用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金葉片的真空精密鑄造裝備設(shè)計(jì)

桂大興，孫寶德，董安平

（1.上海鑫藍(lán)海自動(dòng)化科技有限公司，上海 201203；2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

0 前言

真空精密鑄造技術(shù)直接影響國家的核心競爭力，其廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、海洋船舶、核能核電、能源化工等領(lǐng)域。高溫合金中鋁、鈦、鉻含量較高，這些元素在空氣中極為活潑，很容易氧化，從而形成夾雜[1-3]。因此，為了避免夾雜，真空精密鑄造技術(shù)是其理想的成型工藝之一[4-10]。

上世紀(jì)九十年代開始，國內(nèi)相關(guān)科研院所布點(diǎn)攻關(guān)高溫合金材料和高溫合金真空精密鑄造，開始了高端金屬材料的研發(fā)進(jìn)程。目前，國內(nèi)真空精密鑄造裝備不能滿足國內(nèi)高端材料的制備需求，只能依賴于從國外進(jìn)口，常有交貨周期特別長且價(jià)格昂貴，售后和技術(shù)服務(wù)不能及時(shí)等問題，導(dǎo)致國內(nèi)產(chǎn)能低下，無法滿足社會(huì)各行各業(yè)的需求。最近五年來，得益于大量歸國工程師借鑒國外相關(guān)裝備制造企業(yè)的設(shè)計(jì)理念，國內(nèi)真空精密鑄造裝備的國產(chǎn)化水平明顯提高。隨著我國航空、航天、航海等技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)大飛機(jī)、大航母的成功落地，空間技術(shù)的開發(fā)，各工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω叨烁邷睾辖鸬认嚓P(guān)超合金材料需求量日益旺盛，甚至供不應(yīng)求[11-15]。特別是在國家推行的“雙碳”大戰(zhàn)略下，國內(nèi)傳統(tǒng)冶金行業(yè)也紛紛加快產(chǎn)業(yè)升級步伐，發(fā)展自主國產(chǎn)化高性能真空精密鑄造裝備技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。

1 真空精密鑄造裝備詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1 真空精密鑄造爐概述

真空精密鑄造爐，英文Vacuum Precision Casting furnace,國際行業(yè)簡稱VPIC。主要用于制備先進(jìn)的高溫合金異形鑄造部件，它們主要應(yīng)用于航空航天、能源發(fā)電、船舶航海等行業(yè)。真空精密鑄造爐是在真空環(huán)境下，將預(yù)先合金化的金屬原料進(jìn)行感應(yīng)加熱熔化并在真空環(huán)境下澆注到鑄模內(nèi)，制成所需的鑄件。在常規(guī)工業(yè)中所需的多數(shù)是等軸晶精密鑄件，而在航空航天及燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)中所需的是采用定向凝固以及單晶鑄件，這主要是由于定向凝固鑄件和單晶鑄件可在極高溫的工作環(huán)境下仍然具有非常優(yōu)異的性能。

真空精密鑄造爐一般都采用半連續(xù)爐型設(shè)計(jì)，具有三個(gè)相對獨(dú)立的真空腔室，分別為熔煉室、鑄模室和加料（測溫）室，每個(gè)真空腔室之間都配置有特殊的真空隔離閥，感應(yīng)熔煉線圈及坩堝安裝于熔煉室，鑄造模殼安裝于鑄模室，高溫合金原料通過加料室來完成加料。

1.2 真空精密鑄造爐工藝布局結(jié)構(gòu)形式

通常真空精密鑄造爐有立式（上加料）和臥式（側(cè)加料）兩種設(shè)計(jì)形式，主要體現(xiàn)在不同工藝的需求上，在國內(nèi)，立式真空精密鑄造爐比較流行，受工藝固化或操作習(xí)慣所致，臥式真空精密鑄造爐在國內(nèi)市場較少見，制造成本相對較高；在國外，恰恰相反，臥式真空精密鑄造爐備受青睞，采用一爐一坩堝或少爐一坩堝的工藝，便于加料，當(dāng)然高溫合金就相對不污染而純凈，最終產(chǎn)品質(zhì)量較好。圖1 是立式（上加料）真空精密鑄造爐工藝平面圖和立面圖，圖2 是臥式（側(cè)加料）真空精密鑄造爐工藝平面圖和立面圖。

