铸造技术路线图:铸造有色合金
苏彦庆 王同敏 曲迎东 李嘉荣 吴国华 陈瑞润
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第一节概述
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, 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.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、尺寸和分布可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、Yb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。
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WE54铸造合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到350 MPa、250 MPa和6%。
我国开发了多种高性能稀土镁合金材料, 如Mg-Gd-Y-Zr系、Mg-Gd-Y-Zn-Zr系、Mg-Y-RE-Zr系、Mg-Nd-Zn-Zr系等, 其中Mg-Gd-Y-Zr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 MPa、300MPa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、Nd以及富Ce稀土等添加对Mg-5Li-3Al-2Zn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 MPa、170 MPa和20%。
Mg-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Mg-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Mg-Li合金最适宜的方法。
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Ti3Al (α2) 和Ti Al (γ) 为基的合金, 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-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-V-0.5Mo在美国开始批量生产。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金目前已经应用于波音787机型。而我国自行开发的含Nb钛铝合金也
