Triển vọng phát triển công nghệ đúc chính xác cao cấp

Từ bộ sưu tập của ông Chen Bing

Đúc chính xác cao cấp hoặc đúc chính xác có giá trị gia tăng cao, liên quan đến hàng không vũ trụ, vũ khí, tua bin khí công nghiệp và các lĩnh vực quan trọng khác, dần dần các giống, thông số kỹ thuật, cho dù chất lượng luyện kim hay ngoại hình đều rất khắt khe. Trong bài viết này chỉ giới thiệu ngắn gọn một số ví dụ điển hình về lịch sử và xu hướng phát triển.

Ngành công nghiệp quốc phòng

 1, Cánh tuabin động cơ hàng không

Phần cốt lõi của động cơ hàng không hiện đại (hay động cơ phản lực) chủ yếu gồm có ba phần: bộ điều áp, buồng đốt và tuabin (Hình 1). Liên quan chặt chẽ đến quá trình đúc chính xác là động cơ áp lực sau nhiều giai đoạn cánh quạt và cánh tua-bin, bao gồm các cánh tĩnh (các cánh dẫn hướng) và các cánh động (các cánh làm việc). Các loại máy bay và mục đích sử dụng khác nhau, yêu cầu về động cơ không giống nhau, nhưng có một điểm chung, đó là không ngừng cải thiện tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng và giảm tiêu hao nhiên liệu. Để đạt được mục tiêu này, cải thiện hiệu suất nhiệt là chìa khóa và các biện pháp kỹ thuật chính để cải thiện hiệu suất nhiệt không gì khác hơn là tối đa hóa tỷ lệ điều áp của bộ điều áp và nhiệt độ đầu vào phía trước tuabin (Hình 1). Kết quả chắc chắn sẽ làm cho nhiệt độ toàn hệ thống tăng lên, các bộ phận liên quan, đặc biệt là nhiệt độ làm việc của cánh tuabin ngày càng cao. Nhiệt độ làm việc của các cánh tuabin hạng nhất gần tương đương với nhiệt độ đầu vào tuabin và nhiệt độ đầu vào tuabin hiện tại của động cơ máy bay tiên tiến nhất cao tới mức đáng kinh ngạc 1700oC, vượt quá điểm nóng chảy của cao su niken. -nhiệt độ hợp kim khoảng 300oC.

Theo các nguyên tắc cơ bản của luyện kim, ranh giới hạt là các liên kết yếu ở nhiệt độ cao, do đó diện tích ranh giới hạt của vật liệu hợp kim cánh tuabin chắc chắn sẽ ngày càng nhỏ hơn, từ sự phát triển của tinh thể đẳng trục (1950S) đến hướng của Hướng ứng suất chính của tinh thể cột định hướng song song với hướng của ứng suất chính (1970S), nhiệt độ vận hành của lưỡi dao cũng tăng từ 900 lên 1000 oC lên 1000 đến 1100 oC, và phương pháp đúc cũng tương ứng từ quá trình nóng chảy chân không thông thường - quá trình đúc được phát triển đến quá trình hóa rắn định hướng cho đến khi đúc đơn tinh thể (Hình 2 và 3).

