第一節(jié) 概述

鑄造有色合金，是用以澆注鑄件的有色合金，主要有鑄造鋁合金、鑄造鎂合金、鑄造鈦合金、鑄造銅合金、鑄造高溫合金等，近年來(lái)又發(fā)展出鑄造金屬間化合物和鑄造熵合金。

鑄造有色合金可適用于多種鑄造成形技術(shù)，其在基礎(chǔ)制造產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，在航空、航天、船舶、汽車(chē)、軌道交通、化工、能源、電子電器和運(yùn)動(dòng)休閑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1、鑄造鋁合金

鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑，熔煉過(guò)程中易與水氣反應(yīng)而氧化并吸氫，導(dǎo)致鋁合金鑄件易產(chǎn)生氣孔和夾雜等缺陷。而精煉處理是預(yù)防產(chǎn)生氣孔和夾雜等主要技術(shù)手段。旋轉(zhuǎn)噴頭吹氣技術(shù)成為國(guó)外先進(jìn)的鋁液精煉技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，該技術(shù)用以替代現(xiàn)有的含氯精煉劑，精煉過(guò)程更環(huán)保、更安全。該技術(shù)的運(yùn)用，能夠使鋁合金鑄件的氣孔、針孔缺陷得以控制，有效提升冶金質(zhì)量。由于稀土元素具有明顯的化合脫氫作用，并兼有變質(zhì)作用，近年來(lái)收到普遍重視。在初生AI細(xì)化方面研究主要體現(xiàn)在兩方面：①通過(guò)細(xì)化劑細(xì)化初生AI相；②通過(guò)物理場(chǎng)細(xì)化初生相，如超聲波場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等，而且通過(guò)物理場(chǎng)細(xì)化是今后的主要發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)調(diào)整傳統(tǒng)鋁合金中的主要元素含量及各組元的比值，添加微量過(guò)渡族元素或稀土元素，從而改變合金中各種化合物的物理性能、尺寸和分布可開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)各種不同需要的不同新合金。我國(guó)已開(kāi)展Sc、Ce、Y、Yb等元素用于鋁合金的研究，對(duì)提高鋁合金的強(qiáng)韌性發(fā)揮了一定的作用。

在鑄造路合金材料方面，鑄鋁的合金化國(guó)內(nèi)開(kāi)展了很多研究，但應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化成果仍偏少，最大的差距體現(xiàn)在新的合金系研究，如高強(qiáng)韌合金的整體研發(fā)水平與國(guó)外仍有差距。國(guó)內(nèi)在鋁精煉方面研究的深度、范圍及設(shè)備控制水平較國(guó)際先進(jìn)水平仍有待于提高。

2、鑄造鎂合金

鑄造鎂合金具有比強(qiáng)度和比剛度高、震動(dòng)阻尼容量大，在汽車(chē)、煤油和潤(rùn)滑油中性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛用于航空航天、汽車(chē)和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

（1）高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金

高強(qiáng)耐熱鎂合金是國(guó)內(nèi)外的重點(diǎn)研究方向，通過(guò)稀土合金化提高鎂合金耐熱性能是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的WE54鑄造合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到350MPa、250MPa和6%。

我國(guó)開(kāi)發(fā)了多種高性能稀土鎂合金材料，如Mg-Gd-Zr系、Mg-Gd-Y-Zn-Zr系、Mg-Y-RE-Zr系、Mg-Nd-Zn-Zr系等，其中Mg-Gd-Zr系鎂合金材料在性能方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，金屬型鑄造合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到400MPa、300MPa和6%。

在鎂合金熔體凈化方面，開(kāi)發(fā)了新型非熔劑保護(hù)熔煉技術(shù)和稀土元素添加工藝，減少了鎂合金中的熔劑夾雜物；開(kāi)發(fā)新型鎂合金陶瓷過(guò)濾技術(shù)及相關(guān)裝置，開(kāi)發(fā)了鎂合金吹氣凈化技術(shù)和相關(guān)裝置，降低了鎂合金中的氧化物夾雜和氣體的含量。

