Ontwikkelingsvooruitzichten voor hoogwaardige precisiegiettechnologie

Uit de collectie van meneer Chen Bing

Hoogwaardige precisiegietstukken of precisiegietstukken met hoge toegevoegde waarde, waarbij de lucht- en ruimtevaart, wapens, industriële gasturbines en andere belangrijke sectoren betrokken zijn, geleidelijk worden variëteiten, specificaties, of het nu gaat om metallurgische kwaliteit of uiterlijke kwaliteit, zeer veeleisend. In dit artikel slechts een paar typische voorbeelden van de ontwikkelingsgeschiedenis en trends, om een ​​korte introductie te geven.

Defensie-industrie

 1. Turbinebladen voor vliegtuigmotoren

Het kerngedeelte van de moderne luchtvaartmotor (of straalmotor) bestaat hoofdzakelijk uit drie delen: het drukregelvat, de verbrandingskamer en de turbine (Figuur 1). Nauw verwant aan het precisiegieten is de drukmotor na verschillende fasen van bladen en turbinebladen, inclusief statische bladen (geleidingsbladen) en dynamische bladen (werkende bladen). Verschillende typen en toepassingen van vliegtuigen, de eisen aan de motor zijn niet hetzelfde, maar één ding is gemeenschappelijk: het voortdurend verbeteren van de stuwkracht-gewichtsverhouding en het verminderen van het brandstofverbruik. Hiertoe is het verbeteren van de thermische efficiëntie de sleutel, en de belangrijkste technische maatregelen om de thermische efficiëntie te verbeteren zijn niets meer dan het maximaliseren van de drukverhouding van het drukregelvat en de inlaattemperatuur van de turbine aan de voorkant (Figuur 1). Het resultaat zal er onvermijdelijk voor zorgen dat de temperatuur van het hele systeem stijgt, de relevante onderdelen, vooral de werktemperatuur van de turbinebladen, worden steeds hoger. De werktemperatuur van de eersteklas turbinebladen is ongeveer gelijk aan de inlaattemperatuur van de turbine, en de huidige turbine-inlaattemperatuur van de meest geavanceerde vliegtuigmotor is maar liefst 1700 ℃, wat het smeltpunt van op nikkel gebaseerde hoge temperaturen overschrijdt. -temperatuurlegeringen met ongeveer 300 ℃.

Volgens de basisprincipes van de metallurgie zijn korrelgrenzen zwakke schakels bij hoge temperaturen, dus het korrelgrensgebied van het legeringsmateriaal van de turbinebladen zal ongetwijfeld steeds kleiner worden, vanaf de ontwikkeling van gelijkassige kristallen (jaren vijftig) tot de richting van de hoofdspanningsrichting van het georiënteerde kolomvormige kristal evenwijdig aan de richting van de hoofdspanning (jaren 70), de bedrijfstemperatuur van het blad wordt ook verhoogd van 900 tot 1000 ℃ tot 1000 tot 1100 ℃, en de gietmethoden zijn ook dienovereenkomstig van het gewone vacuümsmelten - het gieten ontwikkelde zich tot gerichte stolling tot het gieten van één kristal (figuren 2 en 3).

Verschillende landen ontwikkelden de chemische samenstelling van eenkristallegeringen niet hetzelfde, maar de microstructuur is in wezen hetzelfde, dat wil zeggen dat de op nikkel gebaseerde vaste oplossing γ-fase als substraat een kubieke, bij hoge temperatuur versterkte fase γ 'ingelegd is ( Figuur 4). Tot nu toe heeft de R & D van eenkristallegering één, twee, drie generaties meegemaakt, gaat nu de vierde, vijf en zelfs de zesde generatie van de onderzoeks- en ontwikkelingsfase in en gaat richting het gebruik van de temperatuur van 1150 ℃ doel . Ondanks decennia van niet-aflatende inspanningen is de bedrijfstemperatuur, alleen al vanuit het oogpunt van de legering, nog niet boven de 1150 ℃ gekomen. De nieuwste vereiste voor de inlaattemperatuur van een vliegtuigmotorturbine bedraagt ​​echter maar liefst 1700℃, een verschil van bijna 600℃. Hoe kan ik dit gat van 600 ℃ compenseren? Momenteel wordt dit voornamelijk gedaan met behulp van twee technische maatregelen, namelijk luchtkoeling in het blad en de thermische barrièrecoating aan de buitenkant van het blad. Om de efficiëntie van de luchtkoeling voortdurend te verbeteren, moet het interne koelkanaal van het blad kronkelig zijn, zodat het koeleffect over de hele lichaamsdelen van het blad ontstaat, vooral de rand van de inlaat en uitlaat. Dit resulteert in steeds uitgebreidere en complexere structurele vormen voor de keramische kernen die de interne holtes vormen (Figuur 5). Met het oog op de slechte smeed- en bewerkingseigenschappen van bijna alle hogetemperatuurlegeringen, vooral met complexe interne holtes (koelkanalen), is precisiegieten terecht de enige vormmethode voor turbinebladen van vliegtuigmotoren tot nu toe geworden.

