Tinjauan pembangunan teknologi tuangan berketepatan tinggi

Daripada koleksi Encik Chen Bing

Tuangan ketepatan tinggi atau tuangan ketepatan nilai tambah tinggi, yang melibatkan aeroangkasa, senjata, turbin gas perindustrian dan sektor penting lain, secara beransur-ansur jenis, spesifikasi, sama ada kualiti metalurgi atau penampilan sangat menuntut. Dalam kertas ini, hanya beberapa contoh tipikal sejarah pembangunan dan trend untuk membuat pengenalan ringkas.

Industri Pertahanan

 1、Bilah turbin enjin aero

Bahagian teras enjin penerbangan moden (atau enjin jet) terutamanya terdiri daripada tiga bahagian: tekanan, kebuk pembakaran dan turbin (Rajah 1). Berkait rapat dengan tuangan ketepatan ialah enjin tekanan selepas beberapa peringkat bilah dan bilah turbin, termasuk bilah statik (bilah panduan) dan bilah dinamik (bilah kerja). Jenis dan kegunaan pesawat yang berbeza, keperluan enjin tidak sama, tetapi satu perkara biasa, iaitu sentiasa meningkatkan nisbah tujahan kepada berat dan mengurangkan penggunaan bahan api. Untuk tujuan ini, meningkatkan kecekapan terma adalah kuncinya, dan langkah teknikal utama untuk meningkatkan kecekapan terma adalah tidak lebih daripada memaksimumkan nisbah tekanan tekanan dan suhu masuk depan turbin (Rajah 1). Hasilnya pasti akan menjadikan suhu keseluruhan sistem meningkat, bahagian yang berkaitan, terutamanya bilah turbin suhu kerja semakin tinggi dan lebih tinggi. Suhu kerja bilah turbin kelas pertama adalah kira-kira bersamaan dengan suhu masuk turbin, dan suhu masuk turbin semasa bagi enjin aero yang paling maju adalah setinggi 1700 ℃ yang luar biasa, melebihi takat lebur tinggi berasaskan nikel. -aloi suhu kira-kira 300 ℃.

Mengikut prinsip asas metalurgi, sempadan butiran adalah pautan lemah pada suhu tinggi, jadi kawasan sempadan butiran bahan aloi bilah turbin terikat untuk menjadi lebih kecil dan lebih kecil, dari perkembangan kristal equiaxed (1950S) ke arah arah arah tegasan utama kristal kolumnar berorientasikan selari dengan arah tegasan utama (1970S), suhu operasi bilah juga meningkat daripada 900 hingga 1000 ℃ kepada 1000 hingga 1100 ℃, dan kaedah pemutus juga sepadan daripada lebur vakum biasa - tuangan dibangunkan kepada pemejalan arah sehingga tuangan kristal tunggal (Rajah 2 dan 3).

Negara-negara yang berbeza membangunkan komposisi kimia aloi kristal tunggal tidak sama, tetapi struktur mikro pada asasnya adalah sama, iaitu, penyelesaian pepejal berasaskan nikel fasa γ sebagai substrat, adalah fasa diperkukuh suhu tinggi padu γ 'yang bertatahkan di dalamnya ( Rajah 4). Setakat ini, R&D aloi kristal tunggal telah mengalami satu, dua, tiga generasi, kini memasuki generasi keempat, lima dan juga generasi keenam peringkat penyelidikan dan pembangunan, sedang bergerak ke arah penggunaan suhu 1150 ℃ matlamat . Walaupun berdekad-dekad usaha tanpa henti, dari sudut pandangan aloi sahaja, suhu perkhidmatan masih belum melebihi 1150 ℃. Walau bagaimanapun, keperluan suhu salur masuk turbin aero-enjin terkini adalah setinggi 1700 ℃, perbezaan hampir 600 ℃. Bagaimana untuk menebus jurang 600 ℃ ini? Pada masa ini, terutamanya dengan bantuan dua langkah teknikal, iaitu, penyejukan udara di dalam bilah dan salutan penghalang haba luaran bilah. Untuk meningkatkan kecekapan penyejukan udara secara berterusan, saluran penyejukan dalaman bilah mestilah berliku-liku, supaya kesan penyejukannya di seluruh bahagian badan daun, terutamanya tepi pengambilan dan ekzos. Ini menghasilkan bentuk struktur yang semakin rumit dan kompleks untuk teras seramik yang membentuk rongga dalaman (Rajah 5). Memandangkan sifat penempaan dan pemesinan yang lemah bagi hampir semua aloi suhu tinggi, terutamanya dengan rongga dalaman yang kompleks (saluran penyejukan), tuangan ketepatan sepatutnya menjadi satu-satunya kaedah pengacuan untuk bilah turbin enjin aero setakat ini.

