精密铸造在航空航天工业中的应用

作者：上海美唐科技公司 金天拾

欢迎访问e展厅 展厅 11 铸造机械/压铸设备展厅 造型机, 压铸机, 消失模铸造设备, 混砂机, 烘砂机, ... 在世界上，绝大多数精密铸造厂都采用高压蒸汽脱蜡法，这个方法可以轻易而又迅速地去除铸造陶瓷模壳里面的蜡模。本文致力于帮助读者了解这项技术，并且考察目前的趋势和将来的发展。 熔模铸造（Investment Casting）、脱蜡技术或工艺（Lost Wax），这些都是用不同的技术术语描述相同的技术，即在人类历史上最古老的原始工艺形式。 历史回顾 在5000年前，古埃及和美索不达米亚的铸造技术已经可以在脱去蜂蜡模的黏土模具的技术上铸造铜牌。制造原始模型的材料是由蜂蜡和用木炭做为燃料的火制造而成，这需要三个步骤： 1、蜂蜡模液化后流出来； 2、黏土做成的模壳被烧结； 3、熔化的青铜球从上浇道口浇入模腔。 不仅在中东，甚至在中国汉代与墨西哥的阿兹台克人和当今的贝宁和尼日利亚，这个工艺过程是众所周知的，并完善这样的方法，用于制作艺术作品、工具和武器。 一直到19世纪末，在美国牙科领域，因为第一次把熔模铸造技术用于牙冠和牙嵌体生产，熔模铸造过程经历了第一次技术飞跃。大约在40年后，由于传统的制造方法已不能再满足军方的要求，熔模铸造技术就成了一个新的发展方向。1945年后，熔模铸造工艺不断开发和调整，并应用到系列产品的批量生产。熔模铸造技术总是应用于高精度复杂的零部件，以达到最小的工件返工量。其材料包括许多高熔点合金，如钛合金和用于精密模具的合金钢。因此，今天精密铸造最广泛应用于高尔夫球头制造，和铬和钴合金制成的医疗人工替代品，以及汽车、赛车行业及航空航天工业的零部件生产。 可以看到，在蓬勃发展的精密铸造行业，这仅仅是一个更大发展的开始 ：当今熔模铸造最新流行的词语是“定向凝固”和“单晶凝固”技术。通过模壳的结构形式以及与一个特殊的热处理过程中的凝固连接材料，得到只有几个平行柱状晶的铸件。 最好的理想状态情况下做出的铸件是由一个单一的晶粒铸造而成，没有或几乎没有晶界，从而具有更高的机械性能和高温性能。在许多飞机发动机和用于发电的燃气轮机涡轮叶片应用这项技术可以使发动机和燃气轮机工作效率达到前所未有的高度。虽然第一个单晶铸件只有拇指盖大小，但是单晶铸件要求的不断增长——现在最大的单晶铸件大约两英尺长，目前还不清楚这个令人激动人心的发展结果的前景。 高压蒸汽脱蜡 不管是5000年前用青铜制造的生育女神或当今用高温合金制造压气机的航空喷气发动机，它们在原理上仍然是相同的过程：模具是在蜡制成蜡模，然后在蜡模上涂有陶瓷材料的型壳，最后再由熔化蜡的方法尽量轻易地去除蜡模。从闪烧法脱蜡、浸渍法脱蜡、微波法脱蜡、对流型加热炉（烤箱）到目前世界上运用最普遍的高压蒸汽脱蜡炉，各种不同的蜡模技术都曾出现过。下面将着重介绍高压蒸汽脱蜡炉。 高压蒸汽脱蜡炉原理很久以前就已经被发现，可以追溯到1674年发明蒸汽机和潜艇的法国丹尼斯·帕潘。他在实践中认识到，水的沸点是和环境压力有直接关系。如果增加压力，则会导致水的沸点增加，在10巴压力，水的沸点为183℃。高压蒸汽脱蜡炉正是运用这种原理，以获得更高的能量密度。 直到有一天，一个精密铸造从业者产生一个好主意，阴差阳错地用蒸汽压力锅炉去除他模壳的蜡，这种技术简单而有效。这样的“蒸汽机”只包含几个部件，并且由于水蒸汽的高能量是完全适合用于快速融化蜡模。 工艺过程 首先是要有蒸汽发生器，就是一个加入一半水的锅炉，采用电器元件加热或气体燃烧器的方式加热。只要达到适当的压力和温度，打开接口阀，以接近音速的260米/秒、183℃饱和蒸汽流速，传递到可以容纳两个模壳的第二个锅炉。为了提高效率，需要预热空置的内胆锅炉。蒸汽发生器通常是设计成围绕着内胆锅炉，即实际压力釜。 压力增加后，高能量的水蒸汽聚集在炉内的模具上，通过模壳立即将其热量传递到蜡模。蜡模表面融化，蜡从模壳中泄漏出来，部分蜡渗透到模壳中。由于所有这一切发生的非常快，模壳不会因膨胀而形成任何裂纹。如果一个工艺参数不正确，或者压力产生过慢（或停滞），高压蒸汽脱蜡炉也会使废品率急剧上升。 经过10-20分钟，锅炉压力因打开另一个阀门而降低。