稳定了质量,同时降低了用料成本。由于项目产品在高温下具有极高的化学活 性,液态金属成形过程中质量控制难度极大,产品精密铸件是集金属材料学 化工陶瓷学、真空冶金学、高精度加工检测技术、高分辨率无损检测技术、计 算机辅助设计和制造技术及数值模拟仿真技术等实现的高技术产品。 高纳公司为我国铸造高温合金牌号研制最多的科研单位之一,完成了多 项国家航空、航天重大军工项目的高温合金材料及铸件生产工艺的研究与攻 关,具备了解决铸造高温合金冶炼、浇注和铸件质量控制的方法和技术。长期 致力于航空、航天高温合金的研究,在材料研究、生产、应用等方面积累了丰 富的实践经验和理论水平,同时还拥有先进的检测设备手段。本项目技术来源 均为自主研发,无知识产权问题。 本项目涉及的核心技术包括: (1)高温合金复杂薄壁机匣类铸件制备技术 高温合金复杂薄壁机匣类铸件主要用于航空发动机、航天发动机热端承 力结构等,其质量直接影响整机的性能和安全可靠性,与国防安全和民用航空 紧密相关。当前,常见的高温合金复杂薄壁结构件包括涡扇发动机用承力斜支 板、承力机匣,涡桨发动机,涡轴发动机对半机匣。此类铸件通常需承受严苛 的工作环境及复杂的载荷,对表面质量、尺寸精度及冶金质量有极高的要求 自2003年起,高纳公司在高温合金复杂薄壁机匣类铸件制备技术方面开 展了大量的工作。突破了薄壁结构铸件成形、尺寸精确控制及冶金质量控制等 关键技术。高纳公司研制和生产航天弹用发动机用关键铸造高温合金精铸件 处于国内领先水平,这类结构件整体铸造涡轮转子、导向器、工作轮等,直径 200~400mm,目前这类铸件产品市场占有率超过90%,产品合格率可达 70~80%。钢研高纳在大型薄壁机匣类铸件方面也开展了大量的工作。如硏制 的某型发动机用K4648合金扩压器,最大直径达到Φ588mm,尺寸和冶金质 chin乡 www.cninfocom.cn
16 稳定了质量，同时降低了用料成本。由于项目产品在高温下具有极高的化学活 性，液态金属成形过程中质量控制难度极大，产品精密铸件是集金属材料学、 化工陶瓷学、真空冶金学、高精度加工检测技术、高分辨率无损检测技术、计 算机辅助设计和制造技术及数值模拟仿真技术等实现的高技术产品。 高纳公司为我国铸造高温合金牌号研制最多的科研单位之一，完成了多 项国家航空、航天重大军工项目的高温合金材料及铸件生产工艺的研究与攻 关，具备了解决铸造高温合金冶炼、浇注和铸件质量控制的方法和技术。长期 致力于航空、航天高温合金的研究，在材料研究、生产、应用等方面积累了丰 富的实践经验和理论水平，同时还拥有先进的检测设备手段。本项目技术来源 均为自主研发，无知识产权问题。 本项目涉及的核心技术包括： （1）高温合金复杂薄壁机匣类铸件制备技术 高温合金复杂薄壁机匣类铸件主要用于航空发动机、航天发动机热端承 力结构等，其质量直接影响整机的性能和安全可靠性，与国防安全和民用航空 紧密相关。当前，常见的高温合金复杂薄壁结构件包括涡扇发动机用承力斜支 板、承力机匣，涡桨发动机，涡轴发动机对半机匣。此类铸件通常需承受严苛 的工作环境及复杂的载荷，对表面质量、尺寸精度及冶金质量有极高的要求。 自 2003 年起，高纳公司在高温合金复杂薄壁机匣类铸件制备技术方面开 展了大量的工作。突破了薄壁结构铸件成形、尺寸精确控制及冶金质量控制等 关键技术。高纳公司研制和生产航天弹用发动机用关键铸造高温合金精铸件 处于国内领先水平，这类结构件整体铸造涡轮转子、导向器、工作轮等，直径 200~400mm，目前这类铸件产品市场占有率超过 90%，产品合格率可达 70~80%。钢研高纳在大型薄壁机匣类铸件方面也开展了大量的工作。如研制 的某型发动机用 K4648 合金扩压器，最大直径达到 Ф588mm，尺寸和冶金质
