggi, sehingga luas batas butir bahan paduan sudu turbin akan semakin mengecil, mulai dari perkembangan kristal equiaxed (1950S) hingga arah arah tegangan utama kristal kolumnar yang berorientasi sejajar dengan arah tegangan utama (1970S), suhu pengoperasian sudu juga ditingkatkan dari 900 menjadi 1000 ℃ menjadi 1000 menjadi 1100 ℃, dan metode pengecoran juga berasal dari peleburan vakum biasa - pengecoran dikembangkan ke pemadatan terarah hingga pengecoran kristal tunggal (Gambar 2 dan 3).

Komposisi kimia paduan kristal tunggal yang dikembangkan di berbagai negara tidak sama, tetapi struktur mikro pada dasarnya sama, yaitu larutan padat berbasis nikel γ-fase sebagai substrat, adalah fase kubik yang diperkuat suhu tinggi γ 'yang bertatahkan di dalamnya ( Gambar 4). Sejauh ini, penelitian dan pengembangan paduan kristal tunggal telah mengalami satu, dua, tiga generasi, kini memasuki tahap penelitian dan pengembangan generasi keempat, lima dan bahkan keenam, bergerak menuju penggunaan suhu tujuan 1150 ℃ . Meskipun ada upaya yang tak henti-hentinya selama puluhan tahun, dari sudut pandang paduan saja, suhu layanan belum melebihi 1.150 ℃. Namun, persyaratan suhu masuk turbin mesin aero terbaru mencapai 1700℃, perbedaannya hampir 600℃. Bagaimana cara mengatasi kesenjangan 600 ℃ ini? Saat ini, terutama dengan bantuan dua langkah teknis, yaitu pendinginan udara di dalam sudu dan lapisan penghalang termal luar sudu. Untuk terus meningkatkan efisiensi pendinginan udara, saluran pendingin internal bilah harus berliku-liku, sehingga efek pendinginannya dapat dirasakan di seluruh bagian badan daun, terutama di tepi saluran masuk dan keluar. Hal ini menghasilkan bentuk struktural yang semakin rumit dan kompleks pada inti keramik yang membentuk rongga internal (Gambar 5). Mengingat sifat penempaan dan pemesinan yang buruk pada hampir semua paduan suhu tinggi, terutama dengan rongga internal yang kompleks (saluran pendingin), pengecoran presisi sepatutnya menjadi satu-satunya metode pencetakan bilah turbin mesin pesawat hingga saat ini.

Singkatnya, lapisan penghalang termal adalah lapisan insulasi panas, sebuah teknologi baru yang dikembangkan hanya pada akhir abad terakhir. Struktur dasarnya terdiri dari dua lapisan, lapisan atas keramik dengan konduktivitas termal kecil dan lapisan perekat yang dirancang untuk mencegah oksidasi substrat dan mengikatnya dengan erat (Gbr. 6). Yang pertama dibentuk terutama melalui metode deposisi uap fisik seperti berkas elektron atau plasma, sedangkan yang kedua dibentuk oleh deposisi uap kimia. Koefisien muai panas keseluruhan lapisan harus sesuai dengan bahan substrat untuk memastikan tidak retak dan terkelupas pada suhu tinggi 1700°C. Pelapisan juga harus diterapkan pada bahan substrat. Gambar 7 menunjukkan bilah turbin berongga dengan lapisan penghalang termal.

2、Komponen Struktur Integral Besar

Profil mesin aero yang khas ditunjukkan pada Gambar 8. Casingnya terdiri dari sejumlah kompartemen, sering disebut sebagai "majalah". Setelah ruang bakar umumnya tidak ada pengecoran, sedangkan bagian bertekanan dari beberapa bentuk magasin yang sangat kompleks seringkali hanya melalui pengecoran cetakan. Peningkatan rasio persyaratan suhu operasi kompresor udara bertekanan yang terus meningkat terus meningkat, sehingga metode pencetakan majalah ini dari aluminium, pengecoran pasir paduan magnesium (1950an ~ 1960an pengembangan lembaran logam baja tahan karat - dilas ke paduan titanium saat ini atau pengecoran presisi paduan suhu tinggi. Gambar 9 menunjukkan majalah paduan titanium besar yang diproduksi oleh PCC, dan Gambar 10 dan 11 menunjukkan majalah paduan titanium dan cetakan lilin yang masing-masing diproduksi oleh Howmet.

