铸造有色合金

2018-11-14

铸造设备与工艺 2018年5期

1 概述

铸造有色合金，是用以浇注铸件的有色合金，主要有铸造铝合金、铸造镁合金、铸造钛合金、铸造铜合金、铸造高温合金等，近年来又发展出铸造金属间化合物[1-2]和铸造高熵合金[3-4]。

铸造有色合金可适用于多种铸造成形技术，其在基础制造产业中占有重要地位，在航空、航天、船舶、汽车、轨道交通、化工、能源、电子电器和运动休闲等领域有着广泛的应用。

1.1 铸造铝合金

铝的化学性质很活泼，熔炼过程中易与水气反应而氧化并吸氢，导致铝合金铸件易产生气孔和夹杂等缺陷。而精炼处理是预防产生气孔和夹杂的主要技术手段。旋转喷头吹气技术成为国外先进的铝液精炼技术的重要发展方向之一[5-8]，该技术用以替代现有的含氯精炼剂，精炼过程更环保、更安全。该技术的运用，能够使铝合金铸件的气孔、针孔缺陷得以控制，有效提升冶金质量。由于稀土元素具有明显的化合脱氢作用，并兼有变质作用，近来受到普遍重视[9-11]。在初生Al细化方面研究主要体现在两方面：1）通过细化剂细化初生 Al相[12-13]；2）通过物理场细化初生相[14-16]，如超声波场、磁场、电场等，而且通过物理场细化是今后的主要发展趋势。

通过调整传统铝合金中的主要元素含量及各组元的比值，添加微量过渡族元素或稀土元素，从而改变合金中各种化合物的物理性能、尺寸和分布以开发出对应各种不同需要的不同新合金。我国已开展Sc、Ce、Y、Y b等元素用于铝合金的研究，对提高铝合金的强韧性发挥了一定的作用。

在铸造铝合金新材料方面，铸铝的合金化国内开展了很多研究，但应用及产业化成果仍偏少，最大的差距体现在新的合金系研究，如高强韧铝合金的整体研发水平与国外仍有差距。国内在铝精炼方面研究的深度、范围及设备控制水平较国际先进水平仍有待于提高。

1.2 铸造镁合金

铸造镁合金具有比强度和比刚度高、震动阻尼容量大，在汽油、煤油和润滑油中性能稳定等特点，广泛用于航空航天、汽车和电子产品等领域。

1）高强耐热铸造镁合金[17-19]

高强耐热镁合金是国内外的重点研究方向，通过稀土合金化提高镁合金耐热性能是当前的研究热点，开发的W E54铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到350 M Pa、250 M Pa和6%.

我国开发了多种高性能稀土镁合金材料，如M g-Gd-Y-Z r 系、M g-Gd-Y-Z n -Z r 系、M g-Y-R E-Z r系、M g-N d-Z n-Z r系等，其中M g-Gd-Y-Z r系镁合金材料在性能方面已经达到国际先进水平，金属型铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到400 M Pa、300 M Pa和6%.

在镁合金熔体净化方面，开发了新型非熔剂保护熔炼技术和稀土元素添加工艺，减少了镁合金中的熔剂夹杂物；开发新型镁合金陶瓷过滤技术及相关装置，开发了镁合金吹气净化技术和相关装置，降低了镁合金中的氧化物夹杂和气体含量。

2）超轻铸造镁锂合金[20-23]

目前国内关于铸造镁锂合金的相关研究非常缺乏，这与镁锂合金的巨大应用前景是不相符的。已研究了 Ag、Cu、Y、N d以及富 Ce稀土等添加对M g-5Li-3Al-2Z n合金组织性能的影响，发现这些元素能够有效提高铸造镁锂合金的强度，抗拉强度、屈服强度和伸长率最大可分别达到220 M Pa、170 M Pa和20%.

