Perspectivas de desenvolvimento de tecnologia de fundição de precisão de alta qualidade

Da coleção do Sr. Chen Bing

Fundições de precisão de alta qualidade ou fundições de precisão de alto valor agregado, envolvendo aeroespacial, armas, turbinas industriais a gás e outros setores importantes, gradativamente variedades, especificações, sejam elas metalúrgicas ou de qualidade de aparência, são muito exigentes. Neste artigo, apenas alguns exemplos típicos da história e tendências do desenvolvimento para fazer uma breve introdução.

Indústria de Defesa

 1、Lâminas de turbina de motor aeronáutico

A parte central do motor de aviação moderno (ou motor a jato) é composta principalmente por três partes: o pressurizador, a câmara de combustão e a turbina (Figura 1). Intimamente relacionados à fundição de precisão estão o motor de pressão após vários estágios de pás e pás de turbina, incluindo pás estáticas (pás guia) e pás dinâmicas (pás de trabalho). Diferentes tipos e usos de aeronaves, os requisitos do motor não são os mesmos, mas uma coisa é comum, ou seja, melhorar constantemente a relação empuxo-peso e reduzir o consumo de combustível. Para tanto, melhorar a eficiência térmica é a chave, e as principais medidas técnicas para melhorar a eficiência térmica nada mais são do que maximizar a relação de pressurização do pressurizador e a temperatura de entrada frontal da turbina (Figura 1). O resultado inevitavelmente fará com que a temperatura de todo o sistema aumente, as partes relevantes, especialmente a temperatura de trabalho das pás da turbina, ficarão cada vez mais altas. A temperatura de trabalho das pás da turbina de primeira classe é aproximadamente equivalente à temperatura de entrada da turbina, e a atual temperatura de entrada da turbina do motor aeronáutico mais avançado é tão alta quanto incríveis 1700 ℃, excedendo o ponto de fusão do alto nível à base de níquel. -temperatura das ligas em cerca de 300 ℃.

De acordo com os princípios básicos da metalurgia, os limites dos grãos são elos fracos em altas temperaturas, de modo que a área dos limites dos grãos do material da liga da pá da turbina tende a ficar cada vez menor, desde o desenvolvimento de cristais equiaxiais (1950S) até a direção do direção de tensão principal do cristal colunar orientado paralelo à direção da tensão principal (1970S), a temperatura de operação da lâmina também é aumentada de 900 a 1000 ℃ para 1000 a 1100 ℃, e os métodos de fundição também são correspondentemente da fusão a vácuo comum - fundição desenvolvida para solidificação direcional até fundição monocristalina (Figuras 2 e 3).

Diferentes países desenvolveram a composição química da liga monocristalina não é a mesma, mas a microestrutura é basicamente a mesma, ou seja, a fase γ da solução sólida à base de níquel como substrato, é uma fase reforçada cúbica de alta temperatura γ 'incrustada nela ( Figura 4). Até agora, a P&D de liga de cristal único passou por uma, duas, três gerações, agora está entrando na quarta, cinco e até mesmo na sexta geração do estágio de pesquisa e desenvolvimento, está avançando em direção ao uso da meta de temperatura de 1150 ℃ . Apesar de décadas de esforços incessantes, apenas do ponto de vista da liga, a temperatura de serviço ainda não excedeu 1150 ℃. No entanto, o mais recente requisito de temperatura de entrada da turbina de motor aeronáutico é tão alto quanto 1700°C, uma diferença de quase 600°C. Como compensar essa lacuna de 600 ℃? Actualmente, principalmente com a ajuda de duas medidas técnicas, nomeadamente, o arrefecimento do ar no interior da lâmina e o revestimento de barreira térmica exterior da lâmina. Para melhorar continuamente a eficiência do resfriamento do ar, o canal de resfriamento interno da pá deve ser tortuoso, para que seu efeito de resfriamento em todas as partes do corpo da folha, principalmente na borda da admissão e exaustão. Isto resulta em formas estruturais cada vez mais elaboradas e complexas para os núcleos cerâmicos que formam as cavidades internas (Figura 5). Tendo em vista as fracas propriedades de forjamento e usinagem de quase todas as ligas de alta temperatura, especialmente com cavidades internas complexas (canais de resfriamento), a fundição de precisão tornou-se merecidamente o único método de moldagem para pás de turbinas de motores aeronáuticos até o momento.