Salutan penghalang haba, secara ringkasnya, adalah salutan penebat haba, teknologi baharu yang dibangunkan hanya pada penghujung abad yang lalu. Struktur asasnya terdiri daripada dua lapisan, lapisan atas seramik dengan kekonduksian terma kecil dan lapisan pelekat direka untuk mengelakkan pengoksidaan substrat dan mengikatnya dengan ketat (Rajah 6). Yang pertama dibentuk terutamanya oleh kaedah pemendapan wap fizikal seperti pancaran elektron atau plasma, manakala yang terakhir dibentuk oleh pemendapan wap kimia. Pekali pengembangan terma keseluruhan salutan hendaklah sepadan dengan bahan substrat untuk memastikan ia tidak retak dan mengelupas pada suhu tinggi 1700°C. Salutan juga perlu digunakan pada bahan substrat. Rajah 7 menunjukkan bilah turbin berongga dengan salutan penghalang haba.

2、Komponen Struktur Integral Besar

Profil enjin aero biasa ditunjukkan dalam Rajah 8. Selongsong terdiri daripada beberapa petak, sering dirujuk sebagai "majalah". Selepas kebuk pembakaran biasanya tiada tuangan, manakala bahagian bertekanan dari beberapa bentuk majalah yang sangat kompleks selalunya hanya melalui tuangan acuan. Meningkatkan nisbah keperluan yang sentiasa meningkat bagi suhu operasi pemampat udara bertekanan terus meningkat, jadi kaedah pengacuan majalah ini daripada aluminium, tuangan pasir aloi magnesium (1950-an ~ 1960-an pembangunan kepingan logam keluli tahan karat - dikimpal kepada aloi titanium semasa atau tuangan ketepatan aloi suhu tinggi Rajah 9 menunjukkan majalah aloi titanium besar yang dihasilkan oleh PCC, dan Rajah 10 dan 11 menunjukkan majalah aloi titanium dan acuan lilin yang dihasilkan oleh Howmet.

Memandangkan aloi titanium mempunyai kekuatan spesifik dan kekukuhan spesifik yang lebih tinggi daripada aloi lain, komponen struktur kompleks berdinding nipis besar aloi titanium juga telah digunakan secara meluas dalam komponen struktur galas beban besar kapal terbang (Rajah 12) dan badan peluru berpandu (Rajah 13). ) sejak tahun 1970-an.

3、Tuangan ketepatan aloi aluminium dengan struktur penting

Tuangan ini digunakan secara meluas dalam rak, bingkai, tapak dan radiator untuk peralatan elektronik dan telekomunikasi, dsb. Rajah 14 menunjukkan beberapa contoh tipikal. Tuangan ketepatan aloi aluminium dengan struktur kamiran.

 Turbin gas perindustrian

Mengurangkan pelepasan gas rumah hijau telah menjadi cabaran yang serius bagi semua manusia. Jumlah terbesar karbon dioksida sudah pasti dikeluarkan daripada stesen janakuasa termoelektrik (terma) di seluruh dunia. Secara amnya, penjanaan kuasa haba dikategorikan sebagai pembakaran arang batu, pembakaran minyak atau gas, bergantung kepada bahan api yang digunakan. Pelepasan karbon dioksida bagi setiap unit haba yang dihasilkan oleh ketiga-tiga sistem ini adalah sangat berbeza, dengan nilai relatif masing-masing 1.00, 0.76 dan 0.53, yang bermaksud bahawa pelepasan karbon dioksida boleh dikurangkan kira-kira separuh jika semua penjanaan kuasa arang batu konvensional diganti. oleh penjanaan kuasa menggunakan gas. Seperti yang kita sedia maklum, pada masa ini, peralatan penjanaan kuasa haba China masih kebanyakannya adalah turbin stim yang menggunakan arang batu, dari sudut meningkatkan kecekapan tenaga peralatan penjanaan kuasa, negara perindustrian telah lama ditukar kepada turbin gas yang dijana oleh minyak atau gas. Bukan sahaja peralatan penjanaan kuasa, kuasa kapal dan beberapa pam mekanikal berkuasa tinggi dan tekanan serta peralatan lain juga dikuasakan oleh turbin gas. Oleh itu, hampir semua negara perindustrian, turbin gas adalah salah satu pasaran utama industri tuangan ketepatan, jualannya menyumbang kira-kira satu pertiga daripada bahagian pasaran. Malangnya, disebabkan oleh pelbagai sebab, setakat ini industri turbin gas China masih berada pada tahap pembangunan yang agak rendah, termasuk bilah turbin, termasuk banyak komponen utama masih dalam peringkat pembangunan, menyumbang bahagian pasaran pemutus ketepatan adalah diabaikan.

