沈阳航空航天大学科技成果——铝合金熔铸用合金元素添加剂和精炼剂

表面技术第52卷第12期航空零部件的金属增材制造光整加工技术研究进展刘静怡1,2，李文辉2,3*，李秀红1,2，杨胜强1,2，温学杰1,2，武荣穴1,2（1.太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024；2.精密加工山西省重点实验室， 太原 030024；3.太原理工大学 航空航天学院，山西 晋中 030600）摘要：增材制造具有无需模具直接制造、材料利用率高，且对于结构复杂程度不受限制等优点，广泛应用于复杂化、轻量化的航空金属零部件一体化制造。

但由于增材制造成形的零部件存在较高的表面粗糙度、复杂的残余应力分布以及难以消除的孔隙缺陷，严重制约了其在工业上的大规模应用。

针对高使役性能航空零部件存在的表面完整性问题，概述了金属增材制造的原理及特点，总结了金属增材制造技术在航空领域的国内外应用现状，分析了金属增材制造零部件在批量生产与实际应用过程中所面临的困难与挑战。

从加工机理、加工效果、应用范围等角度，重点阐述了化学、电化学、磨粒流、滚磨、激光等光整加工技术在航空金属增材制造领域的加工适应性，并对比分析了不同光整加工技术的优缺点，探讨了多种组合技术的多能场耦合协同效应，研究内容涵盖钛合金、不锈钢、铝合金、铜合金等材料，涉及管类、格栅、点阵、薄壁、曲面、复杂型腔等零部件结构特征。