（2）超輕鑄造鎂鋰合金

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于鑄造鎂鋰合金的相關(guān)研究非常缺乏，這與鎂鋰合金的巨大應(yīng)用前景是不相符的。已研究了Ag、Cu、Y、Nd以及富Ce稀土等添加對(duì)Mg-5Li-3AI-2Zn合金組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)這些元素能夠有效提高鑄造鎂鋰合金的強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率最大可分別達(dá)到220MPa、170MPa和20%。

Mg-Li合金化學(xué)性質(zhì)非常活潑，因此在熔煉過(guò)程中必須采用特殊的方法和工藝對(duì)Mg-Li合金施加保護(hù)。目前研究和生產(chǎn)中常用的保護(hù)方法主要有兩種：一種是采用常規(guī)鎂合金熔煉設(shè)備和工藝，施加覆蓋熔劑保護(hù)；另一種是采用真空感應(yīng)熔煉，采用惰性氣體保護(hù)，是目前制備Mg-Li合金最適宜的方法。

3、鑄造鈦合金

鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性好等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。

（1）高溫鈦合金

高溫鈦合金鑄件主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)和葉片等，使用溫度可達(dá)600℃。

與一般鈦合金相比，鈦鋁化合物Ti3AI（α2)和TiAI(γ)為基的合金，最大優(yōu)點(diǎn)是高溫性能好（最高使用溫度分別為816℃和982℃）、抗氧化能力強(qiáng)、抗蠕變性能好和重量輕（密度僅為鎳基高溫合金的1/2），這些優(yōu)點(diǎn)使其成為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件最具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。

已有兩個(gè)Ti3AI為基的鈦合金Ti-21Nb-14AI和Ti-24AI-14Nb-V-0.5Mo在美國(guó)開(kāi)始批量生產(chǎn)。Ti-48AI-2Cr-2Nb合金目前已經(jīng)應(yīng)用于波音787機(jī)型。而我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的含Nb鈦合金也開(kāi)始得到應(yīng)用。

（2）耐腐蝕鈦合金

隨著海軍現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，新型號(hào)的鈦材應(yīng)用越來(lái)越多。

中國(guó)研制出具有自己特色的不同強(qiáng)度級(jí)別的近α型船用耐蝕鈦合金。Ti31合金是500MPa級(jí)的低強(qiáng)高韌耐蝕鈦合金，Ti75合金是630MPa級(jí)的中強(qiáng)高韌性耐蝕鈦合金，Ti-B19是一種高強(qiáng)耐蝕鈦合金，Ti80是一種高強(qiáng)、可焊的α型鈦合金。

（3）低溫鈦合金

鈦合金具有足夠的低溫韌性、更高的比強(qiáng)度、更低的熱導(dǎo)率與膨脹系數(shù)、無(wú)磁性等特點(diǎn)，在航空航天、超導(dǎo)等領(lǐng)域作為一種重要的低溫工程材料而備受關(guān)注。

我國(guó)在低溫鈦合金的開(kāi)發(fā)方面起步比蘇聯(lián)、美國(guó)、日本要晚，早期工作主要集中在對(duì)國(guó)外低溫鈦合金的仿制與性能表征等。開(kāi)發(fā)了一種低溫鈦合金CT77，該低溫鈦合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度低于77K,其不但具有優(yōu)異的冷成形性能，還具有良好的焊接性能，焊接系數(shù)大于0.90.