M g-Li合金化学性质非常活泼，因此在熔炼过程中必须采用特殊的方法和工艺对M g-Li合金施加保护。目前研究和生产中常用的保护方法主要有两种：一种是采用常规镁合金熔炼设备和工艺，施加覆盖熔剂保护；另一种是采用真空感应熔炼，采用惰性气体保护，是目前制备M g-Li合金最适宜的方法。

1.3 铸造钛合金

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性好等特点而被广泛用于各个领域。

1）高温钛合金[24-26]

高温钛合金铸件主要用于航空发动机压气机盘和叶片等，使用温度可达600℃.

与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti3Al（α2）和TiAl（γ），最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816℃和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。

已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21N b-14Al和Ti-24Al-14N b-V-0.5M o在美国开始批量生产。Ti-48Al-2Cr-2N b合金目前已经应用于波音787机型。而我国自行开发的含N b钛铝合金也开始得到应用。

2）耐腐蚀钛合金[27-28]

随着海军现代化建设步伐的加快，新型号、新工程中的钛材应用越来越多。

中国研制出具有自己特色的不同强度级别的近α型船用耐蚀钛合金。Ti31合金是500 M Pa级的低强高韧耐蚀钛合金，Ti75合金是630 M Pa级的中强高韧性耐蚀钛合金，Ti-B19是一种高强耐蚀钛合金，Ti80是一种高强、可焊的α型钛合金。

3）低温钛合金[29]

钛合金具有足够的低温韧性、更高的比强度、更低的热导率与膨胀系数、无磁性等特点，在航空航天、超导等领域作为一种重要的低温工程材料而备受关注。

我国在低温钛合金的开发方面起步比前苏联、美国、日本要晚，早期工作主要集中在对国外低温钛合金的仿制与性能表征等。开发了一种低温钛合金CT77，该低温钛合金的塑-脆转变温度低于77K，其不但具有优异的冷成形和热成形性能，还具有良好的焊接性能，焊接系数大于0.90.

1.4 铸造铜合金

铜合金已经广泛应用到国家建设的各个环节中，伴随着近年来的经济发展，铜合金形成了两个重要的发展方向：高强高导铜合金及海洋工程用铜合金。

1）高强高导铜合金[30-32]

高强高导铜合金的一个重要应用是高速铁路列车用接触网线。目前国内企业已经能够规模生产满足300 km/h运行所需的超高强铜合金接触线。也已成功为时速超过350 km高铁制备了高强高导接触导线。时速超过350 km高铁要求的接触导线强度为600 M Pa以上，导电率为80%IACS以上，单根盘重2 500 kg.制备铜铬锆合金接触线的难点在于非真空熔炼时Cr、Z r易氧化烧损，而真空熔炼又难以满足大规模生产的需求。

2）船舶螺旋桨用铜合金[33-35]

螺旋桨是船舶动力系统的关键部件，世界上最大螺旋桨的成品重量已超过100 t.大型舰船用螺旋桨制备技术关乎国家核心技术，国外发达国家对这种制备技术相对保密，很难详细获知国外大型船舰用螺旋桨的制备进程。

我国冶金质量精确控制能力不够成熟，一些高品质高性能的铜合金产品仍需进口。目前，我国缺乏良好耐腐蚀性能的铜合金，国内的产品一般耐蚀性较差，如C70600，国内产品的腐蚀速率高达国外同类产品的10倍。尽管我国已经掌握超大型螺旋桨的制备技术，但制备产品的成分精度、腐蚀性能等均有很大的进步空间。

1.5 铸造高温合金

高温合金是指能在600℃以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀，并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。涡轮叶片合金由早期的变形高温合金发展到铸造高温合金，铸造高温合金由等轴晶铸造高温合金发展到定向柱晶高温合金及单晶高温合金，使合金的承温能力提高约400℃[36-39].