圖1 立式（上加料）工藝布置

圖2 臥式（側(cè)加料）工藝布置

立式結(jié)構(gòu)主體設(shè)備占地面積約為8m×8m，地面以上高度約為8.2m，立式結(jié)構(gòu)主體設(shè)備占地面積約為10m×10m，地面以上高度約為7.2m。

1.3 真空獲得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)是真空熔煉裝備的重要組成部分之一，主要包括真空機(jī)組、真空管道、真空閥門、真空過濾系統(tǒng)、真空壓力傳感器、溫度傳感器、安全裝置、軟連接等單元。真空機(jī)組的配置是根據(jù)用戶工藝指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的。VPIC 真空系統(tǒng)是由三級泵組成的，分別是機(jī)械泵、羅茨泵和油擴(kuò)散（增壓）泵。真空系統(tǒng)的主要參數(shù)是極限真空度和壓升率或漏率。極限真空度主要用來衡量真空腔室的制作焊接水平，該指標(biāo)一般取0.07Pa～0.1Pa，考核極限真空度是不受抽氣時(shí)間的限制，只要真空計(jì)表征顯示出來即可。壓升率或漏率的單位分別是Pa/h 和Pa.L/s，該指標(biāo)主要考核各種密封連接（動(dòng)密封和靜密封）的可靠性，該指標(biāo)通常取1～3Pa/h 或30～50Pa.L/s。習(xí)慣上采用壓升率來進(jìn)行檢測腔室，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行抽氣和保壓試驗(yàn)。以25kg 真空精密澆鑄爐為例，熔煉室抽氣速率取小于8min達(dá)到0.1Pa，鑄模室抽氣速率是1min 內(nèi)達(dá)到1Pa，加料室抽氣速率是40s 內(nèi)達(dá)到1Pa。真空獲得機(jī)組的配置：熔煉室配1 臺Leybold DV650 干式螺桿泵，1 臺WAU2001 羅茨泵,1 臺DIP20000 油擴(kuò)散泵;鑄型室配1 臺Leybold DV650 干式泵和1 臺WHU4400 羅茨泵（附加變頻驅(qū)動(dòng)VFD）。25kgVPIC 的真空系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 VPIC 真空獲得系統(tǒng)原理示意

1.4 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（設(shè)備水系統(tǒng)和電源水系統(tǒng)）

VPIC 熔煉和澆鑄全流程工藝都是在真空和高溫環(huán)境下不間斷進(jìn)行的。一方面高溫母合金棒料通過高頻電磁感應(yīng)加熱，環(huán)境溫度較高，受熱輻射需要對真空腔室和一些元器件進(jìn)行水冷處理，確保設(shè)備運(yùn)行安全；另一方面高溫合金鑄件在結(jié)晶凝固過程中放出大量熱量需要通過熱交換帶出爐外。熔煉電源系統(tǒng)和保溫電源系統(tǒng)，也需要去離子水對電氣元器件進(jìn)行水冷處理，這是一個(gè)獨(dú)立的水冷系統(tǒng)。單晶爐的水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。設(shè)計(jì)方法有二，一是采用開式水循環(huán)，即設(shè)備水冷系統(tǒng)是由用戶戶外冷卻塔直接給設(shè)備供水；二是采用閉式水循環(huán)系統(tǒng)，即在室內(nèi)通過集水箱給設(shè)備供水，形成閉式水路循環(huán)。設(shè)備水系統(tǒng)如圖4，電源水系統(tǒng)如圖5。