O revestimento de barreira térmica, em suma, é um revestimento isolante térmico, uma nova tecnologia desenvolvida apenas no final do século passado. Sua estrutura básica consiste em duas camadas, uma camada superior de cerâmica com pequena condutividade térmica e uma camada adesiva projetada para evitar a oxidação do substrato e para ligá-lo firmemente (Fig. 6). O primeiro é formado principalmente por métodos físicos de deposição de vapor, como feixe de elétrons ou plasma, enquanto o último é formado por deposição química de vapor. O coeficiente global de expansão térmica do revestimento deve corresponder ao do material do substrato para garantir que ele não rache e descasque a uma temperatura elevada de 1700°C. O revestimento também deve ser aplicado ao material do substrato. A Figura 7 mostra uma pá de turbina oca com revestimento de barreira térmica.

2、Grandes componentes estruturais integrais

Um perfil típico de motor aeronáutico é mostrado na Figura 8. O invólucro consiste em vários compartimentos, frequentemente chamados de "revista". Após a câmara de combustão, geralmente não há fundição, enquanto a parte pressurizada de algumas formas muito complexas do carregador geralmente ocorre apenas por meio de moldagem. A taxa de reforço dos requisitos cada vez maiores da temperatura operacional do compressor de ar pressurizado continua a aumentar, de modo que o método de moldagem dessas revistas a partir de fundição em areia de liga de alumínio e magnésio (década de 1950 a 1960, desenvolvimento de chapa de aço inoxidável - soldada à atual liga de titânio ou fundição de precisão de ligas de alta temperatura. A Figura 9 mostra o grande carregador de liga de titânio produzido pela PCC, e as Figuras 10 e 11 mostram o carregador de liga de titânio e o molde de cera produzidos pela Howmet, respectivamente.

Como as ligas de titânio têm maior resistência específica e rigidez específica do que outras ligas, grandes componentes estruturais complexos de paredes finas de ligas de titânio também têm sido amplamente utilizados em grandes componentes estruturais de suporte de carga de aviões (Fig. 12) e cascos de mísseis (Fig. 13). ) desde a década de 1970.

3、Fundições de precisão em liga de alumínio com estrutura integral

Essas peças fundidas são amplamente utilizadas em racks, estruturas, bases e radiadores para equipamentos eletrônicos e de telecomunicações, etc. A Figura 14 mostra alguns exemplos típicos. Fundições de precisão em liga de alumínio com estrutura integral.

 Turbinas a gás industriais

A redução das emissões de gases com efeito de estufa tornou-se um sério desafio para toda a humanidade. A maior quantidade de dióxido de carbono é, sem dúvida, emitida por usinas termelétricas (térmicas) em todo o mundo. Geralmente, a geração de energia térmica é categorizada como a carvão, a óleo ou a gás, dependendo do combustível utilizado. As emissões de dióxido de carbono por unidade de calor produzida por estes três sistemas são muito diferentes, com valores relativos de 1,00, 0,76 e 0,53, respetivamente, o que significa que as emissões de dióxido de carbono podem ser reduzidas em cerca de metade se toda a geração de energia convencional a carvão for substituída. pela geração de energia a gás. Como todos sabemos, actualmente, os equipamentos de geração de energia térmica da China ainda são principalmente turbinas a vapor alimentadas a carvão, do ponto de vista de melhorar a eficiência energética dos equipamentos de geração de energia, os países industrializados há muito que mudaram para turbinas a gás alimentadas por petróleo ou gás. Não apenas os equipamentos de geração de energia, a energia naval e algumas bombas e pressurizadores mecânicos de alta potência e outros equipamentos também são movidos por turbinas a gás. Portanto, em quase todos os países industrializados, a turbina a gás é um dos principais mercados da indústria de fundição de precisão, e suas vendas representaram cerca de um terço da participação de mercado. Infelizmente, devido a várias razões, até agora a indústria de turbinas a gás da China ainda está em um nível de desenvolvimento bastante baixo, incluindo as pás da turbina, incluindo muitos componentes-chave ainda em fase de desenvolvimento, representando a proporção da participação no mercado de fundição de precisão é insignificante.