最后，针对航空金属增材制造光整加工领域的未来研究方向及关键技术作出思考与展望。

关键词：增材制造；航空金属零部件；光整加工；表面缺陷；表面粗糙度；复杂结构中图分类号：V261.8 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)12-0020-22DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.002Research Progress of Finishing Technology for AviationParts Built by Metal Additive ManufacturingLIU Jing-yi1,2, LI Wen-hui2,3*, LI Xiu-hong1,2, YANG Sheng-qiang1,2,WEN Xue-jie1,2, WU Rong-xue1,2(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. Shanxi Key Laboratory of Precise Machining, Taiyuan 030024, China;3. College of Aeronautics and Astronautics, Taiyuan University of Technology, Shanxi Jinzhong 030600, China)ABSTRACT: Additive manufacturing has many advantages, including shape without a mold, high material utilization, and unlimited structural complexity. It is widely used in the integrated manufacturing of complex and lightweight aviation metal parts. In recent years, with the exploration of the principle and characteristics of metal additive manufacturing technology, the收稿日期：2023-09-19；修订日期：2023-11-10Received：2023-09-19；Revised：2023-11-10基金项目：国家自然科学基金（51875389、51975399、52075362）；中央引导地方科技发展资金项目（YDZJSX2022B004、YDZJSX2022A020）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51875389, 51975399, 52075362); Central Government Guided Local Development Foundation (YDZJSX2022B004, YDZJSX2022A020)引文格式：刘静怡, 李文辉, 李秀红, 等. 航空零部件的金属增材制造光整加工技术研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 20-41.LIU Jing-yi, LI Wen-hui, LI Xiu-hong, et al. Research Progress of Finishing Technology for Aviation Parts Built by Metal Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2023, 52(12): 20-41.*通信作者（Corresponding author）第52卷第12期刘静怡，等：航空零部件的金属增材制造光整加工技术研究进展·21·variety and quality of additive manufacturing parts have been fully developed. The application status of metal additive manufacturing technology in the aviation field at home and abroad is summarized, and the difficulties and challenges faced by metal additive manufacturing parts in mass production and practical application are analyzed. At present, the application of additive manufacturing technology in the aviation field is mature abroad. Compared with foreign countries, China has also made some progress in the surface quality and mechanical properties of additive manufacturing parts. However, there are still some gaps in post-processing.The defects of additive manufacturing parts include powder adhesion, step effect, balling effect, cracks, pores, and complex residual stress distribution. Poor surface integrity affects fatigue performance and seriously restricts the large-scale application of additive manufacturing in industry. To improve the surface integrity of aviation additive manufacturing parts, this article focuses on the processing adaptability of various finishing technologies such as chemistry, electrochemistry, abrasive flow, barrel, and laser in the aviation metal additive manufacturing field. The research involves surfaces created through additive manufacturing using different materials, including titanium alloy, stainless steel, aluminum alloy, copper alloy, etc., and the influence of structural features such as tubes, grids, lattices, thin walls, curved surfaces, complex cavities, and other parts on finishing behavior. Each finishing technology’s processing mechanism and appropriate processing parameters are reviewed to determine the optimal processing strategy. The processing effects of each technology on the surface of additive manufacturing are summarized from the perspectives of surface roughness, surface hardness, micromorphology, and so on. The advantages and disadvantages of different finishing technologies are compared and analyzed.Chemical finishing and electrochemical finishing have good accessibility and usually produce no residual stress during the process, which can be applied to complex structures such as grids and arrays. However, the processing of these two finishing technologies is not very environmentally friendly, and it is difficult to accurately control the accuracy of the parts. In contrast, barrel finishing and abrasive flow machining can control the machining process very well. They usually have a high material removal rate, which can respond quickly to rough surfaces. These two finishing technologies have a long processing time and are prone to edge effects. It is necessary to control the complex flow field. Laser finishing has a high degree of automation and can be integrated with additive manufacturing systems. However, its accessibility is limited, and the processing process may increase the generation of thermal residual stress. After that, combined with the advantages and disadvantages of each finishing technology, the multi-energy field coupling synergistic effect of different combination finishing processes such as chemical-electrochemistry, mechanical-chemistry, and mechanical-electrochemistry is introduced.In the future, research on the finishing technology of aviation metal additive manufacturing parts will focus on complex features, establish a more complete theoretical framework, and lead to more innovative finishing processes.KEY WORDS: additive manufacturing; aviation metal parts; finishing processing; surface defects; surface roughness; complex construction增材制造（Additive Manufacturing，AM），俗称3D打印，是一种自下而上的新型加工技术，主要基于离散-堆积原理，应用激光束[1-2]、电子束[3]、电弧[4]等能量源，以金属、陶瓷、高分子、新型材料等作为原材料，通过高温使材料熔融后逐层累积、快速成形。

中国铸造装备与技术５／２００７式。

铸造专家系统涉及到许多的专业知识，单单依靠某一位专家解决困难比较大，需要多位专家协同合作，这就要求专家系统能够适应分布协同发展的要求，这将是专家系统的一个主要发展方向。

支持数据通信，网络和集成的新一代领域专家系统开发工具将不断地涌现。

（４）专家系统将越来越多的实现自我管理。

随着计算机技术数据库的知识发现（ＫＤＤ）和人工智能技术的发展，挖掘数据库中有价值的知识，对知识中对知识库中的知识进行智能化的精益求精，专家系统特别是知识库的更新、解释机构将一改目前手动或者半自动的方式从而越来越多的实现自我管理。