圖4 設(shè)備冷卻水系統(tǒng)原理圖示意

圖5 電源（熔煉+保溫）冷卻水系統(tǒng)原理圖示意

1.5 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)主要是針對各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。如真空閥門和安全閥門的啟閉，氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)，熔煉和澆鑄工藝氬氣的分壓與回填等。氣動(dòng)系統(tǒng)是由氣源（介質(zhì)、壓力和流量）、氣動(dòng)三聯(lián)件（調(diào)壓、干燥、過濾）、集氣匯流排、球閥、消音器等元件組成。

1.6 熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置設(shè)計(jì)

熔煉及其坩堝傾翻澆鑄裝置由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和熔煉坩堝裝置組成。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)用來高溫合金的澆鑄，包含有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和減速傳動(dòng)裝置，通過大小齒輪組進(jìn)行減速；平移機(jī)構(gòu)用來在澆鑄過程中補(bǔ)償曲線位移差從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)澆鑄，包含伺服電機(jī)和直線導(dǎo)軌。在整個(gè)高溫合金澆鑄過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)和平移伺服電機(jī)通過PLC 聯(lián)動(dòng)，讓鋼水澆鑄實(shí)際拋物線按照預(yù)先設(shè)定工藝曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與瞬間調(diào)整，以至鋼水落點(diǎn)始終在模殼的中心位置，有利于鑄件充型均勻。熔煉坩堝裝置是由熔煉線圈和成型坩堝組件（內(nèi)襯+坩堝），熔煉線圈是和熔煉電源一一對應(yīng)，通常25kg VPIC 的感應(yīng)線圈內(nèi)徑和有效高度分別205mm 和285mm。坩堝的傾翻角度：立式（上加料）爐0°～95°；臥式（側(cè)加料）爐-90°～+90°，外形結(jié)構(gòu)如圖7。

圖6 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖示意

圖7 熔煉及其坩堝傾翻裝置

1.7 拉晶裝置設(shè)計(jì)

拉晶裝置又稱鑄模系統(tǒng)，主要部件有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、直線導(dǎo)軌、結(jié)晶系統(tǒng)和模殼測溫裝置等，如圖8 所示。拉晶裝置既可以實(shí)現(xiàn)精確平滑的升降，也可以精確控制模殼從加熱區(qū)的拉晶速度。采用高精度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過直線導(dǎo)軌來控制拉軸的升降。伺服電機(jī)置于鑄模室底部，鑄模通過交流伺服電機(jī)以（0.1～20）mm/min 的速率慢速升降，高速時(shí)以≥4500mm/min 的速率快速移動(dòng)，運(yùn)行過程接近零振動(dòng)，這是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。伺服電機(jī)編碼器可以將位移信號實(shí)時(shí)反饋至自動(dòng)控制程序。水冷結(jié)晶器安裝在鍍鉻的空心軸上，軸與直線導(dǎo)軌相連實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，進(jìn)水和回水冷卻管都連接在該冷卻板上，也將對冷卻板水流入口溫度、出口溫度及水流量連續(xù)監(jiān)測。鍍鉻的空心軸外部裝有保護(hù)套，保證真空動(dòng)密封的清潔度和可靠性。

圖8 拉晶裝置

拉晶升降系統(tǒng)配置有位置傳感器，可在人機(jī)界面上數(shù)字顯示模殼高度位置，該系統(tǒng)重復(fù)定位精度在±1mm 以內(nèi)。抽拉機(jī)構(gòu)上方結(jié)晶器與線圈同心，在最高位中心偏差≤1mm，導(dǎo)向穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)。拉晶系統(tǒng)與隔離閥互鎖，在升降過程中不會(huì)與其他部件發(fā)生干涉。拉晶機(jī)構(gòu)采用防護(hù)鋼板以防止金屬飛濺和其他外來污染物，軸封和軸承使用油圈進(jìn)行保護(hù)。在升降過程中，需要考慮通過細(xì)致的設(shè)計(jì)來去除或減少可能產(chǎn)生的振動(dòng)給晶體生長帶來的影響，具體拉晶機(jī)構(gòu)的減振設(shè)計(jì)方法有：