近年来，由于定向凝固柱晶涡轮叶片制造的整个工艺流程较短、成品率较高和检测费用较低，制造成本比定向凝固单晶叶片低，故定向凝固柱晶合金也得到了较大发展。国外定向凝固柱晶合金已由第一代发展到第三代，其性能水平不断提高，其所适用的发动机性能水平（推重比）也在不断提升。

我国已发展了K系列的数十个铸造等轴晶高温合金、D Z系列的十多个定向柱晶高温合金、10余种DD系列单晶高温合金。上述铸造高温合金在我国航空发动机上获得广泛应用。我国铸造高温合金的整体成熟度低于国外航空制造技术先进国家。

国内典型的单晶高温合金，其中DD3单晶高温合金具有国外第一代单晶高温合金的性能水平，且密度较低，价格较便宜；第二代单晶高温合金DD6，该合金具有高温强度高、综合性能好、组织稳定及铸造工艺性能好等优点。第三代单晶高温合金DD9，该合金的力学性能与国外第三代单晶高温合金力学性能相当，并开始探索第四代单晶高温合金。

2 关键技术

2.1 铸造铝合金技术

2.1.1 现状

国内一些新兴产业如高铁、大飞机、新能源汽车等对优质高性能铸造铝合金需求量巨大，但高端铝铸件的制备仍需铸造界的共同努力，特殊性能、特殊结构的高端铸铝件制备与国外差距很大，未来需要国内自主研发并替代进口。

2.1.2 挑战

铝合金铸件在国家各领域广泛使用，无论是我国提出的战略新兴产业，还是目前已经具有的各工业领域，都离不开铝合金铸件，且这种需求已显现出加重、扩大的态势，原因有三：其一，由于环保和节能减排的要求，轻量化已成为世界主要发达国家均予重视，并争相加大投入力度的新需求，而铝合金及其铸件的普遍使用是实现轻量化的最重要途径；其二，高速铁路、列车是我国为数不多的具有国际竞争力的拳头产品，新一代大飞机项目也将成为类似高铁及列车的战略性产业，这些产业对铝合金铸件需求量巨大，甚至不可或缺，铝合金铸件大有用武之地；其三，我国正在积极推进企业结构升级战略，从国外应用的普遍性对比，先进、高端铝合金铸件完全代表了这一主流发展趋势，这些采用新材料、新设备、新工艺、新技术指标的高端铝合金铸件，应用量更大、应用范围更广、应用需求更多，完全可为企业结构升级提供支撑。

2.1.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

合金化新型铸造铝合金的研究：通过混合添加合金元素或者稀土，重点掌握铸造铝合金性能调控手段，揭示合金成分对组织及其演变过程的影响规律，掌握合金成分-工艺过程-性能的对应关系。

高强韧铝合金新材料开发与设计：通过合金设计，使铸造铝合金强度和韧性更高、重量更轻，同时抗腐蚀性、经济性和损伤容限更好。在高强铝强韧化机理及新合金等诸多难题仍有待于解决。满足飞机、高铁等高端产品向大型、高速、多载方向的发展要求。

2）预计到2030年，要达到的目标

铸造铝合金凝固及固态相变过程的组织演变数值模拟技术：随着计算机数值模拟技术的成熟，针对铝合金凝固过程的组织演变开展研究，以及对其热处理作用下的固态相变过程组织演变的模拟，可相应的掌握其性能指标，从而利用数值模拟结果为铝合金铸件成分设计、工艺优化提供依据，同时为智能制造奠定基础。

铸造铝合金回收再利用技术：废旧的铝合金件及铝合金铸造过程的工艺废品等需要再生利用，该过程的主要技术难点是重熔过程中夹杂物及有害气体的排除，利用传统的精炼技术不能保证再生铝的质量，需要开发专门的熔炼技术。

2.2 铸造镁合金技术

2.2.1 现状

我国镁合金的研究起步较晚，还不能满足在大型结构件铸造成形方面的需求。我国由于型号研制任务紧迫，材料研制时间短，研究过程缺少机理的深入研究，致使基础积累不足。必须由以攻关任务为主导的投入模式，改变为以加强对共性科学问题和技术研究为主的方向，完善高性能铸造镁合金体系性能数据库。