在理想的情况下，当它达到环境压力，特定的门可以由一个插销栓打开，取出完全脱蜡的模具。 然而以下的因素仍然需要考虑：不是铸造过程中液态金属浇铸到模壳的模壳最高强度，确切地说，就是非常不引人注意的脱蜡（因为几乎看不见的）的过程，最让人头疼的陶瓷模壳的湿强度，它决定铸造成功或彻底失败。 过剩压力工作原理 压力越高越好。这个简单的原理运用到高压蒸汽脱蜡炉过程中，这意味着产生蒸汽的锅炉应该足够大，以便容易能够产生过饱和蒸汽过程。作为一个经验法则，两个锅炉的容积，即蒸汽压力发生器和实际装载脱蜡模具的反应压力釜的容积，应约1.3：1。只有这样，才能保证用蒸汽填充空的锅炉，也就是说，在最佳条件下蒸汽喷射时间约为4秒。在每次模壳用脱蜡炉脱蜡时，因为冰冷的模壳表面，会使蒸汽冷凝成水，所以需要更多的能量。 因此在理想情况下，蒸汽发生器中的压力，应大于10巴，温度应达到183℃，以确保最大压力可以在不到10秒时间内充满高压蒸汽脱蜡炉。只有在这个温度可以保证饱和水蒸汽，这意味着一个最佳的空气和水蒸汽混合平衡流。在最坏的情况下，当这些数值下降时，会导致模壳裂纹的发生并减缓脱蜡的过程，浪费能源。 蒸汽对称进口方式 不仅蒸汽注入速度对脱蜡结果和废品率会产生巨大影响。蒸汽进口方式的重要性也是一个常常被低估方面。通常只有一个蒸气进口，会使蒸汽气流扩散相当不对称。因此，把模壳放置在一个与蒸汽直接接触的“箱子底座”上。因此，理想的状态是一个布满两边高度的蒸汽入口的压力釜，以便蒸汽可以快速稳定地注入。实际上，这个方法非常好，空气动力学的运用可大大降低废品率。 优化蒸汽注入方式 最新一代的蒸汽压力釜工作原理的另一个秘诀就是运用以达到最佳的蒸汽注入。到目前为止，在采用标准的过程中，在过程开始时，门是锁住的，例如在反应压力釜有1巴的标准空气，压力发生器充满的是8巴水蒸汽。通过打开过渡阀，这些8巴蒸汽注入到高压高压蒸汽脱蜡炉，与1巴的空气混合，压力相应减少，最后达成了7巴的有效蒸汽压力。 目前使用所谓的“延迟关闭阀门”，以避免这种效率的降低。一个特殊的控制装置允许在排气阀关闭滞后0.1-1秒。这样，蒸汽注入推动着冷的空气从阀出口出来之前关闭，并建立压力。这种开关的好处是显而易见的伎俩：饱和蒸汽内不再稀释，但模壳得到 “真实的”8巴压力，相当于提高12％效率。 完善减压过程 可是蒸汽压力强度和注入速度不是脱蜡过程取得成功的唯一保证，因为即使一个不正确的减压过程也可以对模壳造成很大的破坏。在这个过程中，我们处理的仍是一个未烧结的陶瓷壳，未烧结的模壳不能承受任何剧烈的处理过程。如果压力突然释放，在与残留蜡和渗透蜡的附着力之间的高速气流会导致模壳的剥落和产生微裂纹，在随后的铸造过程中会造成灾难性的结果。因此，有必要将模壳理解成众所周知的“生鸡蛋”一样，采用一个缓慢的降压过程，即模壳的压力均匀缓慢地降低过程。下面的数字清楚地表明什么是压力的减少过程：一公升10巴的饱和蒸汽对应于1000升常压蒸汽时，当蒸汽正常地释放到大气中 - 它会发出巨大的啸叫声和嘶嘶声，因此必须加以控制。 一个普通的“非智能”阀是不能用于这样的目的，因为作为数字系统只接受“开启”或“关闭”命令，中间位置是不可能控制的。在这种情况下，需要一个所谓的“智能阀门”，这是一个可以独立调节压力释放的智能阀。根据在设定的时间内是否超压而打开阀门，释放压力。如果压力下降太快，它可以减少压力释放出口，反之亦然。这种监测以毫秒增量为单位的调节，因此保证了自由选择的降压形式沿着完美的准迭代方式压降。 如果仍然觉得压力下降速度太快，可以选择一个斜坡函数。阀门根据自由设定的时间单位进行关闭，以保持压力恒定。减压过程并不是发生在一条直线的形式阶段，而是发生在“斜线”的阶段。至少对于压力非常敏感的模壳，这是另一种更温和的处理方式，有助于最大限度地减少废品率。 水处理 高压蒸汽脱蜡炉的设计周期，在正常运转情况下，只要超过20万次，就足够连续使用大约25年。然而在实际的使用过程中，使用寿命取决于许多因素，首先是对水的质量要求。水在整个过程中是不断地加入并用能量加热，即热能转化为蒸汽。由于这种蒸汽主要由蒸馏水组成，而加入含在水中的所有其它杂质（如石灰和盐）将沉淀在蒸汽发生器上，形成结垢。