（1）采用干式真空泵，可以從根本上有效降低振動(dòng)；

（2）粗真空系統(tǒng)與設(shè)備爐體之間連接采用波紋管軟連接緩沖結(jié)構(gòu)，消除動(dòng)能傳遞；

（3）結(jié)構(gòu)平臺與設(shè)備本體不相連，避免平臺上產(chǎn)生的任何振動(dòng)傳遞至腔室及爐體升降系統(tǒng)上，安裝座采用增強(qiáng)型強(qiáng)度設(shè)計(jì)以減振；

（4）伺服驅(qū)動(dòng)安裝在拉晶軸頂部，相較于在底部安裝電機(jī)，大大減小電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)對拉晶的影響。

拉晶裝置快慢速度設(shè)計(jì)取決于伺服電機(jī)的分辨率。拉晶速度計(jì)算公式：

式中，N 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；i 為減速比；n 為螺桿頭數(shù)；P為直線導(dǎo)軌導(dǎo)程。

結(jié)晶器材質(zhì)是純銅，導(dǎo)熱性能好，結(jié)晶器水環(huán)設(shè)計(jì)非常重要，這是拉晶成敗的決定因素之一，設(shè)計(jì)時(shí)要計(jì)算冷卻水的能力和結(jié)晶器的傳熱系數(shù)，體現(xiàn)在結(jié)晶器的高度和水冷槽的過流截面，結(jié)晶器高度通常取50mm，水冷槽截面9.5mm×12.7mm。

模殼測溫裝置，正常設(shè)置12～20 通道。模殼測溫裝置是工藝開發(fā)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，一當(dāng)工藝成熟，正常生產(chǎn)時(shí)無需進(jìn)行每爐次測試。另一種情況就是不定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)校核時(shí)使用該測溫裝置，如圖9 所示。

圖9 模殼測溫裝置

1.8 保溫裝置設(shè)計(jì)

保溫裝置是控制模殼加熱和凝固溫度場的智能化單元。由感應(yīng)電源、感應(yīng)加熱線圈、水冷環(huán)和溫區(qū)隔熱組件組成。保溫裝置最先進(jìn)的加熱模式是采用雙區(qū)或多區(qū)加熱感應(yīng)電源，有利于溫度場的溫度梯度的建立，有利于高溫合金單晶的生長結(jié)晶。目前歐美主流采用雙區(qū)或多區(qū)加熱模式，在國內(nèi)由于電源技術(shù)的限制還不多見，但是，上海鑫藍(lán)海公司推出的高端單晶爐均采用雙區(qū)或多區(qū)加熱模式。保溫感應(yīng)電源根據(jù)工藝參數(shù)溫度梯度設(shè)定值，電源控制PID 進(jìn)行智能化精準(zhǔn)跟蹤，該電源控制溫區(qū)是通過占功比來智能化控溫的，一旦溫區(qū)梯度設(shè)定，電源控制單元指令高頻（微秒級）切換不同溫區(qū)加熱的時(shí)間，各溫區(qū)不同時(shí)加熱，這樣可以避免溫區(qū)之間的電磁波干擾，各線圈上下之間能夠有效隔熱，達(dá)到精準(zhǔn)控制溫度梯度的目的。如果不采用雙區(qū)或多區(qū)加熱電源，線圈之間就會(huì)同時(shí)供電加熱，無法消除電磁波的干擾，從而控溫效果依賴于工藝經(jīng)驗(yàn)來判斷或修正。所以采用雙區(qū)或多區(qū)加熱模式是未來的凝固工藝發(fā)展的主流。