2.2.2 挑战

目前，镁合金工程化技术能力较薄弱。一是实验室阶段的基础研究不够深入，技术成熟度低；二是缺少中试研究条件，材料研制完成实验室阶段就直接过渡到工业化生产中，实验室得出的工艺窗口在工业化条件下难以实现；三是现有生产工艺简单、粗糙，国外许多的先进生产工艺没有掌握和应用。为了获得更好的高性能先进镁合金构件，尤其是航空、航天、兵器等领域需要的大型镁合金复杂构件（例如重载直升机机匣、新一代飞行器机翼），必须发展针对先进镁合金材料应用特性的精确控形控性制造工艺技术，满足国防和民用需求。

2.2.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

高强耐热铸造镁合金：进一步完善M g-Gd-Y系镁合金的研究，测试该类合金的热物性参数和断裂韧性等，丰富其数据库；同时，开发新型M g-R E-Z n系镁合金，研究M g-R E-Z n合金体系中精细结构（析出相、LPSO结构、准晶、细晶）的微观特征和形成机制，探明热/力及其耦合作用下的精细结构演变规律及其调控原理，建立基于精细结构调控的镁合金强韧化机制，并发展先进控形控性技术。大规模熔铸，突破镁-稀土合金大容量熔炼与净化技术，突破大规格铸锭铸造关键技术，突破直径500 mm铸锭冷却技术；产业链的形成，与稀土主产地企业结合，提高稀土原材料的质量稳定性和成熟度。形成高强度稀土镁合金材料工程化生产能力，系统开展关键、重要、复杂零件制造技术研究及典型件的装机考核。

2）预计到2030年，要达到的目标

超轻铸造镁锂合金：重点开发M g-Li-Al-Z n-R E系镁锂合金，探索稀土元素对铸造镁锂合金的强化机理从强化相形成的热力学和动力学角度入手，研究稀土元素在镁锂合金中的存在形式和强化作用。实现铸造镁锂合金成分设计理论与方法的新突破，最终开发出原创性的铸造镁锂合金牌号。研究覆盖熔剂和保护气体复合保护，揭示镁锂合金熔体阻燃保护机制和镁锂合金熔体净化原理。有效抑制熔体的氧化燃烧，提高合金元素的收得率。通过熔剂净化方法，大幅度提高镁锂合金熔体的纯净度。开发出镁锂合金液态成形技术原型，最终实现镁锂合金的低压砂型铸造成形，促进铸造镁锂合金在航天器上的应用。

2.3 铸造钛合金技术

2.3.1 现状

钛合金在高强合金、耐热合金、耐蚀合金、超导合金等各方面的应用越来越广。一方面，单项功能合金的需求日益提高，抗拉强度1 100 M Pa以下的钛合金、600℃以下的耐热合金已经无法满足下一代航天器的需求；另一方面，对全能合金的需求也是重中之重：发动机风扇叶片既需要耐热，也需要抗拉强度；海洋平台所用的钛合金，既需要抗拉强度，也需要耐腐蚀。钛铝Ti3Al金属间化物合金，在航空发动机低压涡轮、高压压气机等温度超过600℃的运行环境有用武之地，5～10年内可以替代比重较大的镍基合金在850℃以下的环境中运行，应以重中之重对待。攻关高温钛合金生产的关键设备，逐渐摆脱对国外设备的依赖，是钛合金生产和创新的关键。攻关钛合金熔炼的关键设备，是我们未来很长一段时间的两大课题。利用这些关键设备开发新型能够有明确应用方向的钛合金新品种。

2.3.2 挑战

以满足对高温高强为重点应用目标的高温、高强钛合金的开发和应用，以深空探测、海洋和船舶低温、耐腐蚀钛合金为应用目标的钛合金品种的开发，研究更高使用温度的TiAl金属间化合物的新材料，以及耐腐蚀钛合金等。

2.3.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

新型钛合金：进一步挖掘传统钛合金的高温使用性能，使其使用温度达到650℃.完善Ti2Al N b合金成分设计、建立组织-工艺-性能关系，使其使用温度达到750℃.通过合金化和组织控制，进一步提升TiAl化合物的性能，使其使用温度达到800℃、室温塑性稳定在2%以上。开发海洋工程用耐腐蚀钛合金，不断提升该合金的强度，保持其韧性，改善其可焊性。提高低温钛合金低温下的屈服强度及塑性，并有较好的断裂韧性和屈服强度的匹配。保证该合金具有优异的冷成形和热成形性能，还具有良好的焊接性能。

2）预计到2030年，要达到的目标.