Malah, prinsip kerja dan struktur turbin gas industri pada asasnya adalah sama seperti enjin penerbangan, dan bahagian teras juga terdiri daripada tiga bahagian, seperti tekanan, kebuk pembakaran dan turbin (Rajah 15). Oleh itu, banyak teknologi tuangan halus termaju yang digunakan dalam enjin penerbangan, seperti pemejalan arah, tuangan kristal tunggal, penyejukan bilah dan salutan penghalang haba, telah dipindahkan ke turbin gas dalam kuantiti yang banyak. Seperti enjin aero, kecekapan terma turbin gas berkait secara langsung dengan suhu salur masuk depan turbin. Sebagai contoh, bagi jenis tradisional set penjana kitaran gabungan yang popular di dunia, suhu masuk depan turbin ialah 1100~1300℃, dan kecekapan terma ialah 43%~48%; manakala suhu masuk depan turbin gas jenis baharu ialah 1500 ℃, dan kecekapan terma ialah 52%; dan nilai sasaran kecekapan haba turbin gas kecekapan ultra tinggi dalam proses penyelidikan dan pembangunan ialah 56% ~ 60%, dan suhu salur masuk depan turbin akan ditingkatkan lagi kepada 1700 ℃.

Walaupun keperluan turbin gas industri dari segi nisbah tujahan kepada berat tidak setinggi enjin aero, kesukarannya ialah saiz yang besar. Rajah 16 menunjukkan bilah turbin primer dan sekunder bagi turbin gas industri MS9001FA GE, dengan panjang 43cm dan 56cm, dan jisim masing-masing 13.5kg dan 12.6kg. Rajah 17 menunjukkan bahagian kipas baling pemandu turbin, dengan panjang 60cm dan jisim >60kg. Ia juga telah dilaporkan bahawa panjang reka bentuk bilah turbin turbin gas industri bahkan mencapai 90cm. Rajah 18 menunjukkan bilah turbin kristal tunggal sepanjang 30 cm yang berjaya dibangunkan oleh Mitsubishi Heavy Industries di Jepun pada tahun 2011. Rajah 19 menunjukkan acuan lilin dalam proses menekan. Rajah 20 menunjukkan teras seramik (kosong) sedang dipangkas.

 Pengecas turbo enjin kereta

Tujuan asal memasang pengecas turbo di dalam kereta adalah untuk menggunakan sepenuhnya gas ekzos dari enjin untuk memacu turbin pengecas turbo berputar, yang seterusnya memacu pendesak pemampat sepaksi untuk memampatkan udara dan membekalkannya kepada enjin , sekali gus meningkatkan kuasa enjin dan tork untuk mencapai kesan mengurangkan penggunaan bahan api dan menjadikan gas pelepasan lebih bersih (Rajah 21 dan 22).

Biasanya, enjin diesel kereta penumpang mengeluarkan gas ekzos pada suhu maksimum kira-kira 850°C, manakala enjin petrol boleh mencapai sehingga 1050°C. Oleh itu, turbin biasanya adalah tuangan ketepatan daripada aloi suhu tinggi berasaskan nikel seperti 713C atau MarM. Teknologi tuangan antigraviti (pemutus vakum) yang dipatenkan oleh Hitchiner Manufacturing Co., Inc. di Amerika Syarikat (Rajah 23) dianggap sebagai kaedah paling cekap untuk menghasilkan produk tersebut. Pendesak pemampat hadapan, sebaliknya, tidak beroperasi pada suhu tinggi dan biasanya diperbuat daripada tuangan ketepatan jenis plaster aloi aluminium. Pendesak supercharger dan turbin biasanya bersaiz kecil, tetapi mempunyai kelajuan putaran yang sangat tinggi, sehingga 250,000 rpm atau lebih, menghasilkan keperluan kualiti yang sangat ketat untuk kedua-dua pendesak ini. Walaupun terdapat juga beberapa pengeluar domestik yang mengeluarkan kedua-dua pendesak ini, tetapi pengeluaran dalam jumlah permintaan tidak mengambil kira bahagian yang besar.