Các quốc gia khác nhau phát triển thành phần hóa học hợp kim đơn tinh thể không giống nhau, nhưng cấu trúc vi mô về cơ bản giống nhau, nghĩa là dung dịch rắn gốc niken γ làm chất nền, là pha tăng cường nhiệt độ cao hình khối γ 'được dát trong đó ( Hinh 4). Cho đến nay, R & D hợp kim đơn tinh thể đã trải qua một, hai, ba thế hệ, hiện đang bước vào giai đoạn nghiên cứu và phát triển thế hệ thứ tư, năm và thậm chí thứ sáu, đang hướng tới việc sử dụng nhiệt độ mục tiêu 1150oC . Bất chấp những nỗ lực không ngừng trong nhiều thập kỷ, chỉ xét riêng về mặt hợp kim, nhiệt độ sử dụng vẫn chưa vượt quá 1150oC. Tuy nhiên, yêu cầu nhiệt độ đầu vào của tuabin động cơ máy bay mới nhất cao tới 1700oC, chênh lệch gần 600oC. Làm thế nào để bù đắp khoảng cách 600oC này? Hiện nay, chủ yếu sử dụng hai biện pháp kỹ thuật, đó là làm mát không khí bên trong lưỡi dao và lớp phủ rào cản nhiệt bên ngoài lưỡi dao. Để liên tục nâng cao hiệu quả làm mát không khí, kênh làm mát bên trong cánh quạt phải quanh co để tác dụng làm mát của nó lan ra khắp các bộ phận thân lá, đặc biệt là mép cửa hút và xả. Điều này dẫn đến hình dạng cấu trúc ngày càng phức tạp và phức tạp của lõi gốm tạo thành các khoang bên trong (Hình 5). Do đặc tính rèn và gia công kém của hầu hết các hợp kim nhiệt độ cao, đặc biệt là với các khoang bên trong phức tạp (kênh làm mát), đúc chính xác xứng đáng trở thành phương pháp đúc duy nhất cho các cánh tuabin động cơ máy bay cho đến nay.

Sơn phủ cách nhiệt nói tóm lại là sơn phủ cách nhiệt, một công nghệ mới chỉ được phát triển vào cuối thế kỷ trước. Cấu trúc cơ bản của nó bao gồm hai lớp, lớp trên cùng bằng gốm có độ dẫn nhiệt nhỏ và lớp kết dính được thiết kế để ngăn chặn quá trình oxy hóa chất nền và liên kết chặt chẽ với nhau (Hình 6). Loại thứ nhất được hình thành chủ yếu bằng các phương pháp lắng đọng hơi vật lý như chùm tia điện tử hoặc plasma, trong khi loại thứ hai được hình thành bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học. Hệ số giãn nở nhiệt tổng thể của lớp phủ phải phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền để đảm bảo nó không bị nứt và bong tróc ở nhiệt độ cao 1700°C. Lớp phủ cũng nên được áp dụng cho vật liệu nền. Hình 7 thể hiện một cánh tuabin rỗng có lớp phủ cách nhiệt.

2, Các thành phần kết cấu tích hợp lớn

Cấu hình động cơ máy bay điển hình được thể hiện trong Hình 8. Vỏ bao gồm một số ngăn, thường được gọi là "tạp chí". Sau buồng đốt thường không có quá trình đúc, trong khi phần điều áp của một số tạp chí có hình dạng rất phức tạp thường chỉ được thực hiện thông qua quá trình đúc khuôn. Tỷ lệ tăng cường của các yêu cầu ngày càng tăng của nhiệt độ vận hành máy nén khí điều áp tiếp tục tăng, do đó, phương pháp đúc của các tạp chí này từ đúc cát hợp kim nhôm, magiê (những năm 1950 ~ 1960 phát triển kim loại tấm thép không gỉ - hàn với hợp kim titan hiện tại hoặc đúc chính xác bằng hợp kim nhiệt độ cao. Hình 9 cho thấy tạp chí hợp kim titan lớn do PCC sản xuất, và Hình 10 và 11 lần lượt hiển thị tạp chí hợp kim titan và khuôn sáp do Howmet sản xuất.

Do hợp kim titan có cường độ riêng và độ cứng riêng cao hơn các hợp kim khác nên các thành phần cấu trúc phức tạp có thành mỏng lớn của hợp kim titan cũng đã được sử dụng rộng rãi trong các thành phần kết cấu chịu tải lớn của máy bay (Hình 12) và vỏ tên lửa (Hình 13). ) từ những năm 1970.

3, đúc chính xác hợp kim nhôm với cấu trúc tích hợp

Những vật đúc này được sử dụng rộng rãi trong giá đỡ, khung, đế và bộ tản nhiệt cho các thiết bị điện tử và viễn thông, v.v. Hình 14 cho thấy một vài ví dụ điển hình. Vật đúc chính xác bằng hợp kim nhôm có cấu trúc nguyên khối.

