熔模铸造在航空工业中的应用

于江成

1 航空工业中常用铸造方法

1.1 常用的铸造方法及材料

铸造技术是一种传统的制造技术，与其他金属成形方法相比有着众多优势，如铸造方法几乎不受零件尺寸大小、壁厚和形状复杂程度的限制，材料适应性强和成本低廉等。铸造技术独有的优势，使其在航空工业中具有不可替代的地位，飞机发动机零件、结构件、附件中很多薄壁件，结构复杂零件，空心零件只能通过铸造实现。另外铸造技术作为基础制造技术，其工艺技术的进步和新材料的应用，对加速航空产品更新换代，显著提高新机性能，缩短航空产品的制造周期，大幅度减轻重量、降低成本具有非常重要的意义。

航空工业中使用的铸造方法主要有：熔模铸造、石膏型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、差压铸造、离心铸造和砂型铸造等。航空工业中常用铸造方法及使用的材料见表1。[1]

在航空工业中，复杂薄壁的高温合金、钛合金、铝合金整体铸件是飞机发动机和机体中的关键构件，这些构件形状尺寸、组织结构和性能直接影响飞机和发动机的性能、结构重系数、寿命等各种重要指标。生产此类铸件熔模铸造具有明显优势，而且对于如发动机叶片这类复杂空心零件，熔模铸造已成为其生产的唯一技术，因此，在众多铸造技术中，熔模铸造技术更加受关注。

1.2 熔模铸造的技术特点

20世纪40年代，由于航空喷气发动机的发展，要求制造叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂，尺寸精确以及表面粗糙度要求较高的耐热合金零件[2-3]，需要寻找一种新的精密成型工艺。借鉴于先进精密铸造技术和流程下来的失蜡铸造，经过对材料与工艺的优化，现代熔模铸造得以快速发展。某发动机叶片通过熔模铸造的制造过程如图1所示。

2 国内熔模铸造的技术发展与现状

2.1 国内熔模铸造的技术发展过程

国内的熔模铸造技术是20世纪50年代完全按原苏联的工艺模式发展起来的，经过近十年的发展历程，从仿制到自行研制的过程。20世纪60年代，逐步摆脱了原苏联的工艺模式，走上了自行研制、创新发展的道路，研制成功了当时航空工业发展所急需的一系列铸造合金和铸造工艺，满足了当时航空工业发展的需要。到了20世纪70年代初，航空工业在铸造高温合金熔模铸造方面，相继研制成功了铸造高温合金系列，成功地解决了蜡模和型壳的尺寸精度和尺寸稳定性。与此同时，也带动了其它金属材料，如铝、铁等的航空精铸技术的发展，把我国的航空铸造技术推进了一个全新的时期。

2.2 国内熔模铸造的技术现状

国内的熔模铸造技术经过40多年的研究与发展，填补了国内多方面的空白。目前许多领域与目前国际的先进水平同步或差距很小。国内航空铸造技术的现状见表2。[4]

3 熔模铸造在航空工业中的应用

3.1 国外熔模铸造在航空工业中的应用

铸造结构件与组合结构件相比，其优点是消除了机械紧固连结，减少了组合件的数量，这样就可减轻结构件的重量，提高结构的整体性，缩短研制周期，降低制造成本。欧美等工业发达国家出于熔模精密铸造的种种优势，对熔模精密铸造成形工艺过程不断优化，同时综合应用新材料新技术，并不断尝试将新的研究成果应用到实践中。

在军用飞机领域，美国新一代军用飞机的目标要求：质量减轻50%，机身紧固件数量减少80%以上，批生产成本降低25%以上，制造周期缩短1/3-1/3。美国F-22第4代战斗机的机体中，钛合金铸件的用量占机体重量7.1%，在机体上大约有54个钛精密铸件，机翼前、后侧位铸件最大，分别为87kg和58kg，F-22战斗机机翼承力部位复杂薄壁整体钛合金精密铸件如图2所示。

在大型运输机和民用航空领域，波音767-40ER飞机仪表盘采用精铸成形，组成部分由296个零件减少为11个铸件加53个零件，重量减少2.24kg，装配工具数量减少90%，装配时间由180小时减少为20小时，铆钉数目减少600个，成本减少50%。波音飞机某机型襟翼采用精铸一体成型，重量由4.5kg降低为4.4kg，装配工具数量减少34.4%，材料利用率提高3.5%，机加和装配费用降低94.1%，制造成本降低49.5%。[5]

3.2 国内熔模铸造在航空工业中的应用

随着我国在航空、航天领域的发展，对铸造技术也提出了更高的要求，在航空发动机、航天发动机、民用航空等领域，各种大型、薄壁、复杂、整体、优质精密铸件被采用。

在航天发动机方面，由某研究所为神舟系列飞船研制的分离密封板、支架等20余种钛合金精铸件。采用熔模铸造成形的小型燃气涡轮发动机的Ti-6A1-4V压气机叶轮，公差为±0.127mm，表面粗糙度Ra=3.2μm，经热等静压（HIP）工艺处理可实现0.56mm极薄叶型的生产。[6]

在民用航空领域，国内某大型客机应急门试制了熔模精密铸造的整体门框，外形尺寸为1220×520×81mm，整体重量为13.49kg，门框横梁、纵梁和边框厚度为3左右，最薄处厚度为2mm。相比ARJ21飞机应急门门框，零件数目减少166个，紧固件数模减少1858个，应急门门框如图3所示。

图3 国内某大型客机应急门铸造门框

目前，我国主要的航空发动机制造企业，均配备有熔模精密铸造车间（分厂），如沈阳黎明、西安西航、贵州黎明、株洲南方等，中航工业集团还建有熔模精密铸造专业化工厂——贵州安吉航空精密铸造有限公司。另外，国内外的科研机构近年来在熔模精密铸造成形理论与工艺技术的研究上也取得了很大的进展。

4 结论

熔模铸造可以实现大型、薄壁、复杂、整体铸件的生产，该类铸件在应用时具有近净尺寸设计，提高材料利用率，降低加工成本，降低重量，直接安装，降低装配费用等优势，所以越来越多的被应用在航空工业中。

本文阐述了国内熔模铸造的发展过程和现状，说明了国内不同铸造材料，不同方法可以实现的铸件的尺寸、重量、最小壁厚、表面粗糙度、铸造精度等关键参数。并从航空、航天等领域阐述熔模铸造在国内外的应用情况及其优势。

【参考文献】

[1]姜不居，吕志刚.铸造与航空工业[J].金属加工，2008，13：14-16.

[2]吕志刚.我国熔模精密铸造的历史回顾与发展展望[J].铸造，2012，61（4）：347-351.

[3]SAROJRANI P. BENNY K D. JHA P K. Developments in investment casting process-A review[J]. Journal of Material Processing Technology， 2012， 212： 2 332-2348.

[4]谢成木，王新英，南海，等.航空工业与铸造技术[D].上海：第二届有色金属及铸造国际会议论文集.中国铸造协会，2001-05：78-85.

[5]熊艳才.精密铸造技术在航空工业中的应用和发展[J].航空制造技术，2008，22：32-35.

[6]黄东，谢成木，南海，等.国外钛合金熔模铸造耐火材料的研究[J].特种铸造及有色合金，2004（3）：47-49.