钛及钛合金废料回收重熔的技术：研究发展新的真空熔炼铸造设备，发展新的熔铸方法，特别是真空感应水冷铜坩埚凝壳炉的普及应用推广。钛合金熔炼的关键设备如PA M离子束冷床炉熔炼，CCI M水冷坩埚感应熔炼法，V I M（真空感应炉熔炼），真空电弧熔炼（V A R），电渣熔炼（ES R），电子束熔炼（E BM），电子束冷室炉床熔炼（E B CH R）等需要在专业厂内推广。随着钛合金在各个领域的广泛应用，钛合金的废品回收和重复利用是一个重要的研究课题。开发出钛及钛合金废料回收重熔的新技术，确保在降低成本的同时提高产品的质量。

2.4 铸造铜合金技术

2.4.1 现状

高强和高导无法兼顾的问题一直困扰高强高导铜合金的设计。如何使固溶于铜基体的元素充分弥散析出是实现高强高导性能的关键所在，为此需要精确控制合金元素之间的结合与分布状态，尽量减少固溶对导电率的负面影响。

超大型舰船用螺旋桨铜合金的合金元素含量以及分布决定着材料最终的力学性能及腐蚀性能，微量元素，尤其是微量的杂质对腐蚀性能的影响都有可能是巨大的影响，这方面我国与国外存在很大差距。由于螺旋桨应用在海水环境中，表面没有涂层保护，会产生腐蚀现象和海洋微生物附着而影响其水动力性能。

2.4.2 挑战

典型的轨道交通网线以及海洋工程用高性能铜合金为主要研究对象，以提升铜合金的力学、导电性能、耐蚀性等为导向，采用多元（粒子）铜合金成分设计，引入析出强化（或弥散强化）突破二元铜合金其力学性能与导电率互相矛盾的理论瓶颈，建立一套完整的轨道交通及海洋工程用铸造铜合金铸造成形的体系，达到各自的行业标准的性能要求。

基于高性能铜合金的“设计-制备-加工-性能评价和寿命管理”的全流程技术路线，开展基础研究工作，解决关键科学问题。从材料学、力学、冶金学、化学、物理学、控制学等多学科交叉融合的角度，对每一个环节涉及到的关键科学问题以及技术瓶颈进行深入研究，寻找解决的方法。

4.4.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

高强高导铜合金：以高强高导的性能需求为导向，结合第一性原理、分子动力学理论，综合考虑成分、组织与性能的对应关系，对铜合金进行成分设计和组织结构设计。以宏微观变形组织为对象，结合连续介质力学和能量耗散理论，采用实验与模拟相结合的方法，研究高性能铜合金的组织、性能与内应力分布特征，建立大盘重铜合金坯材流变组织与内应力演变的宏微观塑性变形理论，进而获取组织均匀性与内应力的调控方法。系统研究时效初期、中期、后期各个阶段的相变规律，探究变形加工率、外加电磁场等对析出强化相的形态、大小及分布的影响，探讨多元微合金化元素对时效过程的影响规律。掌握熔体净化、除气造渣的关键工艺参数，重点研发新型高效保护渣配以惰性保护气氛取代真空条件，通过施加电磁场调控铜合金的铸造过程以获得均匀的成分与组织，降低铸造缺陷。

2）预计到2030年，要达到的目标

大型船舰螺旋桨用铜合金：以高强耐蚀的性能需求为导向，对铜合金进行成分设计和组织结构设计，重点研究不同微量元素对腐蚀性能的影响，开发易铸造的高强高耐蚀铜合金，并加强研究热处理工艺对腐蚀性能的影响。改进熔炼及加工工艺，以提高生产效率，降低劳动强度，增加经济效益的同时减少能耗，减少污染，实现绿色制造。