Na verdade, o princípio de funcionamento e a estrutura da turbina a gás industrial é basicamente o mesmo do motor de aviação, e a parte central também é composta por três partes, como pressurizador, câmara de combustão e turbina (Fig. 15). Portanto, muitas tecnologias avançadas de fundição fina usadas em motores de aviação, como solidificação direcional, fundição de cristal único, resfriamento de pás e revestimento de barreira térmica, foram transplantadas para turbinas a gás em grandes quantidades. Assim como os motores aeronáuticos, a eficiência térmica das turbinas a gás está diretamente relacionada à temperatura de entrada na frente da turbina. Por exemplo, para o tipo tradicional de grupo gerador de ciclo combinado popular no mundo, a temperatura de entrada frontal da turbina é de 1100 ~ 1300 ℃ e a eficiência térmica é de 43% ~ 48%; enquanto o novo tipo de temperatura de entrada frontal da turbina a gás é de 1500 ℃ e a eficiência térmica é de 52%; e o valor alvo da eficiência térmica da turbina a gás de ultra-alta eficiência no processo de pesquisa e desenvolvimento é de 56% ~ 60%, e a temperatura de entrada frontal da turbina será aumentada ainda mais para 1700 ℃.

Embora os requisitos das turbinas a gás industriais em termos de relação empuxo/peso não sejam tão elevados quanto os dos motores aeronáuticos, a dificuldade é o grande tamanho. A Figura 16 mostra as pás da turbina primária e secundária da turbina a gás industrial MS9001FA da GE, com comprimentos de 43cm e 56cm, e massas de 13,5kg e 12,6kg, respectivamente. A Figura 17 mostra a seção do ventilador da palheta guia da turbina, com comprimento de 60cm e massa >60kg. Também foi relatado que os comprimentos de projeto das pás das turbinas industriais a gás atingiram até 90 cm. A Figura 18 mostra uma pá de turbina de cristal único com 30 cm de comprimento desenvolvida com sucesso pela Mitsubishi Heavy Industries no Japão em 2011. A Figura 19 mostra um molde de cera no processo de prensagem. A Figura 20 mostra um núcleo cerâmico (peça bruta) sendo recortado.

 Turbocompressor para motor de automóvel

O objetivo original da instalação de um turboalimentador em um automóvel é aproveitar ao máximo os gases de escape do motor para acionar a rotação da turbina do turboalimentador, que por sua vez aciona o impulsor do compressor coaxial para comprimir o ar e fornecê-lo ao motor. , aumentando assim a potência e o torque do motor para obter o efeito de redução do consumo de combustível e tornar as emissões de gases mais limpas (Figuras 21 e 22).

Normalmente, os motores diesel de automóveis de passageiros emitem gases de escape a uma temperatura máxima de cerca de 850°C, enquanto os motores a gasolina podem atingir até 1050°C. Portanto, as turbinas são geralmente fundidas com precisão a partir de ligas de alta temperatura à base de níquel, como 713C ou MarM. A tecnologia patenteada de fundição antigravidade (fundição a vácuo) da Hitchiner Manufacturing Co., Inc. nos EUA (Fig. 23) é considerada o método mais eficiente para a produção de tais produtos. Os impulsores dianteiros do compressor, por outro lado, não operam em altas temperaturas e geralmente são feitos de liga de alumínio fundida de precisão do tipo gesso. Os impulsores e turbinas dos superalimentadores são geralmente de tamanho pequeno, mas têm velocidades de rotação muito altas, de até 250.000 rpm ou mais, resultando em requisitos de qualidade muito rigorosos para esses dois impulsores. Embora existam também vários fabricantes nacionais que produzem estes dois impulsores, mas a produção na procura total não representa uma grande proporção.