（５）实用性和可操作性将越来越强。

随着面向对象的高级开发程序的进一步发展，专家系统必然向着更加人性化和模块化的方向发展，将会为越来越多的人所使用和操作。

参考文献１Ｊ．Ｌ．Ｈｉｌｌｅｔａｌ．Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－ＢａｓｅｄＤｅｓｉｇｎｏｆＲｉｇｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＩｎｖｅｓｔ－ｍｅｎｔＣａｓｔｉｎｇｓ，ＡＦＣＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，１９９３．２吕建国，张方，张希俊．专家系统在铸造中的应用．有色金属设计，２００３（１）．３李俊，钱翰诚，等．铸件缺陷分析专家系统的研究．现代机械，第２期．４ＲｕｄｏｌｆＳｉｌｌｅｎ．ＵｓｉｎｇＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｉｎｔｈｅｆｏｕｎｄｒｙ．ＭｏｄｅｒｎＣａｓｔｉｎｇ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９１，ｐｐ．３３－３７．５Ｋ．Ｎｙａｍｅｋｙｅ，ｅｔａｌ．ＥｘｐｅｒｔＳｙｓｔｅｒｍｆｏｒＤｅｓｉｇｎｉｎｇＧａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔＭｏｌｄＴｉｌｔ－ＰｏｕｒＣａｓｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓ．ＡＦＳＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，１９９４．６Ｈ．Ｋｕｌｋａｒｎｉ，Ｇ．Ａ．Ｓｔｏｎｅ．ＣａｓｔｉｎｇＤｅｆｅｃｔＡｎａｌｙｓｉｓＥｘｐｅｒｔＳｙｓｔｅｍ，ＡＦＳＴｒａｎｓｌａｃｔｉｏｎ，１９９２．７周丹晨，蒋玉明，等．铸造合金选择专家系统的研究和应用．特种铸造及有色金，２０００（６）．８李日，李梅娥，等．铸造方法选择的专家系统研究与开发．西北工业大学学报，１９９８（８）：Ｖｏｌ．１６Ｎｏ．３．９黄天佑，等．铸造工业的计算机专家系统．铸造，１９８９（８）．１０熊守美，等．球墨铸铁铸件缺陷分析专家系统．铸造，１９９４（５）．１１熊守美，等．大断面球铁件生产技术及缺陷分析知识库的建立．铸造，１９９５（１）．１２卢宏远，李荣彬．ＤＣＥＳ压铸缺陷及对策专家系统构造原理．铸造，２００１（４）．１３金传伟，毛宗源．用于航空铝镁铸件缺陷分析的智能专家系统．华南理工大学学报：自然科学版，２０００，２８（３）．１４刘旭麟，刘顺，王霞．铸造缺陷分析专家系统的研究．计算机应用技术特种铸造及有色合金，２０００（４）．１５曾怡丹，等．铸件孔、洞类缺陷分析的ＣＣＤＡＩ专家系统．特种铸造及有色合金，１９９３（１）：２５－２７．铸造铝合金以其密度小、比强度高、塑性好、导电导热性好、耐蚀性好、资源丰富，容易加工等优点，已广泛应用于航空、航天、汽车、机械、电子等各个领域。