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penggunaan enjin kecil dengan pengecas turbo untuk menggantikan enjin besar yang disedut semula jadi telah menjadi trend popular di Eropah disebabkan oleh permintaan yang semakin meningkat untuk mengurangkan penggunaan bahan api dan kualiti udara bandar yang lebih baik, dan dengan 2011 sebagai tahun asas, kadar pemasangan pengecas super akan berganda atau lebih menjelang 2016, menyumbang sebanyak 76% daripada jumlah keseluruhan. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh negara-negara Eropah penjana automotif terutamanya enjin diesel, hanya pemasangan pengecas turbo tidak mencukupi untuk memenuhi piawaian pelepasan kenderaan EU yang sentiasa dikemas kini, tetapi juga mesti dilengkapi dengan sistem pengambilan dan ekzos untuk meminimumkan PM2.5 dan NOx dan pelepasan berbahaya yang lain. Banyak bahagian dalam sistem, kebanyakan bahan adalah keluli tahan karat, dengan geometri kompleks, dinding nipis dan keperluan ketepatan dimensi ciri-ciri yang lebih tinggi, sangat sesuai untuk membentuk dengan kaedah tuangan ketepatan, yang menjadikan tuangan ketepatan automotif menyumbang kepada pengembangan pesat bahagian pasaran daripada 5% pada tahun 2004 kepada 16% pada tahun 2011, dalam tempoh masa yang sama di Jepun, daripada 24% melonjak kepada 43%. Walaupun pengecas super automobil dan tuangan ketepatan sistem ekzos, dari sudut pandangan umum dalam pasaran tuangan ketepatan hanya boleh dikira sebagai produk jarak pertengahan, tetapi kerana permintaan pasaran, untuk pembangunan industri tuangan ketepatan China menyediakan peluang yang jarang berlaku. Menjelang abad ke-21, Delta Sungai Yangtze China, Laut Bohai dan kawasan lain dari banyak perusahaan tuangan ketepatan, bergantung pada pembaharuan dan membuka diri untuk memberikan kelebihan dasar dan geografi, tidak kehilangan masa untuk merebut peluang untuk menjadikan bahagian tuangan ketepatan ini. produk dalam bidang ini telah diselesaikan, dan cepat berkembang menjadi pasaran produk baru, pada masa yang sama, tidak kira sama ada dari pengurusan perusahaan untuk memproses teknologi dan peralatan, tetapi juga berdasarkan asal untuk meningkatkan langkah. Perlu dinyatakan bahawa enjin kereta domestik, walaupun kereta penumpang masih dikuasai oleh enjin petrol, tetapi kereta barang dikuasai oleh enjin diesel. Dengan peningkatan beransur-ansur keperluan kualiti udara China, pengecas turbo dan peralatan sokongannya pasti akan membentuk pasaran domestik baharu dengan cepat, akan menjadi pembangunan industri tuangan ketepatan China dan kemudian menambah gelombang pembangunan daya hidup baharu.

Mengurangkan ketumpatan bahagian berputar pengecas super mempunyai kesan positif pada kedua-dua kecekapan enjin dan tindak balas sementara. Aloi titanium-aluminium (TiAl) graviti tentu 4.2, dan aloi berasaskan nikel (713 C) graviti tentu 7.9, jadi jika yang pertama dan bukannya yang kedua, jisim akan berkurangan hampir separuh (47%), dengan itu mengurangkan inersia turbin, memendekkan masa tindak balas peningkatan tork, supaya ciri tindak balas sementara pengecas turbo boleh dipertingkatkan. Menurut Daido Casting Co. (Daido Casting Co.) Jepun, menggunakan gabungan peleburan suspensi dan tuangan vakum telah berjaya menuang turbin pengecas turbo aloi titanium-aluminium, dan dimasukkan ke dalam pengeluaran besar-besaran. Rajah 24 untuk prinsip lebur ampaian (kiri) dan kolam lebur (kanan), Rajah 25 untuk lebur ampaian - skema peranti pemutus sedutan vakum.

   Aluminium titaniumpemutus ketepatan aloi

Aloi titanium-aluminium ialah sebatian antara logam dengan ketumpatan rendah, sifat mekanikal suhu tinggi yang baik dan rintangan pengoksidaan, yang boleh digunakan untuk menggantikan aloi suhu tinggi tertentu dan bahan tahan suhu tinggi yang lain dalam aeroangkasa, turbin gas industri dan industri automotif . Keputusan ujian sifat mekanikal membuktikan bahawa ia mempunyai rintangan rayapan yang tinggi dan rintangan keletihan yang sangat baik pada 760 ℃. Tetapi bahan-bahan tersebut adalah rapuh, pemanjangan suhu bilik kurang daripada 2%, rintangan hentaman dan prestasi lanjutan retak adalah lemah, jadi tuangan die dan menjadi cara terbaik untuk membentuk bahan tersebut. Sejak tahun sembilan puluhan abad yang lalu, semakin banyak digunakan sebagai ganti aloi suhu tinggi berasaskan nikel untuk mengeluarkan bilah turbin gas industri (Rajah 26a), keseluruhan turbin tuangan (Rajah 26b), bilah enjin aero (Rajah 26c), automotif injap masuk dan ekzos enjin pembakaran dalaman dan produk lain.