 Tua bin khí công nghiệp

Giảm phát thải khí nhà kính đã trở thành một thách thức nghiêm trọng đối với toàn nhân loại. Lượng carbon dioxide lớn nhất chắc chắn được thải ra từ các nhà máy nhiệt điện (nhiệt điện) trên khắp thế giới. Nói chung, sản xuất nhiệt điện được phân loại thành đốt than, đốt dầu hoặc đốt khí, tùy thuộc vào nhiên liệu được sử dụng. Lượng khí thải carbon dioxide trên một đơn vị nhiệt do ba hệ thống này tạo ra rất khác nhau, với các giá trị tương đối lần lượt là 1,00, 0,76 và 0,53, điều đó có nghĩa là lượng khí thải carbon dioxide có thể giảm khoảng một nửa nếu thay thế toàn bộ hoạt động sản xuất điện đốt than thông thường. bằng cách phát điện bằng khí đốt. Như chúng ta đã biết, hiện nay thiết bị phát điện của Trung Quốc vẫn chủ yếu là tua bin hơi đốt than, trên quan điểm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của thiết bị phát điện, các nước công nghiệp phát triển từ lâu đã chuyển sang tua bin khí chạy bằng dầu hoặc khí ga. Không chỉ thiết bị phát điện, năng lượng tàu thủy và một số máy bơm cơ khí công suất cao, máy điều áp và các thiết bị khác cũng được cung cấp năng lượng từ tua-bin khí. Vì vậy, ở hầu hết các nước công nghiệp phát triển, tuabin khí là một trong những thị trường chính của ngành đúc chính xác, doanh số của nó chiếm khoảng 1/3 thị phần. Thật không may, vì nhiều lý do khác nhau, cho đến nay ngành công nghiệp tuabin khí của Trung Quốc vẫn ở mức độ phát triển khá thấp, bao gồm cả cánh tuabin, trong đó có nhiều bộ phận chủ chốt vẫn đang trong giai đoạn phát triển, chiếm tỷ trọng thị phần đúc chính xác không đáng kể.

Trên thực tế, nguyên lý làm việc và cấu trúc của tuabin khí công nghiệp về cơ bản giống như động cơ hàng không, phần lõi cũng gồm ba phần như bộ điều áp, buồng đốt và tuabin (Hình 15). Do đó, nhiều công nghệ đúc mịn tiên tiến được sử dụng trong động cơ hàng không, chẳng hạn như hóa rắn định hướng, đúc đơn tinh thể, làm mát cánh quạt và lớp phủ rào cản nhiệt, đã được áp dụng với số lượng lớn vào tuabin khí. Giống như động cơ máy bay, hiệu suất nhiệt của tuabin khí liên quan trực tiếp đến nhiệt độ đầu vào của mặt trước tuabin. Ví dụ, đối với loại máy phát điện chu trình hỗn hợp truyền thống phổ biến trên thế giới, nhiệt độ đầu vào phía trước tuabin là 1100 ~ 1300oC và hiệu suất nhiệt là 43% ~ 48%; trong khi nhiệt độ đầu vào phía trước của tuabin khí loại mới là 1500oC và hiệu suất nhiệt là 52%; và giá trị mục tiêu của hiệu suất nhiệt của tuabin khí hiệu suất cực cao trong quá trình nghiên cứu và phát triển là 56% ~ 60%, và nhiệt độ đầu vào phía trước tuabin sẽ được tăng thêm lên 1700oC.