如果要避免昂贵的高压蒸汽脱蜡炉在一个很短的时间里变成一个“钙化溶洞”（氧化和结垢），则需要投资适当的水处理环节。它分为4个单独的处理步骤，2个在高压蒸汽脱蜡炉外部和2个在高压蒸汽脱蜡炉的内部。 进水口配有软化系统，尽可能隔离多种矿物质，如碳酸钙等，以防止其进入蓄水池。在第二个控制回路通过加入碱性剂，检测和调整水中的离子的含量。如果加入的水已经过妥善处理，这对减少锅炉和加热元件的结垢非常有帮助。但是，锅炉中的结垢是不可能完全避免。 因此，必须建立合适的水处理设备。为了达到这个目的，水的含盐和钙量必须连续检测，一旦超越某一临界值，打开安装在锅炉底部的排污阀，形成一个漩涡，粉碎结垢并把它们冲走。在上部有一个导电探针，设置了一个极限值，当水中的含盐量达到一定的程度，通过控制阀和排水渠将富盐的水排出并加入新的淡水。 经过这4个步骤，确保一个完美的水处理过程，并提供长期持久和无故障的运行。这些措施通过一个缓冲装置进行补充。在蒸汽管线的末端，确保在减压锅炉和冷却混合器中，没有沸水和高压蒸汽直接到达排水管线，摧毁结垢是迟早的事。 收集废蜡 所有材料的处理是和自身清洁处理一样重要——对我们而言，除了清空陶瓷壳，那就是蜡。 通常情况下，蒸汽加热蜡的管子出口效率也相当有限。如果由于某种原因，蒸汽产生失败，蜡“冻结”在管子里，清除它非常困难。蜡出口的电加热管一直是工作的，同时充分利用约0.8巴的残余压力把蜡从锅炉排到一个特殊的大蜡包，实践证明这是非常成功的。这是一个完全封闭的系统，并达到接近清洁的生产工艺。只要大蜡包被装满，就被拉出来，取而代之的是一个空的蜡包。可以回收大蜡包里的废蜡。 除了蜡，另一种“副产品”是沉淀在高压蒸汽脱蜡炉内部表面的冷凝水，在最糟糕的情况下，冷凝水里混合有蜡的成分，打开高压蒸汽脱蜡炉时会形成巨大水坑。在高压蒸汽脱蜡炉的废蜡收集容器下方安装一个简单的自动冷凝水阀门，将冷凝水排入缓冲区，完成一个清洁的工作。 清洁和安全 所有这些先进的部件和辅助技术对高压蒸汽脱蜡炉无故障运行和完善脱蜡，可能只有间接的影响。对系统进行细致地日常清洗和维护至少要象对水自动处理一样重要。因为有一点是不容低估：饱和压力蒸汽热量是最危险的原因之一，它的危害性不可低估，因为在长期的运行中，它会破坏密封件、阀门和管道。这就是为什么高压蒸汽脱蜡炉在运行过过程中需要使用四倍TUV认证检查。锅炉除了焊接和压力检验，还有就是在制造商系统普遍接受的系统测试。最后审批机关对用户场地安装规范和安全性进行检查——需要半年（德语版是一年）时间得到最后正式的许可。接着是预定的第一次检查。经过9年，是一个完整的系统检修过程，特别是锅炉，必须打开并彻底检查。 所有这一切又回到了工业革命时代。在煤矿和工厂，蒸汽锅炉爆炸中工人死亡的现象屡见不鲜。因此，目前我们非常严格的高压蒸汽脱蜡炉使用指导方针是高压蒸汽脱蜡炉长时间可靠并安全地运行的保证。 前景 不断增长的高品质精密铸件需求，在世界各地，特别是在印度和中国，新的大型铸造工厂都建在开阔的村庄。作为一项规则，一些生产线被并行安装，但在大多数情况下，只有一个用于整个生产线的高压蒸汽脱蜡炉。如果一切运行良好，这是没有任何问题的，但如果因高压蒸汽脱蜡炉“瓶颈”而停工，生产停滞不前。因为所有的蜡和模壳制造是一个连续流畅的过程。高压蒸汽脱蜡炉因它的压力循环原因，它的工作是间断和按批次进行的。生产经理将会因它的停止工作而遇到一个巨大问题。 最简单的解决方案是建立一个富余的系统，即第二个高压蒸汽脱蜡炉的投资。但是这是很多公司都不愿意投资的事情，他们更愿意“站在刀尖”上冒风险。那么应该如何发展才能使脱蜡过程变得更加安全？将来的高压蒸汽脱蜡炉，其故障安全极为重要，所有主要部件至少进行两次安装。 如果可能的话，它们应该更高效、更节能，因为它们的电源输入至少在100千伏安以上，所以他们是真正的“电老虎”。用发展的眼光来看，达到连续工作的过程是也许可能的。因为无论任何人，只要发明了一种自我熔化的蜡设备，它们仍然是需要这些嘶嘶作响并臭气熏天的过时怪物——但实际上是非常现代化的蒸汽机。

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