《汽车轮毂用A356铝合金的精炼及净化》篇一一、引言随着汽车工业的飞速发展，对汽车零部件的材料要求也越来越高。

汽车轮毂作为车辆重要的承载部分，其材料的选择和制造工艺直接影响到车辆的性能和安全性。

A356铝合金因其优良的铸造性能、机械性能和抗腐蚀性能，成为汽车轮毂制造的优选材料。

本文将详细探讨A356铝合金的精炼及净化过程，以期为提高汽车轮毂的制造质量提供参考。

二、A356铝合金的精炼1. 原料准备A356铝合金的精炼首先需要准备好优质的原料。

原料中应包含纯铝、硅、铜等主要合金元素，以及铁、锰、镁等微量元素。

这些元素的比例对合金的性能有着重要影响。

2. 熔炼过程熔炼是A356铝合金精炼的关键步骤。

在熔炼过程中，需要严格控制温度和时间，以确保合金元素的充分溶解和均匀分布。

此外，还需要加入适量的精炼剂，以去除原料中的杂质和气体。

3. 精炼操作精炼操作主要包括静置、除气、除渣等步骤。

静置过程中，合金液中的气体和杂质会自然上浮，从而达到初步净化的目的。

除气则是通过真空泵将合金液中的气体抽出，进一步提高合金的纯净度。

除渣则是通过机械或化学方法去除合金液中的夹杂物和氧化物。

三、A356铝合金的净化1. 熔剂净化法熔剂净化法是一种常用的A356铝合金净化方法。

通过在合金液表面喷洒或浸涂熔剂，可以吸附并去除合金液中的夹杂物和氧化物。

这种方法操作简便，效果显著。

2. 气体净化法气体净化法是利用惰性气体（如氩气）将合金液中的气体吹出，从而达到净化的目的。

这种方法可以有效地去除合金液中的氢气和氧气等有害气体。

3. 电磁净化法电磁净化法是利用电磁场的作用，使合金液中的夹杂物和氧化物聚集在一起，然后通过机械或化学方法去除。

这种方法具有净化效果好、无污染等优点。

四、结论A356铝合金的精炼及净化是汽车轮毂制造过程中不可或缺的环节。

通过合理的精炼和净化工艺，可以提高A356铝合金的纯净度和性能，从而保证汽车轮毂的质量和安全性。

大型优质铝合金铸造控制压力形成的关键技术和应用铝合金作为工业制造中广泛使用的材料，由于具有轻量级，抗腐蚀性强，特异性强等优良性能，因此被应用于各个领域。

航空航天、汽车和其他行业对大型优质铝合金铸造的需求不断增加。

为了满足高性能和复杂形状的要求，控制压力形成技术被广泛用于生产铝合金铸造。

控制压力形成工艺是生产高质量铝合金铸造的精确高效的制造方法。

它涉及使用模具在高压下塑造熔铝合金，这有助于消除内部缺陷，提高铸件的机械特性。

控制压力形成的关键技术包括模具的设计，压力和温度的控制，以及铸造过程的优化。

大型铝合金铸造机在控制压力形成方面的关键挑战之一是模具的设计和制造。

模具设计需要考虑铸件的复杂几何，压力的分布，以及固化过程中的热传导。

模具的材料和表面处理也是影响铸造质量的重要因素。

计算机辅助设计（CAD）和添加剂制造等先进技术被应用到模具设计和生产的优化上。

控制压力形成过程中的另一个关键技术是控制压力和温度。

压力需要加以精确控制，以确保模具腔的填充和熔融金属的收缩。

应监测和调整温度，以防止铸件中的收缩和孔隙。

高级控制系统和传感器用于在控制压力形成过程中实现高度自动化和精度。

优化铸造工艺对确保生产质量和效率也至关重要。

铝合金的选择、熔金属的预处理和铸件的后处理，都对产品的最终性质有重大影响。

要成功应用控制压力形成技术，就必须全面了解物质行为和过程参数。

主要飞机制造商空中客车一直利用控制压力形成技术为其飞机部件生产大型铝合金铸造。

通过实施先进的模具设计和制造技术，精确控制压力和温度，优化铸造工艺，空中客车在铝合金铸造生产质量和效率上取得了显著提高。

大型优质铝合金铸造控制压力形成的关键技术和应用，在满足各行业对轻量级和高性能组件日益增长的需求方面发挥了关键作用。

控制压力形成技术的持续进步将进一步促进具有复杂形状和优越性能的铝合金铸造的发展。

铝合金熔铸工艺
铝合金的熔铸工艺步骤：
1.材料准备：选择适合铸造铝合金的原材料，包括铝、合金元素和其他附加剂。

铝的纯度要求较高，合金元素根据合金配方进行选择。

2.熔炼：将准备好的材料放入熔炉中进行熔炼。

熔炼温度根据不同的合金类型和铸造要求而变化，一般在600℃至800℃之间。

熔炼过程中，需要注意材料的均匀加热，搅拌破碎氧化层，并控制好熔炼温度和时间。

3.精炼、除气、除渣：在炉料熔化开始时，使用覆盖剂撒在液面上，覆盖全部金属液面，防止其氧化和吸气。

当炉内铝液温度达到680℃至750℃时，加入干燥的精炼剂和变质剂（用量分别为铝液重量的0.15%至0.25%），用钟形罩压入铝液底部缓慢均匀移动，直至罐内熔剂全部喷尽后，将精炼管从铝液中抽出，关闭氮气。