Mặc dù yêu cầu của tuabin khí công nghiệp về tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng không cao bằng động cơ máy bay nhưng khó khăn là kích thước lớn. Hình 16 thể hiện các cánh tuabin sơ cấp và thứ cấp của tuabin khí công nghiệp MS9001FA của GE, có chiều dài lần lượt là 43cm và 56cm, khối lượng lần lượt là 13,5kg và 12,6kg. Hình 17 thể hiện phần quạt của cánh dẫn hướng tuabin, có chiều dài 60cm và khối lượng >60kg. Cũng có thông tin cho rằng chiều dài thiết kế của các cánh tuabin tuabin khí công nghiệp thậm chí đã đạt tới 90cm. Hình 18 thể hiện một cánh tuabin đơn tinh thể dài 30 cm được Mitsubishi Heavy Industries tại Nhật Bản phát triển thành công vào năm 2011. Hình 19 thể hiện một khuôn sáp trong quá trình ép. Hình 20 cho thấy lõi gốm (trống) đang được cắt.

 Bộ tăng áp động cơ ô tô

Mục đích ban đầu của việc lắp đặt bộ tăng áp trên ô tô là tận dụng tối đa khí thải từ động cơ để làm quay tua bin tăng áp, từ đó dẫn động cánh quạt của máy nén đồng trục để nén không khí và cung cấp cho động cơ. , từ đó tăng công suất và mô-men xoắn của động cơ để đạt được hiệu quả giảm tiêu hao nhiên liệu và làm cho khí thải sạch hơn (Hình 21 và 22).

Thông thường, động cơ diesel của ô tô du lịch thải ra khí thải ở nhiệt độ tối đa khoảng 850°C, trong khi động cơ xăng có thể lên tới 1050°C. Do đó, tuabin thường được đúc chính xác từ hợp kim nhiệt độ cao gốc niken như 713C hoặc MarM. Công nghệ đúc chống trọng lực (đúc chân không) đã được cấp bằng sáng chế của Hitchiner Manufacturing Co., Inc. ở Hoa Kỳ (Hình 23) được coi là phương pháp hiệu quả nhất để sản xuất các sản phẩm như vậy. Mặt khác, các cánh quạt máy nén phía trước không hoạt động ở nhiệt độ cao và thường được làm từ hợp kim nhôm đúc chính xác kiểu thạch cao. Cánh quạt và tua-bin tăng áp nhìn chung có kích thước nhỏ nhưng có tốc độ quay rất cao, lên tới 250.000 vòng/phút trở lên nên yêu cầu chất lượng rất khắt khe đối với hai cánh quạt này. Mặc dù cũng có một số nhà sản xuất trong nước đang sản xuất 2 loại cánh quạt này nhưng sản lượng trong tổng nhu cầu không chiếm tỷ lệ lớn.