量均达到了设计要求。研制的涡桨发动机用K4738合金排气机匣外形尺寸超 过600mm,整体平均壁厚1.9mm,尺寸和冶金控制困难极大,目前已突破成 形及质量控制关键技术,交付的铸件通过了试车考核 针对其它涡轴、涡桨、商发及国际宇航市场的需求,高纳公司正在开展直 径~14m的机匣研制技术,目前已取得重大突破,这些技术储备均为本项目奠 定了基础和技术保障。 (2)高温中小型结构件及调节片类结构件制备技术 为提高发动机的机动,先进发动机设计中采用矢量喷口技术。矢量喷口结 构通过调整燃气涡轮喷岀的髙温髙压燃气通过面积和方向,提供调整飞机机 动的运动分量。通常矢量喷口部件采用的是K4648和K424合金,随着燃气 温度和工作载荷的增加,具有更高承温能力、抗氧化水平的JG4246A得到了 更广泛的应用。 242高纳公司技术优势 自2010年起,高纳公司针对先进航空发动机矢量喷口的需求,开展了 K424、K4648、JG4246A矢量喷口铸件的研制。矢量喷口部件包括密封 片、调节片、稳定器、梁等关键零件,其结构为薄板型和异形薄壁管状结 构,这种结构给铸造充形和补缩带来了巨大的困难,开裂和变形严重,产 品合格率低。通过系统开展蜡模制备和校型技术研究、均衡入流补缩内浇 口设计、常温高温复合校型技术研究,有效地实现了调节片尺寸和冶金质 量的控制。目前制备的调节片最大长度超过600mm,壁厚~1.5mm,宽度 ~40mm,变形小于0.2mm 在高温合金复杂薄壁机匣铸件领域,开展了高精度模具和工装设计、 高强易溃散型壳制备、计算机辅助工艺设计、缺陷控制等共性技术硏究工 作,突破了机匣类铸件成形、尺寸控制、冶金缺陷控制等关键技术,制备 chin乡 www.cninfocom.cn
17 量均达到了设计要求。研制的涡桨发动机用 K4738 合金排气机匣外形尺寸超 过 600mm，整体平均壁厚 1.9mm，尺寸和冶金控制困难极大，目前已突破成 形及质量控制关键技术，交付的铸件通过了试车考核。 针对其它涡轴、涡桨、商发及国际宇航市场的需求，高纳公司正在开展直 径~1.4m 的机匣研制技术，目前已取得重大突破，这些技术储备均为本项目奠 定了基础和技术保障。 （2）高温中小型结构件及调节片类结构件制备技术 为提高发动机的机动，先进发动机设计中采用矢量喷口技术。矢量喷口结 构通过调整燃气涡轮喷出的高温高压燃气通过面积和方向，提供调整飞机机 动的运动分量。通常矢量喷口部件采用的是 K4648 和 K424 合金，随着燃气 温度和工作载荷的增加，具有更高承温能力、抗氧化水平的 JG4246A 得到了 更广泛的应用。 2.4.2 高纳公司技术优势 自 2010 年起，高纳公司针对先进航空发动机矢量喷口的需求，开展了 K424、K4648、JG4246A 矢量喷口铸件的研制。矢量喷口部件包括密封 片、调节片、稳定器、梁等关键零件，其结构为薄板型和异形薄壁管状结 构，这种结构给铸造充形和补缩带来了巨大的困难，开裂和变形严重，产 品合格率低。通过系统开展蜡模制备和校型技术研究、均衡入流补缩内浇 口设计、常温高温复合校型技术研究，有效地实现了调节片尺寸和冶金质 量的控制。目前制备的调节片最大长度超过 600mm，壁厚~1.5mm，宽度 ~40mm，变形小于 0.2mm。 在高温合金复杂薄壁机匣铸件领域，开展了高精度模具和工装设计、 高强易溃散型壳制备、计算机辅助工艺设计、缺陷控制等共性技术研究工 作，突破了机匣类铸件成形、尺寸控制、冶金缺陷控制等关键技术，制备