之后，可以使用氮气（或氩气）除气机对铝液进行除气。

4.预变形工艺：一般在固溶后对合金进行的一种处理工艺，其主要作用是消除合金内部的残余应力。

铸造铝合金的熔炼工艺还需要注意以下几点：
1.选择合适的熔铸设备，可以是先进的铝合金熔铸设备。

2.采用高纯度的熔炼原料和先进的熔体净化技术，以减少杂质元素，提高合金的性能。

3.可以采用先进的铸造工艺，如压铸、挤压铸等，以减少合金内部的缺陷，提高合金性能。

4.注意工具和熔炉的清理、预热和涂料喷刷，以及铝料配比（铝锭与回炉料的比例应不大于50%）等。

航天用2219铝合金锻件规范引言航天工程对材料的性能和质量要求非常高，其中航天用2219铝合金锻件作为一种重要的材料，被广泛应用于航天器的结构件。

为了确保铝合金锻件的质量和性能满足航天工程的需求，制定了一系列规范并加以执行。

本文档旨在介绍航天用2219铝合金锻件的规范，包括材料要求、加工工艺、检验方法等内容，并提供了一些常见问题的解答，以帮助工程师和技术人员更好地理解和应用这些规范。

1. 材料要求1.1 化学成分航天用2219铝合金锻件的化学成分应符合以下要求：•铝（Al）含量：不低于90%•铜（Cu）含量：5.8% - 6.8%•锰（Mn）含量：0.2% - 0.4%•硅（Si）含量：0.2% - 0.4%•镍（Ni）含量：不超过0.1%•镁（Mg）和锰（Mn）含量之和：不超过0.05%•其他元素的含量限制应符合相关标准1.2 机械性能航天用2219铝合金锻件在经过热处理后应满足以下机械性能要求：•抗拉强度：不低于345MPa•屈服强度：不低于263MPa•延伸率：不低于10%•冲击韧性：不低于50J2. 加工工艺航天用2219铝合金锻件的制造过程需要严格依照以下加工工艺进行：2.1 材料准备•进货材料应符合航天用2219铝合金锻件的化学成分和机械性能要求，并提供相关证书。