2.5 铸造高温合金技术

2.5.1 现状

经过近60年的发展，我国已经形成了主干铸造高温合金材料体系。随着国外发动机的引进，仿制了许多国外牌号的铸造高温合金。在型号牵引下，我国发展了具有自主知识产权的铸造高温合金，目前形成了仿制国外合金与自主研制合金并存的现状。长期以来，我国存在重型号研制轻合金研究的思想，导致很多合金的应用基础研究缺乏，在缺少实验数据的基础上就开始研制构件使用，从而出现问题。目前，在认识到上述问题的基础上，着力推进自主研制主干铸造高温合金材料，重视铸造高温合金的应用基础研究，为先进航空发动机的研制提供支持。

2.5.2 挑战

随着航空发动机和重型燃气轮机的发展，要求等轴晶铸造高温合金不断提高使用温度和高温强度，这主要依赖于合金成分优化设计和工艺进步。对定向凝固柱晶高温合金来说，系列化发展合金以适应不同需求。对于单晶高温合金，在第一代、第二代单晶高温合金服役应用的基础上，做好工程应用研究，继续发展第三代、第四代单晶高温合金，促进应用。

2.5.3 目标

1）预计到2020年，要达到的目标

等轴晶铸造高温合金：研制新型等轴晶铸造高温合金，根据合金化理论和冶金原理，设计出具有低密度、抗氧化和耐热腐蚀性好、抗高温蠕变疲劳、高损伤容限、高断裂韧性的等轴晶铸造高温合金新型材料。采用快速凝固工艺可以降低合金元素偏析，使合金的成分、组织和性能稳定，提高发动机批生产的可靠性。加强高温合金大型复杂薄壁铸件的热控凝固技术和细化工艺研究，提高铸件的冶金质量和性能水平。

定向凝固柱晶高温合金：发展更高性能水平的定向凝固柱晶高温合金。目前国内正在研制第二代定向凝固柱晶高温合金。随着R e、R u等合金元素在高温合金中的应用，有可能发展更高性能水平的第三代定向凝固柱晶高温合金，以用于先进航空发动机涡轮工作叶片与导向器叶片。发展抗腐蚀定向凝固柱晶高温合金。地面燃气轮机的发展方向是大容量、高效率、高性能，其重要途径是提高涡轮进口温度，这对燃气涡轮高温部件（涡轮叶片、喷嘴）使用材料提出了更高的要求。因此，研制和生产抗腐蚀定向凝固柱晶高温合金涡轮叶片和喷嘴是今后一个重要的发展方向。

2）预计到2030年，要达到的目标

单晶高温合金：发展新型单晶高温合金的设计理论与方法，随着单晶高温合金的强化理论和合金设计理论的发展，出现了多种合金设计方法。建立在电子空穴理论和d电子理论基础上的相计算（PHACO M P）和新相计算（N ew PHACO M P）方法，可以进行合金成分设计，预测合金是否出现TCP相，评价现有合金在高温长期暴露后的组织稳定性。

单晶高温合金中含有多种有害杂质元素，如O、H、N、S、P、B i、Si、Sb、Pb、Sn、As等，这些有害杂质元素对合金的塑性、韧性和其他力学性能有不利影响。为了减轻甚至消除这些不利影响，必须尽可能去除有害杂质元素，提高单晶高温合金的纯净度。单晶高温合金正在向高纯合金方向发展，在发展新型单晶高温合金和应用已有单晶高温合金时，应不断提高合金的纯净度。

共性技术：改进和提高合金的熔炼工艺和设备，将合金O、N、S等杂质元素的含量控制在5×10-6以下，提高合金的冶金质量水平。继续发展定向凝固柱晶高温合金双性能整体叶盘。采用定向凝固技术铸成柱晶组织的叶片与细晶组织的轮盘，从而获得双性能整体叶盘。目前，定向凝固柱晶高温合金双性能整体叶盘已获得实际应用。发展高温度梯度定向凝固技术，高温度梯度对单晶高温合金的组织和性能有较大的影响，高温度梯度对合金成分、显微组织均匀性和致密性有明显改善，使同一材料最大限度发挥材质的潜力，提高单晶叶片的合格率与生产率，使叶片安全可靠。