的机匣铸件充型完整,尺寸和冶金质量满足设计的要求,形成了成套的机 匣类铸件精密铸造技术。并已经成功应用在多种机型。这些产品均已形成 完整的技术规范和小批量生产能力,可以在短时间内批产 在矢量喷口铸件领域,开展了大尺寸薄壁复杂调节片类铸件的尺寸控 制研究工作,局部空心铸件的陶芯制备和尺寸控制研究,多腔多孔的复杂 薄壁调节片的成型和冶金缺陷控制研究,并且已经成功的硏制了多种结构 件产品,并实现了批量生产,质量稳定。 针对调节片类铸件和薄壁复杂机匣类铸件尺寸控制困难的问题,通过 多轮的数据分析和积累,获得了精确的蜡料收缩系数,并对于异形不等壁 厚复杂结构的蜡模开展了局部变形控制技术,并针对不合合金的收缩特性 设计蜡模尺寸,通过髙精度的模具制作,制造满足设计要求的模具和拼装 工装,成功实现了铸件在批量生产条件下尺寸的稳定性,并为后续产品的 研制和批产积累的丰富的经验。通过攻克这些复杂结构的薄壁机匣和调节 片类铸件,建立了一系列的成熟的技术体系。 在大型薄壁机匣类铸件方面,高纳公司开展了大量的试制和开发工 作,凝练出机匣类铸件的关键技术,并形成通用研发平台,研制成功多种 机匣类铸件,制订出技术规范,形成了小批量生产能力。针对各种典型结 构的薄壁复杂机匣铸件,系统开展蜡模尺寸及型面在线监测,研究机匣铸 件制备过程中的尺寸变化规律,控制蜡模尺寸,满足铸件对髙精度尺寸蜡 模需求;研究铸件制备过程中尺寸演变规律以及最终尺寸评估,优化模具 结构及尺寸,制壳工艺及铸造工艺,提高铸件尺寸精度。开展高强易脱除 陶瓷型芯制备及评价技术研究,提高机匣用长薄陶瓷型芯强度和刚度,改 善模壳与陶芯的匹配,消除偏芯,减少断芯,满足铸造工艺对陶瓷型芯的 需求;开展复杂结构机匣内部壁厚等结构尺寸检测研究,保证铸件尺寸精 chin乡 www.cninfocom.cn
18 的机匣铸件充型完整，尺寸和冶金质量满足设计的要求，形成了成套的机 匣类铸件精密铸造技术。并已经成功应用在多种机型。这些产品均已形成 完整的技术规范和小批量生产能力，可以在短时间内批产。 在矢量喷口铸件领域，开展了大尺寸薄壁复杂调节片类铸件的尺寸控 制研究工作，局部空心铸件的陶芯制备和尺寸控制研究，多腔多孔的复杂 薄壁调节片的成型和冶金缺陷控制研究，并且已经成功的研制了多种结构 件产品，并实现了批量生产，质量稳定。 针对调节片类铸件和薄壁复杂机匣类铸件尺寸控制困难的问题，通过 多轮的数据分析和积累，获得了精确的蜡料收缩系数，并对于异形不等壁 厚复杂结构的蜡模开展了局部变形控制技术，并针对不合合金的收缩特性 设计蜡模尺寸，通过高精度的模具制作，制造满足设计要求的模具和拼装 工装，成功实现了铸件在批量生产条件下尺寸的稳定性，并为后续产品的 研制和批产积累的丰富的经验。通过攻克这些复杂结构的薄壁机匣和调节 片类铸件，建立了一系列的成熟的技术体系。 在大型薄壁机匣类铸件方面，高纳公司开展了大量的试制和开发工 作，凝练出机匣类铸件的关键技术，并形成通用研发平台，研制成功多种 机匣类铸件，制订出技术规范，形成了小批量生产能力。针对各种典型结 构的薄壁复杂机匣铸件，系统开展蜡模尺寸及型面在线监测，研究机匣铸 件制备过程中的尺寸变化规律，控制蜡模尺寸，满足铸件对高精度尺寸蜡 模需求；研究铸件制备过程中尺寸演变规律以及最终尺寸评估，优化模具 结构及尺寸，制壳工艺及铸造工艺，提高铸件尺寸精度。开展高强易脱除 陶瓷型芯制备及评价技术研究，提高机匣用长薄陶瓷型芯强度和刚度，改 善模壳与陶芯的匹配，消除偏芯，减少断芯，满足铸造工艺对陶瓷型芯的 需求；开展复杂结构机匣内部壁厚等结构尺寸检测研究，保证铸件尺寸精