圖10 保溫裝置

水冷環(huán)放置在保溫線圈的底部，其材質(zhì)是純銅，兩層水冷結(jié)構(gòu)。水冷環(huán)與保溫線圈之間有隔熱環(huán)和絕緣環(huán)隔開。水冷環(huán)高度設(shè)計(jì)一般取100～200mm 之間。保溫線圈內(nèi)徑和水冷環(huán)內(nèi)徑是由陶瓷模殼外徑?jīng)Q定的。

計(jì)算方法：保溫線圈內(nèi)徑=水冷環(huán)內(nèi)徑+50mm=陶瓷模殼外徑+100mm。

1.9 加料與測溫裝置設(shè)計(jì)

棒材加料是采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過位移編碼器實(shí)現(xiàn)棒材平穩(wěn)精確地加入到坩堝中，采用氣缸驅(qū)動(dòng)夾具夾持棒料，夾持棒料時(shí)，可以對棒料產(chǎn)生穩(wěn)定的夾持力，可以承受一定范圍內(nèi)的外力沖擊；該夾取機(jī)構(gòu)采用快換卡爪的設(shè)計(jì)，可以針對不同的棒料和坩堝更換對應(yīng)的卡爪，實(shí)現(xiàn)不同長度的棒料在不破真空的情況下更換坩堝。棒材夾具可夾母合金圓棒?70～?120mm，長度最大400mm。

測溫裝置同時(shí)采用浸入式熱電偶和遠(yuǎn)紅外光學(xué)測溫兩種形式，相互校準(zhǔn)，隨時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)。浸入式熱電偶裝置是運(yùn)用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)測溫桿組件，熱電偶桿內(nèi)置二合一（測溫或取樣）B 型鉑銠絲探測器。熱電偶測溫裝置的升降采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，自動(dòng)方式時(shí)，測溫桿的下降速度先快速，在靠近金屬液時(shí)轉(zhuǎn)為慢速，可以根據(jù)工藝要求調(diào)整運(yùn)行速度。

光學(xué)高溫計(jì)裝置，即雙色光學(xué)高溫計(jì)（溫度范圍700～1800℃）。固定在測溫室頂上，需要時(shí)可打開氣動(dòng)隔離閥實(shí)現(xiàn)測溫。

浸入式熱電偶的定位裝置確保其不會(huì)擋住光學(xué)高溫計(jì)與鋼液熔池的視線，從而使光學(xué)高溫計(jì)能夠手動(dòng)與浸入式熱電偶相校準(zhǔn)。完成校準(zhǔn)后，兩者之間最大偏差±5℃。

具備光學(xué)測溫觀察鏡片吹氬除塵功能，保證長期測溫準(zhǔn)確性。安裝球形隔離閥，可以在不破真空的情況下快速更換光學(xué)測溫計(jì)觀測窗。浸入式熱電偶測溫和雙色光學(xué)高溫計(jì)測溫兩套裝置，光學(xué)高溫計(jì)用于合金熔煉過程中的溫度控制和記錄，熱電偶測溫用于合金澆注溫度的控制、測定和記錄。兩套測溫系統(tǒng)可同時(shí)使用并互不干涉。

立式真空精密鑄造爐的加料裝置與測溫裝置通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工藝切換，見圖11 所示。