Kortom, thermische barrièrecoating is een warmte-isolerende coating, een nieuwe technologie die pas eind vorige eeuw is ontwikkeld. De basisstructuur bestaat uit twee lagen: een keramische toplaag met een kleine thermische geleidbaarheid en een lijmlaag die is ontworpen om oxidatie van het substraat te voorkomen en stevig te binden (Fig. 6). De eerste wordt voornamelijk gevormd door fysische dampafzettingsmethoden zoals elektronenbundel of plasma, terwijl de laatste wordt gevormd door chemische dampafzetting. De totale thermische uitzettingscoëfficiënt van de coating moet overeenkomen met die van het substraatmateriaal om ervoor te zorgen dat deze niet barst en afbladdert bij een hoge temperatuur van 1700°C. De coating moet ook op het substraatmateriaal worden aangebracht. Figuur 7 toont een holle turbineschoep met een thermische barrièrecoating.

2, grote integrale structurele componenten

Een typisch vliegtuigmotorprofiel wordt getoond in figuur 8. De behuizing bestaat uit een aantal compartimenten, vaak het "tijdschrift" genoemd. Na de verbrandingskamer vindt er over het algemeen geen gietwerk plaats, terwijl het onder druk staande deel van een deel van de zeer complexe vorm van het magazijn vaak alleen via het gieten of gieten plaatsvindt. De boost-ratio van de steeds toenemende eisen van de bedrijfstemperatuur van de persluchtcompressor blijft stijgen, dus de vormmethode van deze magazijnen uit aluminium, zandgieten van magnesiumlegeringen (ontwikkeling uit de jaren 50 ~ 60 van roestvrij staalplaat - gelast aan de huidige titaniumlegering of precisiegieten van legeringen bij hoge temperatuur. Figuur 9 toont het grote magazijn van titaniumlegering geproduceerd door PCC, en figuren 10 en 11 tonen respectievelijk het magazijn van titaniumlegering en de wasvorm geproduceerd door Howmet.

Omdat titaniumlegeringen een hogere specifieke sterkte en specifieke stijfheid hebben dan andere legeringen, worden grote dunwandige, complexe structurele componenten van titaniumlegeringen ook op grote schaal gebruikt in grote dragende structurele componenten van vliegtuigen (Fig. 12) en raketrompen (Fig. 13). ) sinds de jaren zeventig.

3. Precisiegietstukken van aluminiumlegering met integrale structuur

Deze gietstukken worden veel gebruikt in rekken, frames, basissen en radiatoren voor elektronische en telecommunicatieapparatuur, enz. Figuur 14 toont enkele typische voorbeelden. Precisiegietstukken van aluminiumlegering met integrale structuur.

 Industriële gasturbines

Het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen is een serieuze uitdaging geworden voor de hele mensheid. De grootste hoeveelheid koolstofdioxide wordt ongetwijfeld uitgestoten door thermo-elektrische (thermische) energiecentrales over de hele wereld. Over het algemeen wordt de opwekking van thermische energie gecategoriseerd als kolengestookt, oliegestookt of gasgestookt, afhankelijk van de gebruikte brandstof. De kooldioxide-uitstoot per eenheid warmte geproduceerd door deze drie systemen is zeer verschillend, met relatieve waarden van respectievelijk 1,00, 0,76 en 0,53, wat betekent dat de kooldioxide-uitstoot met ongeveer de helft kan worden verminderd als alle conventionele kolengestookte energieopwekking wordt vervangen door gasgestookte energieopwekking. Zoals we allemaal weten bestaat de Chinese apparatuur voor de opwekking van thermische energie momenteel nog steeds voornamelijk uit kolengestookte stoomturbines. Vanuit het oogpunt van het verbeteren van de energie-efficiëntie van apparatuur voor de opwekking van energie zijn de geïndustrialiseerde landen al lang overgestapt op gasturbines die worden aangedreven door olie of gas. Niet alleen apparatuur voor energieopwekking, scheepsenergie en enkele krachtige mechanische pompen, drukregelaars en andere apparatuur worden ook aangedreven door gasturbines. Daarom is gasturbine in bijna alle geïndustrialiseerde landen een van de belangrijkste markten voor de precisiegietindustrie, waarvan de omzet ongeveer een derde van het marktaandeel vertegenwoordigt. Helaas bevindt de Chinese gasturbine-industrie zich om verschillende redenen tot nu toe nog steeds op een vrij laag ontwikkelingsniveau, inclusief turbinebladen, waaronder veel belangrijke componenten die zich nog in de ontwikkelingsfase bevinden, waardoor het marktaandeel van precisiegietwerk te verwaarlozen is.