度;结合精密铸造过程数值模拟技术,开展大型髙温合金结构件浇注系统 及工艺的优化,实现浇不足、疏松等缺陷的有效控制,提高铸件冶金质 量。通过以上技术攻关,突破了大型复杂薄壁机匣类铸件成形、尺寸、冶 金控制的关键技术,研制出多种先进发动机用关键机匣类铸件。 针对先进涡扇发动机尾喷口结构件和调节片需求,系统开展大长厚比 铸件蜡模尺寸控制技术硏究,设计了蜡模校型工装,精确控制蜡模形状和 尺寸,满足结构件对髙精度尺寸蜡模需求;研究大长厚比薄壁铸件制备过 程中尺寸演变及变形规律,优化浇注系统结构,平衡调节片铸件与粗大浇 注系统收缩,避免凝固过程由于壁厚差异导致的热应力使铸件变形或开 裂。开展高强易脱除陶瓷模壳制备及评价技术研究,避免模壳在制备和浇 注过程中变形,影响铸件尺寸及壁厚;结合精密铸造过程数值模拟技术, 开展调节片浇注系统及工艺的优化,避免浇不足、疏松等缺陷,提高铸件 冶金质量,并简化浇注系统,提高合金利用率;开展了大长厚比铸件复合 校型技术,通过复合温度和应力,在蠕变条件下调整调节片外形和尺寸, 同时保证铸件组织和性能的基础上。通过以上工作,突破了调节片类铸件 成形、尺寸、冶金控制的关键技术,研制出多种型号发动机用尾喷口结构 件及调节片铸件。高纳公司已形成调节片类结构件制备的专有技术,技术 成熟度达到6~7级,主要存在问题在于尺寸和冶金质量控制不稳定,并受 制于受制于设备、厂房、人员配置等多方因素,产能不足。为保证本项目 建设顺利完成,高纳公司将在近1~2年内,突破重点产品交货周期控制、 质量波动、合格率提升等技术和管理问题,合格率达到70-80%,技术成熟 度达到8~9级 目前钢研高纳公司用于铸造高温合金生产厂房总计近32000平米,分 布在北京永丰高新产业园区和天津市武清区京津科技谷园区,其中位于天 chin乡 www.cninfocom.cn
19 度；结合精密铸造过程数值模拟技术，开展大型高温合金结构件浇注系统 及工艺的优化，实现浇不足、疏松等缺陷的有效控制，提高铸件冶金质 量。通过以上技术攻关，突破了大型复杂薄壁机匣类铸件成形、尺寸、冶 金控制的关键技术，研制出多种先进发动机用关键机匣类铸件。 针对先进涡扇发动机尾喷口结构件和调节片需求，系统开展大长厚比 铸件蜡模尺寸控制技术研究，设计了蜡模校型工装，精确控制蜡模形状和 尺寸，满足结构件对高精度尺寸蜡模需求；研究大长厚比薄壁铸件制备过 程中尺寸演变及变形规律，优化浇注系统结构，平衡调节片铸件与粗大浇 注系统收缩，避免凝固过程由于壁厚差异导致的热应力使铸件变形或开 裂。开展高强易脱除陶瓷模壳制备及评价技术研究，避免模壳在制备和浇 注过程中变形，影响铸件尺寸及壁厚；结合精密铸造过程数值模拟技术， 开展调节片浇注系统及工艺的优化，避免浇不足、疏松等缺陷，提高铸件 冶金质量，并简化浇注系统，提高合金利用率；开展了大长厚比铸件复合 校型技术，通过复合温度和应力，在蠕变条件下调整调节片外形和尺寸， 同时保证铸件组织和性能的基础上。通过以上工作，突破了调节片类铸件 成形、尺寸、冶金控制的关键技术，研制出多种型号发动机用尾喷口结构 件及调节片铸件。高纳公司已形成调节片类结构件制备的专有技术，技术 成熟度达到 6~7 级，主要存在问题在于尺寸和冶金质量控制不稳定，并受 制于受制于设备、厂房、人员配置等多方因素，产能不足。为保证本项目 建设顺利完成，高纳公司将在近 1~2 年内，突破重点产品交货周期控制、 质量波动、合格率提升等技术和管理问题，合格率达到 70~80%，技术成熟 度达到 8~9 级。 目前钢研高纳公司用于铸造高温合金生产厂房总计近 32000 平米，分 布在北京永丰高新产业园区和天津市武清区京津科技谷园区，其中位于天