圖11 加料與測溫裝置

1.10 PLC 控制和HMI 人機(jī)交互系統(tǒng)

真空精密澆鑄爐自動(dòng)化控制系統(tǒng)是由上位機(jī)（HMI）和下位機(jī)（PLC）兩部分組成。

上位機(jī)采用一套PC 機(jī)的人機(jī)界面控制和數(shù)據(jù)采集的集成控制系統(tǒng)。PC 機(jī)能實(shí)時(shí)、連續(xù)記錄日期、時(shí)間、溫度、真空度、功率等與工藝相關(guān)的參數(shù)，并可將記錄內(nèi)容打印輸出。同時(shí)PLC 可以與個(gè)人電腦或企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接（提供必要的硬件和軟件）。同時(shí)下位機(jī)采用西門子品牌SIMATIC S7-1500 系列的PLC 系統(tǒng)作為控制接口、信號處理和邏輯控制的單元。PLC 系統(tǒng)操作可設(shè)置成手動(dòng)、自動(dòng)和操作的維修模式。該程序控制、記錄等功能切換操作簡便，并有相應(yīng)保護(hù)和明顯的顯示功能，避免誤操作。手動(dòng)程序和自動(dòng)程序配備一鍵切換選擇開關(guān)，更改配方工藝設(shè)置有權(quán)限密碼功能，更改前需要輸入相應(yīng)權(quán)限密碼，密碼正確才能修改。溫度，真空度監(jiān)控曲線均為自動(dòng)監(jiān)控，無需人為控制，可以顯示或隱藏監(jiān)控曲線，方便操作員監(jiān)控和判斷生產(chǎn)過程情況。自動(dòng)狀態(tài)下，澆鑄完成后，自動(dòng)拉晶；一鍵啟動(dòng)自動(dòng)抽真空。軟件能同時(shí)存儲(chǔ)50 個(gè)以上不同零件的工藝參數(shù)，并能用密碼鎖定。控制系統(tǒng)設(shè)置不同層級的賬號權(quán)限，如操作人員、工藝人員和管理人員等，保證不同權(quán)限人員對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理。操作者通過軟件系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作控制、設(shè)備狀態(tài)和工藝參數(shù)監(jiān)控、工藝程序編制等。設(shè)備具備故障分析和監(jiān)測功能。

控制系統(tǒng)包含以下操作自動(dòng)化控制：（1）真空獲得系統(tǒng)；（2）加料（上加料或側(cè)加料）；（3）熔煉及測溫；（4）坩堝傾翻澆鑄（培訓(xùn)學(xué)習(xí)和曲線編程兩種功能）；（5）模殼傳送；（6）上、下加熱器（保溫系統(tǒng)）加熱；（7）拉晶。

計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)軟件具有以下界面：（1）開機(jī)會(huì)話資格確認(rèn);（2）菜單管理;（3）走勢（真空度、功率、溫度等走勢曲線）;（4）工藝過程;（5）真空;（6）設(shè)備參數(shù);（7）維護(hù)日志;（8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和選擇。

主要畫面如圖12 所示。

圖12 HMI 自動(dòng)控制系統(tǒng)

軟件界面能顯示以下內(nèi)容：（1）加料室、熔煉室、鑄型室和擴(kuò)散泵真空值和智能升壓測試;（2）熔煉電力供給功率、電流、頻率和電壓值;（3）各種水溫、壓力、流量檢測;（4）熱電偶和光學(xué)溫度計(jì)測量溫度;（5）坩堝傾翻角度和位置;（6）擴(kuò)散泵油溫;（7）真空泵工作時(shí)間;（8）模殼加熱溫度;（9）拉晶速度控制;（10）結(jié)晶器和水冷環(huán)出口水溫。

2 真空精密鑄造工藝與裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望

隨著我國航空航天和國防軍工等核心競爭力領(lǐng)域的大發(fā)展，高端材料及其裝備也越來越多樣化、復(fù)雜化。高溫超和金成型鑄造工藝與裝備技術(shù)日新月異，世界各國都在開展或挖掘多技術(shù)路線來研發(fā)超合金及其鑄件工藝。隨著大型專業(yè)化計(jì)算和力學(xué)分析軟件的問世，大型復(fù)雜薄壁鑄件結(jié)構(gòu)也隨之不斷地進(jìn)行優(yōu)化和輕量化，使之“超薄、高精、無缺陷”一度成為業(yè)內(nèi)追求的至尊目標(biāo)。凝固成型精度要求越來越高，結(jié)晶微觀品質(zhì)要求愈加苛刻，截面結(jié)構(gòu)更是復(fù)雜、薄如蟬翼，這些因素倒逼真空精密鑄造工藝和裝備技術(shù)需要大突破，面對特殊航空構(gòu)件制備甚至需要去顛覆傳統(tǒng)工藝。