Karena paduan titanium memiliki kekuatan spesifik dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dibandingkan paduan lainnya, komponen struktural kompleks berdinding tipis yang besar dari paduan titanium juga telah banyak digunakan dalam komponen struktural penahan beban besar pada pesawat terbang (Gbr. 12) dan lambung rudal (Gbr. 13 ) sejak tahun 1970an.

3, coran presisi paduan aluminium dengan struktur integral

Coran ini banyak digunakan pada rak, rangka, alas dan radiator untuk peralatan elektronik dan telekomunikasi, dll. Gambar 14 menunjukkan beberapa contoh tipikal. Coran presisi paduan aluminium dengan struktur integral.

 Turbin gas industri

Mengurangi emisi gas rumah kaca telah menjadi tantangan serius bagi seluruh umat manusia. Jumlah karbon dioksida terbesar tidak diragukan lagi dihasilkan oleh pembangkit listrik termoelektrik (termal) di seluruh dunia. Secara umum, pembangkit listrik termal dikategorikan menjadi pembangkit listrik berbahan bakar batubara, berbahan bakar minyak, atau berbahan bakar gas, tergantung pada bahan bakar yang digunakan. Emisi karbon dioksida per unit panas yang dihasilkan oleh ketiga sistem ini sangat berbeda, dengan nilai relatif masing-masing sebesar 1,00, 0,76, dan 0,53, yang berarti bahwa emisi karbon dioksida dapat dikurangi sekitar setengahnya jika semua pembangkit listrik tenaga batu bara konvensional diganti. oleh pembangkit listrik berbahan bakar gas. Seperti kita ketahui bersama, saat ini peralatan pembangkit listrik tenaga panas China sebagian besar masih berupa turbin uap berbahan bakar batubara, dari sudut pandang peningkatan efisiensi energi peralatan pembangkit listrik, negara-negara industri telah lama beralih ke turbin gas berbahan bakar minyak atau gas. Tidak hanya peralatan pembangkit listrik, tenaga kapal dan beberapa pompa mekanis berkekuatan tinggi serta pressurizer dan peralatan lainnya juga ditenagai oleh turbin gas. Oleh karena itu, hampir di semua negara industri, turbin gas merupakan salah satu pasar utama industri pengecoran presisi, penjualannya menyumbang sekitar sepertiga dari pangsa pasar. Sayangnya, karena berbagai alasan, sejauh ini industri turbin gas Tiongkok masih berada pada tingkat perkembangan yang cukup rendah, termasuk bilah turbin, termasuk banyak komponen utama yang masih dalam tahap pengembangan, sehingga proporsi pangsa pasar pengecoran presisi dapat diabaikan.

Sebenarnya prinsip kerja dan struktur turbin gas industri pada dasarnya sama dengan mesin penerbangan, dan bagian inti juga terdiri dari tiga bagian, seperti pressurizer, ruang bakar dan turbin (Gbr. 15). Oleh karena itu, banyak teknologi pengecoran halus canggih yang digunakan dalam mesin penerbangan, seperti pemadatan terarah, pengecoran kristal tunggal, pendinginan bilah, dan pelapisan penghalang termal, telah ditransplantasikan ke turbin gas dalam jumlah besar. Seperti mesin pesawat terbang, efisiensi termal turbin gas berhubungan langsung dengan temperatur masuk bagian depan turbin. Misalnya, untuk jenis generator siklus gabungan tradisional yang populer di dunia, suhu saluran masuk depan turbin adalah 1100~1300℃, dan efisiensi termal adalah 43%~48%; sedangkan suhu masuk depan turbin gas tipe baru adalah 1500℃, dan efisiensi termal adalah 52%; dan nilai target efisiensi termal turbin gas efisiensi ultra tinggi dalam proses penelitian dan pengembangan adalah 56%~60%, dan suhu saluran masuk depan turbin akan ditingkatkan lebih lanjut menjadi 1700 ℃.