4、鑄造銅合金

銅合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用到國(guó)家建設(shè)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，伴隨著近年來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，銅合金形成了兩個(gè)重要的發(fā)展方向：高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金及海洋工程用銅合金。

（1）高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的一個(gè)重要應(yīng)用是告訴鐵路列車(chē)用接觸網(wǎng)線。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)能夠規(guī)模生產(chǎn)滿足300km/h運(yùn)行所需的超高強(qiáng)銅合金接觸線。也已成功為時(shí)速超過(guò)350km高鐵制備了高強(qiáng)高導(dǎo)接觸線。時(shí)速超過(guò)350km高鐵要求的接觸導(dǎo)線強(qiáng)度為600MPa以上，導(dǎo)電率為80%IACS以上，單根盤(pán)重2500kg。制備銅鉻鋯合金接觸線的難點(diǎn)在于非真空熔煉時(shí)Cr、Zr易氧化燒損，而真空熔煉又難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。

（2）船舶螺旋槳用銅合金

螺旋槳是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，世界上最大螺旋槳的成品重量已超過(guò)100t。大型艦船用螺旋槳制備技術(shù)關(guān)乎國(guó)家核心技術(shù)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這種制備技術(shù)相對(duì)保密，很難詳細(xì)獲知國(guó)外大型船艦用螺旋槳的制備進(jìn)程。

我國(guó)冶金質(zhì)量精確控制能力不夠成熟，一些高品質(zhì)高性能的銅合金產(chǎn)品仍需進(jìn)口。目前，我國(guó)缺乏良好耐腐蝕性能的銅合金，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品一般耐蝕性較差，如C70600，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的腐蝕速率高達(dá)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的10倍。盡管我國(guó)已經(jīng)掌握超大型螺旋槳的制備技術(shù)，但制備產(chǎn)品的成品精度、腐蝕性能等均有很大的進(jìn)步空間。

5、鑄造高溫合金

高溫合金是指能在600℃以上的高溫環(huán)境下抗氧化或耐腐蝕，并能在一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作的一類(lèi)金屬材料。渦輪葉片合金由早期的變形高溫合金發(fā)展到鑄造高溫合金，鑄造高溫合金由等軸晶鑄造高溫合金發(fā)展到定向柱晶高溫合金及單晶高溫合金，使合金的承溫能力提高約400℃。

近年來(lái)，由于定向凝固柱晶渦輪葉片制造的整個(gè)工藝流程較短、成品率較高和檢測(cè)費(fèi)用較低，制造成本比定向凝固單晶葉片低，故定向凝固柱晶合金也得到了較大發(fā)展。國(guó)外定向凝固柱晶合金已由第一代發(fā)展到第三代，其性能水平不斷提高，其所適用的發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平（推重比）也在不斷提升。

我國(guó)已發(fā)展了K系列的數(shù)十個(gè)鑄造等軸晶高溫合金、DZ系列的10多個(gè)定向柱晶高溫合金，10余種DD系列單晶高溫合金。上述鑄造高溫合金在我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用。我國(guó)鑄造高溫合金的整體成熟度低于國(guó)外航空制造技術(shù)先進(jìn)國(guó)家。

國(guó)內(nèi)典型的單晶高溫合金包括DD3單晶高溫合金，它具有國(guó)外第一代單晶高溫合金的性能水平，且密度較低，價(jià)格較便宜；第二代單晶高溫合金DD6，該合金具有高溫強(qiáng)度高、綜合性能好、組織穩(wěn)定及鑄造工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)。第三代單晶高溫合金DD9，該合金的力學(xué)性能與國(guó)外第三代單晶高溫合金力學(xué)性能相當(dāng)，并開(kāi)始探索第四代單晶高溫合金。

第二節(jié) 關(guān)鍵技術(shù)

一、鑄造鋁合金技術(shù)

1、現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)一些新興產(chǎn)業(yè)如高鐵、大飛機(jī)、新能源汽車(chē)等對(duì)優(yōu)質(zhì)性能鑄造鋁合金需求量巨大，但高端鋁鑄件的制備仍需鑄造界的共同努力，特殊性能、特殊結(jié)構(gòu)的高端鑄鋁件制備與國(guó)外差距很大，未來(lái)需要國(guó)內(nèi)自主研發(fā)并替代進(jìn)口。