我國航空航天事業(yè)正面臨跨越式發(fā)展，鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)了重大變化，其尺寸、壁厚和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度均超出了傳統(tǒng)精密鑄造技術(shù)的極限，現(xiàn)為外輪廓超過1000mm，大面積壁厚小于1.5mm（甚至1.0mm），大面積空心薄壁曲面結(jié)構(gòu)與變截面系數(shù)陡增成為常態(tài)。此外，對鑄件冶金質(zhì)量和尺寸精度也提出了苛刻要求，主承力部位無宏觀疏松，整體尺寸精度由CT7 提升到CT5，表面粗糙度從3μm 提高到2μm，未來有可能更高。以上兩方面因素促使以“無疏松、高精密、1mm”為特征的大型復(fù)雜薄壁高溫合金超限精密鑄造技術(shù)成為世界級難題，成為各國競相發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。如何解決三大難題實(shí)現(xiàn)超限鑄件精密成型是關(guān)鍵，擺在眼前的出發(fā)點(diǎn)就是研發(fā)高性能高溫合金母材、革新精密鑄造工藝和創(chuàng)新多功能高性能裝備，三者缺一不可。

第一點(diǎn)，關(guān)于研發(fā)高性能高溫合金母材。在歐美，制備高溫母合金的真空感應(yīng)熔煉工藝與裝備已經(jīng)發(fā)展非常成熟，而且功能先進(jìn)，特別是美國，高溫母合金產(chǎn)能全球第一，母合金研發(fā)種類繁多，各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)上乘一流。而在國內(nèi)，受當(dāng)時(shí)國家工業(yè)水平的限制，高溫合金技術(shù)發(fā)展較晚且檔次不高，近些年，特別是進(jìn)入21 世紀(jì)以來，國際形勢發(fā)生變化，我國積極倡導(dǎo)和鼓勵(lì)自主研發(fā)，正在大力發(fā)展高溫合金，組織青年學(xué)生走出國門，打開眼界向世界學(xué)習(xí)，創(chuàng)造機(jī)會(huì)去接觸或參與最先進(jìn)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，借鑒和發(fā)揚(yáng)世界新技術(shù)，提高研發(fā)和創(chuàng)新能力。目前，我國各大科研院所正如火如荼研發(fā)高端高溫合金材料。

第二點(diǎn)，關(guān)于革新精密鑄造工藝。鑄造工藝是一個(gè)敏感的話題，特別是新工藝的問世，各國都存在保密和技術(shù)壟斷。鑄造工藝設(shè)計(jì)包括陶瓷模殼設(shè)計(jì)和凝固成型設(shè)計(jì)。高溫合金精密鑄件的尺寸、結(jié)構(gòu)和功用是千變?nèi)f化，從而對應(yīng)的澆鑄工藝也有所不同，國內(nèi)和國外也有所不同。隨著國家航空、航天和航海等發(fā)展的需要，擺脫核心領(lǐng)域不被“卡脖子”，研發(fā)新工藝、新技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。傳統(tǒng)的高溫合金精密鑄造工藝技術(shù)面對超大型復(fù)雜薄壁鑄件已經(jīng)束手無策。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，工藝開發(fā)可以通過專業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模擬與仿真，結(jié)合試驗(yàn)再完善再優(yōu)化。建立大型數(shù)據(jù)庫是智能化工藝設(shè)計(jì)的首要條件，數(shù)字孿生技術(shù)可以用來模擬與仿真，篩選最優(yōu)化的工藝。未來誰掌握了數(shù)據(jù)誰就贏了市場。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精密鑄造均采用真空重力鑄造工藝，成材率為80%～90%。試想，隨著工藝的發(fā)展和航空鑄件要求的提高，傳統(tǒng)工藝面臨挑戰(zhàn)的時(shí)候，真空重力鑄造、真空氦氣冷卻重力鑄造、反重力真空與加壓鑄造、液態(tài)金屬冷卻鑄造等新工藝將不斷革新推出。