津武清的熔炼中心主要生产高温合金母合金产品,可以生产几乎所有牌号 的高温合金母合金,为铸件产品提供优质的原材料。结合北京永丰的铸件 生产基地形成了完整的从原材料到最终成品的高品质精铸件生产线,具备 完成母合金、叶片、中小型结构件批产、机匣试制和中试的产品工作全面 能力。高纳公司有较完备的铸件研制和生产保障条件,现建有完整的高品 质铸造高温合金母合金、定向凝固和单晶叶片、等轴晶结构件生产线分别 分布北京永丰新材料研发基地和天津武清高新技术谷。拥有生产、检测设 备超过300台(套)。关键设备包括:德国ALD公司生产的3吨ⅤIDP真空 感应熔炼炉( Vacuum Induction Degassing and Pouring Furnace)、 ALD VIM IC10定向凝固熔炼炉、MPI压蜡机、SOM自动制壳线、50~500kg真空感 应铸造炉、真空热处理炉、X射线检测、荧光自动检测线、三坐标测量仪 等先进设备,具备从试验室、中试和批产规模的铸造高温制品的开发能 力,可实现项目研究成果由试验室到中试、再到产业化的无缝衔接。 北京永丰的产业基地具有15年以上的产业化生产经验,研制生产了近 100种调节片和杋匣类铸件,并研发了多种专用设备来保证高质量的批量生 产,培养了一批熟练的技能工人,和有着丰富研发和生产经验的技术和管 理人员,建立一套成熟的人员培养体系,并为了进一步提升产能进行了人 员储备。 高纳公司及其控股股东中国钢研在铸造高温合金的成分设计、工艺技 术等方面也已取得大量的发明专利和自主知识产权,主要专利如下 (1)一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法, 201010272783.0。 (2)一种熔点以下完全充型铸造方法,20110430497.7。 (3)一种可溶芯修补方法,201410855046.1。 chin乡 www.cninfocom.cn
20 津武清的熔炼中心主要生产高温合金母合金产品，可以生产几乎所有牌号 的高温合金母合金，为铸件产品提供优质的原材料。结合北京永丰的铸件 生产基地形成了完整的从原材料到最终成品的高品质精铸件生产线，具备 完成母合金、叶片、中小型结构件批产、机匣试制和中试的产品工作全面 能力。高纳公司有较完备的铸件研制和生产保障条件，现建有完整的高品 质铸造高温合金母合金、定向凝固和单晶叶片、等轴晶结构件生产线分别 分布北京永丰新材料研发基地和天津武清高新技术谷。拥有生产、检测设 备超过 300 台（套）。关键设备包括：德国 ALD 公司生产的 3 吨 VIDP 真空 感应熔炼炉（Vacuum Induction Degassing and Pouring Furnace）、ALD VIM IC 10 定向凝固熔炼炉、MPI 压蜡机、SOM 自动制壳线、50~500kg 真空感 应铸造炉、真空热处理炉、X 射线检测、荧光自动检测线、三坐标测量仪 等先进设备，具备从试验室、中试和批产规模的铸造高温制品的开发能 力，可实现项目研究成果由试验室到中试、再到产业化的无缝衔接。 北京永丰的产业基地具有 15 年以上的产业化生产经验，研制生产了近 100 种调节片和机匣类铸件，并研发了多种专用设备来保证高质量的批量生 产，培养了一批熟练的技能工人，和有着丰富研发和生产经验的技术和管 理人员，建立一套成熟的人员培养体系，并为了进一步提升产能进行了人 员储备。 高纳公司及其控股股东中国钢研在铸造高温合金的成分设计、工艺技 术等方面也已取得大量的发明专利和自主知识产权，主要专利如下： （1）一种反重力铸造用高透气性、高强度陶瓷型壳的制备方法， 201010272783.0。 （2）一种熔点以下完全充型铸造方法，201110430497.7。 （3）一种可溶芯修补方法，201410855046.1