行业课堂│陈冰老师文集：发展高端精铸件必
（原载《中国铸造协会精铸分会第十三届年会论文集》，，合肥）
北京航空航天大学陈冰
从全球范围看，近十年来尽管先后受到两次经济危机的严重冲击，但精铸工业总体上仍保持良好的发展态势（见图1）[1]，我国精铸业表现尤其抢眼，在全世界精铸件总销售额中已占有可观的份额（图2）[2]。然而，值得指出的是，工业发达国家（美、欧、日），包括燃气轮机叶片在内的高端（高附加值）精铸件过去是，现在仍然是拉动精铸业持续增长的主要动力，其销售额通常要占60%~70%份额，再加上以增压器（含外围设备）为代表的汽车精铸件占20%~40%。上述二项之和往往就占到80%~90%，剩下10%~20%才是一般机械零部件和其他产品。对比我们中国，情势恰好相反（图3）[1]。从好处说，这意味着我国精铸业尚存在巨大的发展潜力和机遇；从坏处想，这种态势如若不能在未来5~10年发生根本转变，那就势必面临全面萎缩的沮丧局面。换言之，这种以外需低端产品为主要驱动力的发展模式是不可持续的，精铸业的转型升级已经迫在眉睫。
一．我国高端精铸件的发展寄希望于深化改革、扩大开放
高端（高附加值）精铸件市场大多涉及国防、能源、环保等重大关键领域，众所周知，这些部门和领域国内至今仍为国有企业所垄断。一个行业（例如飞机制造）内各企业之间基本上是封闭的，更不用说行业与行业之间（例如航空发动机和工业燃气轮机），或是军民之间。这和国外形成很大的反差，世界著名的三大航空发动机公司——美国GE、普·惠（PrattWhitneyGroup）、和英国罗·罗公司，无一不是既生产航空发动机，又生产工业燃气轮机，既生产军品，也生产民品。同样，国外许多规模仅数十人的小、微型精铸厂也是军民通吃，即所谓“寓军于民”。如果按照我国现存的体制、机制运行下去，恐怕再过多少年也造就不出像上述三大航空发动机公司那样优秀的顶尖企业，也造就不出像美国Hawmet、PCC那样的强势精铸企业，我国先进战机缺少一颗中国“心”的“心病”也难以痊愈。敢问路在何方？路不在政府指令和管控下的“重组”、“重建”，惟有充分发挥市场在优化配置资源上的基础性作用，令优秀企业在公平竞争的市场环境中脱颖而出。中国精铸的发展和未来首先寄希望于“深化改革，扩大开放”。改革开放进入了深水区，精铸业的发展也到了一个关键时期，呼唤改革开放“升级版”尽快出炉。
二．科学、严格的管理制度，训练有素而又长期稳定的员工队伍是最重要的前提条件
近年来国内一些民间资本正企图或已经进入高端精铸件市场，值得欢迎和赞许，这至少是对垄断的一种挑战。然而值得提醒的是，如若没有一套科学、严格的管理制度，没有一支训练有素而又长期稳定的员工队伍，要想进入高端精铸件市场并达到一定量产规模恐怕就只能是一场难圆的梦。当前管理缺失、人心浮动这正是我国许多企业最大的软肋。毕竟批量生产不同于试验、研究，办企业也不同于实验室、研究所。毕竟不惜代价不计成本搞军工的时代早已成为历史的记忆。
三．若干技术关键和难点
高端精铸件高就高在技术含量，需要突破的技术关键和难点多。下面仅就对全局有影响的几个方面做一些简要介绍。
1．叶片冷却技术和陶瓷型芯
目前世界上最先进的航空发动机涡轮进气温度已高达令人难以置信的℃甚至更高[3][4]，超过镍基高温合金熔点约℃以上！从全球范围看，工业燃气轮机与喷气发动机几乎是同步发展的，例如，正在研发中的超高效燃气轮机热效率目标值56%~60%，涡轮前进气温度也将提高到℃[5]，跟航空发动机基本持平。承受如此高的工作温度，首先要求叶片合金材料本身具有优异的高温性能。于是，制作涡轮叶片的高温合金逐步从等轴晶（s）发展到平行于主应力方向的定向柱晶（s），自s以后进一步发展到单晶合金。尽管经过数十年坚持不懈的努力，单从合金角度看，使用温度仍未超过℃，距目前最先进发动机的要求还相差近℃。可见，提高涡轮叶片的承温能力，单靠合金本身是远远不够的，还必须借助冷空气从叶片内部进行强制冷却和对叶片表面气膜冷却，以及热障涂层的综合作用。下面重点介绍与精铸关系最为密切的叶片冷却技术。