In feite is het werkingsprincipe en de structuur van een industriële gasturbine in principe hetzelfde als die van een luchtvaartmotor, en het kerngedeelte bestaat ook uit drie delen, zoals het drukregelorgaan, de verbrandingskamer en de turbine (Fig. 15). Daarom zijn veel geavanceerde fijngiettechnologieën die in luchtvaartmotoren worden gebruikt, zoals directioneel stollen, monokristalgieten, bladkoeling en thermische barrièrecoating, in grote hoeveelheden naar gasturbines getransplanteerd. Net als bij vliegtuigmotoren houdt het thermisch rendement van gasturbines rechtstreeks verband met de inlaattemperatuur van het turbinefront. Voor het traditionele type generatorset met gecombineerde cyclus dat populair is in de wereld, is de inlaattemperatuur van de turbine aan de voorkant bijvoorbeeld 1100 ~ 1300 ℃ en is het thermische rendement 43% ~ 48%; terwijl het nieuwe type gasturbine-inlaattemperatuur 1500 ℃ is en het thermische rendement 52% is; en de streefwaarde van de thermische efficiëntie van de ultra-hoog-efficiënte gasturbine in het proces van onderzoek en ontwikkeling is 56% ~ 60%, en de inlaattemperatuur aan de voorkant van de turbine zal verder worden verhoogd tot 1700 ℃.

Hoewel de eisen van industriële gasturbines in termen van stuwkracht-gewichtsverhouding niet zo hoog zijn als die van vliegtuigmotoren, is de moeilijkheid de grote omvang. Figuur 16 toont de primaire en secundaire turbinebladen van de industriële gasturbine MS9001FA van GE, met lengtes van respectievelijk 43 cm en 56 cm, en massa's van respectievelijk 13,5 kg en 12,6 kg. Figuur 17 toont het ventilatorgedeelte van de turbineleischoep, met een lengte van 60 cm en een massa van >60 kg. Er is ook gemeld dat de ontwerplengtes van turbineschoepen voor industriële gasturbines zelfs 90 cm hebben bereikt. Figuur 18 toont een 30 cm lange monokristallijne turbineschoep die met succes is ontwikkeld door Mitsubishi Heavy Industries in Japan in 2011. Figuur 19 toont een wasvorm tijdens het persen. Figuur 20 toont een keramische kern (blanco) die wordt bijgesneden.

 Turbocompressor voor automotoren

Het oorspronkelijke doel van het installeren van een turbocompressor in een auto is om volledig gebruik te maken van de uitlaatgassen van de motor om de turbine van de turbocompressor te laten draaien, die op zijn beurt de waaier van de coaxiale compressor aandrijft om de lucht te comprimeren en naar de motor te voeren. , waardoor het motorvermogen en koppel toenemen om het effect van een lager brandstofverbruik te bereiken en de emissiegassen schoner te maken (figuren 21 en 22).

Dieselmotoren van personenauto's stoten doorgaans uitlaatgassen uit bij een maximale temperatuur van ongeveer 850°C, terwijl benzinemotoren tot 1050°C kunnen bereiken. Daarom worden turbines meestal met precisie gegoten uit op nikkel gebaseerde hogetemperatuurlegeringen zoals 713C of MarM. De gepatenteerde anti-zwaartekrachtgiettechnologie (vacuümgieten) van Hitchiner Manufacturing Co., Inc. in de VS (Fig. 23) wordt beschouwd als de meest efficiënte methode voor het produceren van dergelijke producten. De voorste compressorwaaiers werken daarentegen niet bij hoge temperaturen en zijn meestal gemaakt van precisiegietwerk van het gipstype aluminiumlegering. Waaiers en turbines van superchargers zijn over het algemeen klein van formaat, maar hebben zeer hoge rotatiesnelheden, tot 250.000 tpm of meer, wat resulteert in zeer strenge kwaliteitseisen voor deze twee waaiers. Hoewel er ook een aantal binnenlandse fabrikanten zijn die deze twee waaiers produceren, is de productie in de totale vraag niet verantwoordelijk voor een groot deel.