第三點(diǎn)，關(guān)于創(chuàng)新多功能高性能裝備。放眼全球，真空精密鑄造裝備（VPIC）技術(shù)的成長史，也是鑄造工藝的發(fā)展史，是伴隨著鑄造工藝不斷革新而發(fā)展起來的，同時(shí)，高端真空精密鑄造裝備技術(shù)又受計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的限制，計(jì)算機(jī)和云計(jì)算技術(shù)一定會(huì)讓精密鑄造裝備技術(shù)突飛猛進(jìn)。數(shù)字孿生和人工智能是未來精密鑄造裝備發(fā)展的主方向，數(shù)據(jù)賦能智造，智造服務(wù)工藝。真空精密鑄造爐經(jīng)過百年來的不斷迭代與升級，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，未來一定要全面達(dá)到智能化。在國內(nèi)，真空精密鑄造裝備發(fā)展良莠不齊，單臺25kg 的真空精密鑄造單晶爐價(jià)格也是在100 萬～1500 萬不等，可見差距較大。上海鑫藍(lán)海科技公司研發(fā)的高端真空精密鑄造裝備技術(shù)相對起點(diǎn)高，性能優(yōu)越，完全可以與歐美的CONSARC 和ALD 相媲美，已經(jīng)在中國航發(fā)系統(tǒng)或相關(guān)領(lǐng)域成功投入運(yùn)行。定點(diǎn)澆鑄技術(shù)、智能工藝篩選技術(shù)、人工智能技術(shù)、云技術(shù)、全自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、無人化或少人化數(shù)字工廠等將是真空精密澆鑄科技裝備的追求目標(biāo)。

基于多源信息融合大數(shù)據(jù)與人工智能的智能鑄造理論與技術(shù)，構(gòu)建大型復(fù)雜薄壁鑄件凝固與鑄造過程的多物理場數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)鑄造向大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能設(shè)計(jì)鑄造模式的轉(zhuǎn)變，有望解決經(jīng)典凝固理論無法找到多元合金凝固過程的量化方法，鑄造過程多物理場融合的不確定性，稀疏的數(shù)據(jù)不足以支撐工藝參數(shù)最優(yōu)化決策等問題，推進(jìn)鑄造工藝設(shè)計(jì)由人腦向電腦轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)鑄件冶金缺陷與全流程尺寸精度穩(wěn)定控制。隨著集成計(jì)算材料工程和增材制造技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)匹配大型超薄壁高溫合金鑄件復(fù)雜充型凝固過程局部熱場可調(diào)控的陶瓷模殼材料及其制備技術(shù)，摒棄傳統(tǒng)精鑄中模具設(shè)計(jì)、蠟?zāi)褐平M裝工序，采用增材制造技術(shù)直接制備具有復(fù)雜隨形流道與超薄型腔的陶瓷型殼，突破超薄壁復(fù)雜高溫合金鑄件的高質(zhì)量調(diào)壓鑄造成型技術(shù)，結(jié)合大型智能化調(diào)壓精鑄裝備研制，制備出傳統(tǒng)重力鑄造無法獲得的大尺寸復(fù)雜超薄壁高溫合金鑄件。為鑄件輕量化與功能優(yōu)先設(shè)計(jì)提供保障，并形成基于“3D 打印型殼+智能調(diào)壓精鑄”的超薄壁高溫合金鑄件制備技術(shù)體系，最大限度發(fā)揮高溫合金材料應(yīng)用潛力，有望大幅提高航空航天重大裝備的綜合性能[11]。