目前，涡轮叶片的冷却主要是靠消耗一部分本该用来供燃油燃烧的冷却空气，这就势必会降低发动机的热效率，所以，必须力求消耗最少的冷空气达到最佳的冷却效果。如果用于冷却涡轮叶片的空气比例减少20%，其功效相当于令涡轮进气温度提升几十摄氏度[3]，燃油比耗也将大幅下降，然而这就势必令叶片内部冷却通道的构型越来越复杂。传导和对流仍是空气冷却作用的基础，所以，设计具有大比表面积的冷却通道是必然结果，例如在冷却通道内设置片状、放射状、针状，或栅格状散热片，在此基础上再加入进气边喷淋冷却、叶身气膜冷却、叶盆全覆盖气膜冷却，以及排气边针鳍冷却（PinFinCooling）等，使叶片工作温度提升到℃以上（见图4[5]、图5[3]）。
s以后美、俄率先推出超高效气冷叶片，采用双层壁结构，在原本已经很薄的壁厚内再开设围墙状或栅栏型槽孔[4]，这些槽孔又用尺寸小于1mm的小孔分别与叶片内腔和外表相连。冷却空气进入叶片内腔后，通过这些小孔进入型壁槽孔，形成一道道围墙式或栅栏式的冷却屏障，然后再通过小孔向高温外表喷射冷空气并形成气膜（图6），使冷却效率大幅提升，冷却温度达℃以上，令叶片工作温度提高到℃甚至更高。形成这种类似围墙或栅栏式的纤细通道，型芯制作和脱除的难度之大不言而喻。在未来若干年内，上述冷却系统以及相关的加工要求必将对叶片设计师和制造工程师提出新的挑战，不断将型芯制作、精铸工艺和加工技术推向极致。
形成如此复杂而精细的冷却通道，只用一种型芯恐怕是无能为力的，必须采用不同材料和工艺制成多种型芯组合而成，而形成夹壁结构的型芯非水溶型芯莫属。该型芯两端分别以芯头和型壳与中心型芯相连（图7），待铸件成型后再除之。制作结构如此复杂而精细的型芯，必须有新的思路，材料和工艺都需要创新。
能形成复杂内腔是铸造工艺的显著优势，不仅是空心叶片，许多精铸件，尤其是高端产品（例如机匣、燃油泵壳体等）都具有复杂的内腔。型芯的材料、成型和脱除技术，具有相当高的难度和技术含量，学科综合性很强。或许是由于型芯只是工艺过程中的一种过渡性的产品，往往不被重视，相关介绍发展缓慢。不用说形成夹壁结构的型芯，就拿中心型芯来说，用于定向凝固和单晶铸造的陶瓷型芯，欧美各国主要是采用硅基（石英玻璃）材料，而俄罗斯则采用氧化铝基，二者都早已取得成功（上世纪80~90年代），而我国则二者都举步维艰，至今难说有重大突破。由于体制、机制的局限，型芯研发和生产至今基本上仍处于自给自足的自然经济状态，资源配置极不合理。值得欣慰的是，近年来已有若干专门从事陶瓷型芯研发和生产的小微型企业诞生，但愿有更多类似企业能够在公平竞争的市场环境中脱颖而出，早日成长为高科技小微型企业，为推动我国精铸工业，特别是高端精铸件发展做贡献。
2．几何形状和尺寸检测
内腔复杂是铸造特别是精铸工艺的显著优势，许多高端精铸件，尤其是空心叶片都具有复杂的内腔。这就不能不对检测手段提出了新的要求和挑战。传统的超声检验往往只能检测诸如壁厚之类的简单尺寸，用来检测具有复杂形状的内腔尺寸实在力不从心。计算机断层扫描（ComputedTomography），简称CT，上世纪70年代首先在医学界广泛应用，80年代以后作为一种无损检测手段逐步被推广到工业界。近年来在提高分辨率和图像重建速率上取得长足的进步，不仅可以作为一种无损探伤手段探测铸件内部的某些冶金缺陷，还可作为一种特殊的尺寸检测工具测量铸件复杂内腔（例如多层壁结构）的各类尺寸，这些都是传统方法，包括超声检测和三坐标测量机等都无法检测的。
CT成像的原理是利用X-射线透过样本时，由于样本各个部位存在密度差异，从而对X-射线的吸收率不同，最终在X-射线检测器上形成不同灰度或颜色的图像。采用扇形X线束对样本进行°分层扫描，所得为相应断面的2DCT图像（图8左）；采用锥形X射线束对样本进行°逐段扫描，再通过计算机软件将所获取的图像进行分析、重建，便可还原成在电脑中可视的3D图像(图8右)。3DCT比２DCT更直观，立体视觉效果更好，现已成为快速成型和逆向工程不可或缺的利器，但由于X射线光源缺少准直系统并存在衰减问题，所以，就目前进展而言，3DCT还需要进一步解决分辨率的问题，才能精确检测诸如涡轮叶片之类复杂铸件外型和内腔的结构和尺寸。但作为一种方便快捷的在线检测手段，在生产过程中实时监控型芯-蜡模-型壳收缩/变形的行为特征和规律，以改进并优化工艺，它不失为一种非常有实用价值的工具。较之于3D，2DCT图像具有高得多的分辨率（图9）[6]，因此，对于尺寸公差要求十分严格的铸件来说，是更加给力的手段。它不仅能检测复杂的多层壁结构，也能适应像叶片进、排气边缘那样小半径部位的检测。
总而言之，检测手段的更新和现代化，是发展高端精铸件过程中需要高度白癜风的病因有哪些西宁治疗白癜风的医院