Trong những năm gần đây, việc sử dụng động cơ nhỏ có bộ tăng áp để thay thế động cơ lớn hút khí tự nhiên đã trở thành xu hướng phổ biến ở châu Âu do nhu cầu giảm tiêu thụ nhiên liệu và cải thiện chất lượng không khí đô thị ngày càng tăng. số bộ tăng áp sẽ tăng gấp đôi hoặc nhiều hơn vào năm 2016, chiếm tới 76% tổng số. Tuy nhiên, do các nước châu Âu máy phát điện ô tô chủ yếu là động cơ diesel nên chỉ lắp đặt turbo tăng áp là chưa đủ để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải xe EU cập nhật liên tục mà còn phải trang bị cả hệ thống nạp và xả để giảm thiểu PM2.5 và NOx. và các khí thải độc hại khác. Nhiều bộ phận trong hệ thống, hầu hết vật liệu là thép không gỉ, có hình học phức tạp, thành mỏng và yêu cầu độ chính xác kích thước cao hơn, rất phù hợp để đúc bằng phương pháp đúc chính xác, khiến cho việc đúc chính xác trong ô tô chiếm tỷ lệ mở rộng nhanh chóng. thị phần từ 5% năm 2004 lên 16% năm 2011, trong cùng thời gian tại Nhật Bản, từ 24% đã tăng lên 43%. Mặc dù đúc chính xác hệ thống nạp và xả của bộ tăng áp ô tô, nhưng nhìn chung, thị trường đúc chính xác chỉ có thể được coi là sản phẩm tầm trung, nhưng do nhu cầu của thị trường, sự phát triển của ngành đúc chính xác của Trung Quốc mang lại một cơ hội Cơ hội hiếm có. Bước vào thế kỷ 21, đồng bằng sông Dương Tử, biển Bột Hải của Trung Quốc và các khu vực khác có nhiều doanh nghiệp đúc chính xác, dựa vào cải cách và mở cửa để mang lại lợi thế về chính sách và địa lý, không mất thời gian để nắm bắt cơ hội biến phần này thành đúc chính xác Sản phẩm trong các lĩnh vực này đã ổn định và nhanh chóng phát triển thành thị trường sản phẩm mới, đồng thời không phân biệt từ khâu quản lý doanh nghiệp đến công nghệ và thiết bị xử lý mà còn trên cơ sở nguyên bản để nâng cao một bước. Điều đáng nói, động cơ ô tô trong nước tuy ô tô khách vẫn bị động cơ xăng chiếm ưu thế nhưng ô tô chở hàng lại bị động cơ diesel chiếm ưu thế. Với sự cải thiện dần dần các yêu cầu về chất lượng không khí của Trung Quốc, bộ tăng áp và thiết bị hỗ trợ của nó chắc chắn sẽ nhanh chóng hình thành một thị trường nội địa mới, sẽ là sự phát triển của ngành đúc chính xác của Trung Quốc và sau đó tiếp thêm một làn sóng sức sống phát triển mới.

Việc giảm mật độ các bộ phận quay của bộ tăng áp có tác động tích cực đến cả hiệu suất động cơ và phản ứng nhất thời. Trọng lượng riêng của hợp kim titan-nhôm (TiAl) là 4,2 và hợp kim gốc niken (713 C) có trọng lượng riêng là 7,9 nên nếu thay thế hợp kim titan-nhôm (TiAl) thì khối lượng sẽ giảm gần một nửa (47%), từ đó làm giảm quán tính của tuabin, rút ​​​​ngắn thời gian đáp ứng khi tăng mô-men xoắn, do đó có thể cải thiện đặc tính phản ứng nhất thời của bộ tăng áp. Theo Công ty đúc Daido của Nhật Bản (Daido Casting Co.), sử dụng kết hợp nung chảy huyền phù và đúc chân không đã đúc thành công tuabin tăng áp hợp kim titan-nhôm và đưa vào sản xuất hàng loạt. Hình 24 về nguyên lý nấu chảy huyền phù (trái) và bể nóng chảy (phải), Hình 25 về sơ đồ thiết bị đúc huyền phù - hút chân không.

   Nhôm titanđúc chính xác hợp kim

Hợp kim nhôm-titan là một hợp chất liên kim loại có mật độ thấp, tính chất cơ học ở nhiệt độ cao tốt và khả năng chống oxy hóa, có thể được sử dụng để thay thế một số hợp kim nhiệt độ cao và các vật liệu chịu nhiệt độ cao khác trong ngành hàng không vũ trụ, tua bin khí công nghiệp và ô tô. . Kết quả kiểm tra tính chất cơ học chứng minh rằng nó có khả năng chống rão cao và khả năng chống mỏi tuyệt vời ở 760oC. Nhưng những vật liệu này giòn, độ giãn dài ở nhiệt độ phòng dưới 2%, khả năng chống va đập và hiệu suất mở rộng vết nứt kém, do đó việc đúc khuôn trở thành phương tiện tốt nhất để hình thành những vật liệu đó. Kể từ những năm 1990 của thế kỷ trước, ngày càng có nhiều loại hợp kim nhiệt độ cao gốc niken được sử dụng để chế tạo các cánh tuabin khí công nghiệp (Hình 26a), toàn bộ tuabin đúc (Hình 26b), cánh động cơ máy bay (Hình 26c), ô tô. van đầu vào và xả của xi lanh động cơ đốt trong và các sản phẩm khác.