•材料应经过均匀化处理以消除内部应力，并进行必要的表面处理。

2.2 热处理•锻造前的材料应进行适当的热处理，以获得要求的力学性能。

2.3 锻造•锻件的锻造应在适当的温度范围内进行，以确保材料的塑性和变形性能。

•锻件的压下量和变形应符合相关的工艺要求。

•根据锻件的几何形状和尺寸，选择适当的锻造设备和工艺。

2.4 热处理•锻件在锻造后应进行再次热处理，以进一步改善材料的性能和组织结构。

2.5 表面处理•锻件应进行必要的表面处理，包括清洗、除氧化层等，以保证良好的表面质量和耐腐蚀性能。

3. 检验方法为了确保航天用2219铝合金锻件的质量和性能符合要求，需要进行一系列的检验和测试。

有色金属行业特有职业（工种）技能考评2013年云南冶金集团股份有限公司铝及铝合金熔铸工理论试题(初级工)注意事项1、考试时间：150 分钟。

2、请首先按要求在试卷的标封处填写您的姓名、单位和申报工种名称。

3、请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。

4、不要在试卷上乱写乱画，不要在标封区填写无关的内容。

一、填空题：(将正确答案填写在横线上。

每空1.5分，共20空，合计30分。

)1、铸造铝合金的强化原理分为：固溶强化、时效强化、过剩相强化组织细化。

2、铸造按其作用原理，可分为普通模铸造、隔热模铸造和热顶铸造。

3、连续及半连续铸造按铸锭拉出的方向不同，可分为立式铸造和卧式铸造。

4、铝及铝合金在铸造过程中所使用的熔剂主要有三大类：精炼剂、覆盖剂、打渣剂。

4、铸造速度的快慢直接影响铸锭的结晶速度、液穴深度及过度带宽窄，是决定铸锭质量重要参数。

5、偏析主要有晶内偏析和逆偏析。

6、显微组织中同一个晶粒内化学成分不均匀的现象叫晶内偏析。

7、铸锭边部的溶质浓度高于铸锭中心溶质浓度的现象叫逆偏析。

8、使用中间合金是合金生产中添加高熔点和难熔金属的有效方法。

9、硅（Si）：晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4g/cm3，熔点1420℃，沸点2355℃。

电解铝中含量为0.01~0.15%，仅低于铁，含Si3%以上的的高纯铝硅合金具有热脆性，硅在合金中可改善流动性和铸造性能。

10、钠(Na)：金属钠是银白色固体,质软,热和电的良导体。

密度0.97克/cm3,熔点97.81℃,沸点882.9℃。

对铝合金铸件而言钠具有钠脆性（热裂敏感性），常影响熔体的流动性和铸造性能。

11、合金元素钛，其元素符号为Ti，密度4.5g/cm3,熔点1668℃。

钛的主要作用是用作铝合金铸件的晶粒细化剂，只用钛的细化效果随熔融状态静置时间的增加和反复重熔而减弱。

12、铝及铝合金在铸造过程中所使用的熔剂主要有三大类：精炼剂、覆盖剂、打渣剂。

合金元素的添加方法和要求一、合金元素添加的方法：对于高……点的合金元素需制成中间合金和添加剂的形式加入，如Fe、Si、Cu、Ti等，也可在熔化炉内直接加入。

而对于低熔点的金属元素，则采用熔体直接加入如Mg。

二、加Mg前应将熔体表面的浮渣扒净，防止在Mg加入后搅拌时，将表面的浮渣搅入铝液中，造成二次污染。

三、加Mg时用加Mg器或大扒净Mg锭，压入铝液下部，并向四周来回游动，使之成份均匀，待Mg锭全部熔化后，方可将加Mg器拉出铝液，加Mg温度，控制在锻炼温度上限即可。

四、将要加入的Mg锭完全加入后，要彻底搅拌，使内部化学成份完全一致，搅拌时间不小于8－10分钟，搅拌完后方可精炼。

溶质精炼的目的、要求和方法一、目的为了提高铝及铝合金铸锭的质量，提高铝液的洁净度、减少铝液内部的含渣气量，减少因铝液含渣、含气过高而造成的废品量，提高铸造产品的成品率和产品质量，使之满足铸造。

用合格的铝液而必须彻底执行的一项工艺规定。

二、要求及方法1、将精炼剂按技术要求与熔体重量严格配比放入精炼器内。

2、将精炼器放置在炉门内进行充分预热，除去潮气，防止在精炼时发生爆炸，造成操作人员不必要的烫伤。

3、将预热好的精炼器缓慢的插入铝液中，沿体炉底部缓慢的移动，尽量不要触到炉底，以防将炉体底部沉渣搅起，造成二次污染。

4、精炼要彻底，确保铝液各个部位都要精炼到，消灭死角，精炼时间要充分，精炼剂在铝液中要与铝液反应充分，在看不到铝液表面有任何反映后，方可将精炼器从炉体中拉出。

5、将拉出的精炼器清理检查后，放置在指定位置，以备下次使用。

6、精炼完后，待铝液静止10－15分钟后，再扒渣取样，精炼温度应控制在铸造温度上限5－10℃，即760－770℃。

7、扒净铝灰渣后，要在熔体表面撒一层覆盖剂，以防金属在铸造过程中再次吸气。

清炉的目的要求和注意事项一、清炉的目的清炉的目的主要减少炉内所积的沉渣对铝造成的质量缺陷，保持熔池的容量，提高炉体的使用寿命降低废品产出，提高铸锭产品质量。