2、挑戰(zhàn)

鋁合金鑄件在國(guó)家各領(lǐng)域廣泛使用，無(wú)論是我國(guó)提出的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，還是目前已經(jīng)具有的各工業(yè)領(lǐng)域，都離不開(kāi)鋁合金鑄件，且這種需求已顯現(xiàn)出加重、擴(kuò)大的態(tài)勢(shì)。其原因有三：其一，由于環(huán)保和節(jié)能減排的需求，輕量化已成為世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家均予重視，并爭(zhēng)相加大投入力度的新需求，而鋁合金及其鑄件的普遍使用是實(shí)現(xiàn)輕量化的最重要途徑；其二，高速鐵路、列車(chē)是我國(guó)為數(shù)不多的具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的拳頭產(chǎn)品，新一代大飛機(jī)項(xiàng)目也將成為類(lèi)似高鐵及列車(chē)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)對(duì)鋁合金鑄件需求量巨大，甚至不可或缺，鋁合金鑄件大有用武之地；其三，我國(guó)正在積極推進(jìn)企業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)戰(zhàn)略，從國(guó)外應(yīng)用的普遍性對(duì)比，先進(jìn)、高端鋁合金鑄件完全代表了這一主流發(fā)展趨勢(shì)，這些采用新材料、新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)指標(biāo)的高端鋁合金鑄件，應(yīng)用量更大、應(yīng)用范圍更廣、應(yīng)用需求更多，完全可為企業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)提供支撐。

3、目標(biāo)

（1）預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

合金化新型鑄造鋁合金的研究：通過(guò)混合添加合金元素或者稀土，重點(diǎn)掌握鑄造鋁合金性能調(diào)控手段，揭示合金成分對(duì)組織及其演變過(guò)程的影響規(guī)律，掌握合金成分-工藝工程-性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

高強(qiáng)韌鋁合金材料開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)：通過(guò)合金設(shè)計(jì)，使鑄造鋁合金強(qiáng)度和韌性更高、重量更輕，同時(shí)抗腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性和損傷容限更好。在高強(qiáng)鋁強(qiáng)韌化機(jī)理及新合金等諸多難題仍有待于解決。滿足飛機(jī)、高鐵等高端產(chǎn)品向大型、高速、多載方向的發(fā)展要求。

（2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

鑄造鋁合金凝固及固態(tài)相變過(guò)程的組織演變數(shù)值模擬技術(shù)：隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的成熟，針對(duì)鋁合金凝固過(guò)程的組織演變開(kāi)始研究，以及對(duì)其熱處理作用下的固態(tài)相變過(guò)程組織演變的模擬，可相應(yīng)的掌握其性能指標(biāo)，從而利用數(shù)值模擬結(jié)果為鋁合金鑄件成分設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化提供依據(jù)，同時(shí)為智能制造奠定基礎(chǔ)。

鑄造鋁合金回收再利用技術(shù)：廢舊的鋁合金件及鋁合金鑄造過(guò)程的工藝廢品等需要再生利用，該過(guò)程的主要技術(shù)難點(diǎn)是重熔過(guò)程中夾雜物及有害氣體的排除，利用傳統(tǒng)的精煉技術(shù)不能保證再生鋁的質(zhì)量，需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的熔煉技術(shù)。

二、鑄造鎂合金技術(shù)

1、現(xiàn)狀

我國(guó)鎂合金的研究起步較晚，還不能滿足在大型結(jié)構(gòu)件鑄造成形方面的需求。我國(guó)由于型號(hào)研制任務(wù)緊迫，材料研制時(shí)間短，研究過(guò)程缺少機(jī)理的深入研究，致使基礎(chǔ)積累不足。必須由攻關(guān)任務(wù)為主導(dǎo)的投入模式，改變?yōu)橐约訌?qiáng)對(duì)共性科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)研究為主的方向，完善高性能鑄造鎂合金體系性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