Nos últimos anos, a utilização de pequenos motores com turbocompressores para substituir grandes motores naturalmente aspirados tornou-se uma tendência popular na Europa devido aos crescentes apelos à redução do consumo de combustível e à melhoria da qualidade do ar urbano, e tendo 2011 como ano base, a taxa de instalação de superalimentadores duplicarão ou mais até 2016, representando até 76% do total. No entanto, como os geradores automotivos dos países europeus são principalmente motores a diesel, apenas a instalação do turboalimentador não é suficiente para atender aos padrões de emissões de veículos da UE constantemente atualizados, mas também deve ser equipado com sistemas de admissão e escape para minimizar PM2,5 e NOx. e outras emissões prejudiciais. Muitas peças do sistema, a maior parte do material é de aço inoxidável, com geometria complexa, parede fina e requisitos de precisão dimensional de características mais altas, é muito adequado para moldagem com método de fundição de precisão, o que faz com que as fundições de precisão automotiva sejam responsáveis ​​pela rápida expansão de a participação de mercado de 5% em 2004 para 16% em 2011, no mesmo período no Japão, de 24% saltou para 43%. Embora as peças fundidas de precisão do sistema de admissão e escape do superalimentador de automóveis, de um ponto de vista geral no mercado de fundição de precisão, só possam ser contadas como produtos de gama média, mas devido à demanda do mercado, para o desenvolvimento da indústria de fundição de precisão da China fornece um oportunidade rara. No século 21, o Delta do Rio Yangtze da China, o Mar de Bohai e outras áreas de muitas empresas de fundição de precisão, contando com a reforma e a abertura para fornecer vantagens políticas e geográficas, não perdem tempo para aproveitar a oportunidade para tornar esta parte da fundição de precisão os produtos nessas áreas se estabeleceram e rapidamente se desenvolveram em um novo mercado de produtos, ao mesmo tempo, não importa se desde a gestão da empresa até a tecnologia e equipamentos de processo, mas também com base no original para aprimorar um passo. Vale ressaltar que os motores de automóveis nacionais, embora os automóveis de passageiros ainda sejam dominados pelos motores a gasolina, mas os vagões de carga são dominados pelos motores a diesel. Com a melhoria gradual dos requisitos de qualidade do ar da China, o turbocompressor e seus equipamentos de suporte formarão rapidamente um novo mercado interno, será o desenvolvimento da indústria de fundição de precisão da China e, em seguida, adicionará uma nova onda de vitalidade de desenvolvimento.

A redução da densidade das peças rotativas do superalimentador tem um efeito positivo na eficiência do motor e na resposta transitória. Gravidade específica da liga de titânio-alumínio (TiAl) de 4,2 e gravidade específica da liga à base de níquel (713 C) de 7,9, portanto, se o primeiro em vez do último, a massa será reduzida em quase metade (47%), reduzindo assim a inércia da turbina, encurtando o tempo de resposta do aumento de torque, para que as características de resposta transitória do turboalimentador possam ser melhoradas. De acordo com a Daido Casting Co. do Japão (Daido Casting Co.), o uso de uma combinação de fusão em suspensão e fundição a vácuo fundiu com sucesso uma turbina turboalimentadora de liga de titânio-alumínio e foi colocada em produção em massa. Figura 24 para o princípio de fusão de suspensão (esquerda) e poça de fusão (direita), Figura 25 para fusão de suspensão - esquema do dispositivo de fundição por sucção a vácuo.

   Alumínio titâniofundição de precisão de liga

A liga de titânio-alumínio é um composto intermetálico com baixa densidade, boas propriedades mecânicas de alta temperatura e resistência à oxidação, que pode ser usado para substituir certas ligas de alta temperatura e outros materiais resistentes a altas temperaturas nas indústrias aeroespacial, de turbina a gás industrial e automotiva. . Os resultados dos testes de propriedades mecânicas comprovam que possui alta resistência à fluência e excelente resistência à fadiga a 760 ℃. Mas esses materiais são frágeis, o alongamento à temperatura ambiente é inferior a 2%, a resistência ao impacto e o desempenho da extensão de fissuras são ruins, portanto, a fundição sob pressão e se torna o melhor meio de formar esses materiais. Desde a década de noventa do século passado, cada vez mais são utilizadas ligas de alta temperatura à base de níquel para fabricar pás de turbinas a gás industriais (Figura 26a), turbinas de fundição completa (Figura 26b), pás de motores aeronáuticos (Figura 26c), peças automotivas válvulas de admissão e escape do cilindro do motor de combustão interna e outros produtos.