Meskipun persyaratan turbin gas industri dalam hal rasio dorong terhadap berat tidak setinggi mesin aero, kesulitannya adalah ukurannya yang besar. Gambar 16 menunjukkan bilah turbin primer dan sekunder turbin gas industri MS9001FA GE, dengan panjang 43cm dan 56cm, serta massa masing-masing 13,5kg dan 12,6kg. Gambar 17 menunjukkan bagian kipas pada baling-baling pemandu turbin, dengan panjang 60cm dan massa >60kg. Dilaporkan juga bahwa panjang desain bilah turbin turbin gas industri bahkan mencapai 90cm. Gambar 18 menunjukkan bilah turbin kristal tunggal sepanjang 30 cm yang berhasil dikembangkan oleh Mitsubishi Heavy Industries di Jepang pada tahun 2011. Gambar 19 menunjukkan cetakan lilin dalam proses pengepresan. Gambar 20 menunjukkan inti keramik (kosong) yang sedang dipangkas.

 Turbocharger mesin mobil

Tujuan awal pemasangan turbocharger pada mobil adalah untuk memanfaatkan sepenuhnya gas buang dari mesin untuk menggerakkan turbin turbocharger agar berputar, yang pada gilirannya menggerakkan impeler kompresor koaksial untuk memampatkan udara dan menyuplainya ke mesin. , sehingga meningkatkan tenaga dan torsi mesin untuk mencapai efek pengurangan konsumsi bahan bakar dan menjadikan gas emisi lebih bersih (Gambar 21 dan 22).

Biasanya, mesin diesel mobil penumpang mengeluarkan gas buang pada suhu maksimum sekitar 850°C, sedangkan mesin bensin dapat mencapai hingga 1050°C. Oleh karena itu, turbin biasanya dibuat secara presisi dari paduan suhu tinggi berbasis nikel seperti 713C atau MarM. Teknologi pengecoran anti-gravitasi (pengecoran vakum) yang dipatenkan oleh Hitchiner Manufacturing Co., Inc. di AS (Gbr. 23) dianggap sebagai metode paling efisien untuk memproduksi produk tersebut. Sebaliknya, impeler kompresor depan tidak beroperasi pada suhu tinggi dan biasanya terbuat dari pengecoran presisi tipe plester paduan aluminium. Impeler dan turbin supercharger umumnya berukuran kecil, namun memiliki kecepatan putaran yang sangat tinggi, hingga 250.000 rpm atau lebih, sehingga mengakibatkan persyaratan kualitas yang sangat ketat untuk kedua impeler tersebut. Meski sejumlah pabrikan dalam negeri juga memproduksi kedua impeler ini, namun produksi dalam total permintaan tidak menyumbang proporsi yang besar.

Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan mesin kecil dengan turbocharger untuk menggantikan mesin besar yang disedot secara alami telah menjadi tren populer di Eropa karena meningkatnya seruan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan meningkatkan kualitas udara perkotaan, dan dengan tahun dasar 2011, tingkat pemasangan jumlah supercharger akan berlipat ganda atau lebih pada tahun 2016, yaitu sebesar 76% dari total. Namun, karena generator otomotif di negara-negara Eropa sebagian besar bermesin diesel, maka pemasangan turbocharger saja tidak cukup untuk memenuhi standar emisi kendaraan UE yang terus diperbarui, namun juga harus dilengkapi dengan sistem pemasukan dan pembuangan untuk meminimalkan PM2.5 dan NOx. dan emisi berbahaya lainnya. Banyak bagian dalam sistem, sebagian besar bahannya adalah baja tahan karat, dengan geometri kompleks, dinding tipis, dan persyaratan akurasi dimensi dengan karakteristik lebih tinggi, sangat cocok untuk pencetakan dengan metode pengecoran presisi, yang membuat pengecoran presisi otomotif memperhitungkan perluasan yang cepat dari pangsa pasar dari 5% pada tahun 2004 menjadi 16% pada tahun 2011, pada periode waktu yang sama di Jepang, dari 24% melonjak menjadi 43%. Meskipun pengecoran presisi sistem pemasukan dan pembuangan supercharger mobil, dari sudut pandang umum di pasar pengecoran presisi hanya dapat dihitung sebagai produk kelas menengah, namun karena permintaan pasar, untuk pengembangan industri pengecoran presisi China menyediakan a kesempatan langka. Memasuki abad ke-21, Delta Sungai Yangtze, Laut Bohai, dan wilayah lain di Tiongkok dengan banyak perusahaan pengecoran presisi, mengandalkan reformasi dan keterbukaan untuk memberikan keuntungan kebijakan dan geografis, tidak membuang waktu untuk memanfaatkan peluang menjadikan ini bagian dari pengecoran presisi. produk-produk di area ini telah menetap, dan dengan cepat berkembang menjadi pasar produk baru, pada saat yang sama, tidak peduli apakah dari manajemen perusahaan hingga teknologi proses dan peralatan, tetapi juga atas dasar yang asli untuk meningkatkan suatu langkah. Perlu disebutkan bahwa mesin mobil dalam negeri, meskipun mobil penumpang masih didominasi oleh mesin bensin, namun mobil barang didominasi oleh mesin diesel. Dengan peningkatan bertahap dalam persyaratan kualitas udara Tiongkok, turbocharger dan peralatan pendukungnya akan segera membentuk pasar domestik baru, akan menjadi pengembangan industri pengecoran presisi Tiongkok dan kemudian menambah gelombang baru vitalitas pembangunan.

Mengurangi kepadatan bagian supercharger yang berputar mempunyai efek positif pada efisiensi mesin dan respons transien. Berat jenis paduan titanium-aluminium (TiAl) adalah 4,2, dan berat jenis paduan berbasis nikel (713 C) adalah 7,9, jadi jika yang pertama dan bukan yang terakhir, massanya akan berkurang hampir setengahnya (47%), sehingga mengurangi inersia turbin, memperpendek waktu respons peningkatan torsi, sehingga karakteristik respons transien turbocharger dapat ditingkatkan. Menurut Daido Casting Co. Jepang (Daido Casting Co.), menggunakan kombinasi peleburan suspensi dan pengecoran vakum telah berhasil membuat turbin turbocharger paduan titanium-aluminium, dan dimasukkan ke dalam produksi massal. Gambar 24 untuk prinsip peleburan suspensi (kiri) dan kolam peleburan (kanan), Gambar 25 untuk skema peleburan suspensi - skema perangkat pengecoran hisap vakum.

   aluminium titaniumpengecoran presisi paduan

Paduan titanium-aluminium adalah senyawa intermetalik dengan kepadatan rendah, sifat mekanik suhu tinggi yang baik, dan ketahanan oksidasi, yang dapat digunakan untuk menggantikan paduan suhu tinggi tertentu dan bahan tahan suhu tinggi lainnya di ruang angkasa, turbin gas industri, dan industri otomotif. . Hasil uji sifat mekanik membuktikan memiliki ketahanan mulur yang tinggi dan ketahanan lelah yang sangat baik pada suhu 760 ℃. Namun bahan tersebut rapuh, perpanjangan suhu ruangan kurang dari 2%, ketahanan benturan dan kinerja perluasan retak buruk, sehingga die casting dan menjadi cara terbaik untuk membentuk bahan tersebut. Sejak tahun sembilan puluhan abad yang lalu, semakin banyak yang digunakan sebagai pengganti paduan suhu tinggi berbasis nikel untuk memproduksi bilah turbin gas industri (Gambar 26a), turbin pengecoran keseluruhan (Gambar 26b), bilah mesin pesawat (Gambar 26c), otomotif katup masuk dan buang silinder mesin pembakaran internal dan produk lainnya.