De afgelopen jaren is het gebruik van kleine motoren met turbocompressoren ter vervanging van grote motoren met natuurlijke aanzuiging een populaire trend geworden in Europa vanwege de groeiende roep om een ​​lager brandstofverbruik en een betere luchtkwaliteit in de stad, en met 2011 als basisjaar is het installatiepercentage gedaald. Het aantal superchargers zal tegen 2016 verdubbelen of zelfs meer, goed voor maar liefst 76% van het totaal. Omdat de auto-generatoren in de Europese landen echter voornamelijk dieselmotoren zijn, is alleen de installatie van een turbocompressor niet voldoende om te voldoen aan de voortdurend bijgewerkte EU-emissienormen voor voertuigen, maar moeten ze ook worden uitgerust met zowel inlaat- als uitlaatsystemen om PM2,5 en NOx te minimaliseren. en andere schadelijke emissies. Veel onderdelen in het systeem, het grootste deel van het materiaal is roestvrij staal, met complexe geometrie-, dunne wand- en maatnauwkeurigheidseisen van hogere kenmerken, is zeer geschikt voor het gieten met precisiegietmethode, waardoor de precisiegietstukken voor auto's verantwoordelijk zijn voor de snelle expansie van het marktaandeel van 5% in 2004 naar 16% in 2011, in dezelfde periode in Japan, van 24% naar 43%. Hoewel de precisiegietstukken van het inlaat- en uitlaatsysteem van de supercharger voor auto's, vanuit een algemeen oogpunt op de markt voor precisiegietwerk alleen kunnen worden geteld als producten uit het middensegment, maar vanwege de marktvraag, biedt de ontwikkeling van de Chinese precisiegietindustrie een Zeldzame kans. In de 21e eeuw verliezen de Chinese Yangtze River Delta, de Bohai Zee en andere gebieden van veel precisiegietbedrijven, vertrouwend op de hervorming en openstelling om beleids- en geografische voordelen te bieden, geen tijd om de kans te grijpen om dit onderdeel van het precisiegietwerk te maken producten op deze gebieden hebben zich gevestigd en zich snel ontwikkeld tot een nieuwe productmarkt, tegelijkertijd, ongeacht of het gaat om het management van de onderneming tot procestechnologie en apparatuur, maar ook op basis van het origineel om een ​​stap te verbeteren. Het is vermeldenswaard dat de binnenlandse automotoren, hoewel personenauto's nog steeds worden gedomineerd door benzinemotoren, maar vrachtauto's worden gedomineerd door dieselmotoren. Met de geleidelijke verbetering van de Chinese luchtkwaliteitseisen zullen de turbocompressor en de ondersteunende apparatuur snel een nieuwe binnenlandse markt vormen, de ontwikkeling van de Chinese precisiegietindustrie en vervolgens een nieuwe golf van ontwikkelingsvitaliteit toevoegen.

Het verminderen van de dichtheid van de roterende delen van de supercharger heeft een positief effect op zowel de motorefficiëntie als de transiënte respons. Soortelijk gewicht van titanium-aluminiumlegering (TiAl) van 4,2, en een soortelijk gewicht van een legering op nikkelbasis (713 C) van 7,9, dus als de eerste in plaats van de laatste, zal de massa met bijna de helft (47%) worden verminderd, waardoor de de traagheid van de turbine, waardoor de responstijd van het koppel toeneemt, zodat de voorbijgaande responskarakteristieken van de turbocompressor kunnen worden verbeterd. Volgens de Japanse Daido Casting Co. (Daido Casting Co.) is het met behulp van een combinatie van suspensiesmelten en vacuümgieten met succes een turbocompressorturbine van titanium-aluminiumlegering gegoten en in massaproductie gebracht. Figuur 24 voor het principe van het suspensiesmelten (links) en het smeltbad (rechts), Figuur 25 voor het schema van het suspensiesmelten - vacuümzuiggietapparaat.

   Titaan aluminiumprecisiegietwerk van legering

Titanium-aluminiumlegering is een intermetallische verbinding met een lage dichtheid, goede mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen en oxidatieweerstand, die kan worden gebruikt om bepaalde hogetemperatuurlegeringen en andere hittebestendige materialen in de lucht- en ruimtevaart-, industriële gasturbine- en auto-industrie te vervangen. . Testresultaten met mechanische eigenschappen bewijzen dat het een hoge kruipweerstand en uitstekende weerstand tegen vermoeiing heeft bij 760 ℃. Maar dergelijke materialen zijn bros, rek bij kamertemperatuur van minder dan 2%, slagvastheid en scheuruitbreidingsprestaties zijn slecht, dus het spuitgieten wordt het beste middel om dergelijke materialen te vormen. Sinds de jaren negentig van de vorige eeuw wordt in plaats van op nikkel gebaseerde hogetemperatuurlegeringen steeds meer gebruikt voor de vervaardiging van industriële gasturbinebladen (Figuur 26a), de gehele gietturbine (Figuur 26b), vliegtuigmotorbladen (Figuur 26c), automotoren cilinderinlaat- en uitlaatkleppen van interne verbrandingsmotoren en andere producten.