2、挑戰(zhàn)

目前，鎂合金工程化技術(shù)能力較薄弱。一是實(shí)驗(yàn)室階段的基礎(chǔ)研究不夠深入，技術(shù)成熟度低；二是缺少中試研究條件，材料研制完成實(shí)驗(yàn)室階段就直接過(guò)渡到工業(yè)化生產(chǎn)中，實(shí)驗(yàn)室得出的工藝窗口在工業(yè)化條件下難以實(shí)現(xiàn)；三是現(xiàn)有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、粗糙，國(guó)外許多的先進(jìn)生產(chǎn)工藝沒(méi)有掌握和應(yīng)用。為了獲得更好的高性能先進(jìn)鎂合金構(gòu)件，尤其是航空、航天、兵器等領(lǐng)域需要的大型鎂合金復(fù)雜構(gòu)件（例如重載直升機(jī)匣、新一代飛行器機(jī)翼），必須發(fā)展針對(duì)先進(jìn)鎂合金材料應(yīng)用特性的精確控形控性制造工藝技術(shù)，滿足國(guó)防和民用需求。

3、目標(biāo)

(1)預(yù)計(jì)到2020年，要達(dá)到的目標(biāo)：

高強(qiáng)耐熱鑄造鎂合金：進(jìn)一步完善Mg-Gd-Y系鎂合金的研究，測(cè)試該類(lèi)合金的熱物性參數(shù)和斷裂韌性等，豐富其數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)，開(kāi)發(fā)新型Mg-RE-Zn系鎂合金，研究Mg-RE-Zn合金體系中精細(xì)結(jié)構(gòu)（析出相、LPSO結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶、細(xì)晶）的微觀特征和形成機(jī)制，探明熱/力及其耦合作用下的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變規(guī)律及其調(diào)控原理，建立基于精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)制，并發(fā)展先進(jìn)控形控性技術(shù)。大規(guī)模熔鑄，突破鎂-稀土合金大容量熔煉與凈化技術(shù)，突破大規(guī)格鑄錠鑄造關(guān)鍵技術(shù)，突破直徑500mm鑄錠冷卻技術(shù)；產(chǎn)業(yè)鏈的形成，與稀土主產(chǎn)地企業(yè)結(jié)合，提高稀土原材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和成熟度。形成高強(qiáng)度稀土鎂合金材料工程化生產(chǎn)能力，系統(tǒng)開(kāi)展關(guān)鍵、重要、復(fù)雜零件制造技術(shù)研究及典型件的裝機(jī)考核。

（2）預(yù)計(jì)到2030年，要達(dá)到的目標(biāo)：

超輕鑄造鎂鋰合金:重點(diǎn)開(kāi)發(fā)Mg-Li-AI-Zn-RE系鎂鋰合金，探索稀土元素對(duì)鑄造鎂鋰合金的強(qiáng)化機(jī)理，從強(qiáng)化相形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度入手，研究稀土元素在鎂鋰合金中的存在形式和強(qiáng)化作用。實(shí)現(xiàn)鑄造鎂鋰合金成分設(shè)計(jì)理論與方法的新突破，最終開(kāi)發(fā)出原創(chuàng)性的鑄造鎂鋰合金牌號(hào)。研究覆蓋熔劑和保護(hù)氣體復(fù)合保護(hù)，揭示鎂鋰合金熔體阻燃保護(hù)機(jī)制和鎂鋰合金熔體凈化原理。有效抑制熔體的氧化燃燒，提高合金元素的收得率。通過(guò)熔劑凈化方法，大幅度提高鎂鋰合金熔體的純凈度。開(kāi)發(fā)出鎂鋰合金液態(tài)成形技術(shù)原型，最終實(shí)現(xiàn)鎂鋰合金的低壓砂型鑄造成形，促進(jìn)鑄造鎂鋰合金在航天器上的應(yīng)用。