传统钛合金铸造用陶瓷型芯材料如Al2O3、SiO2等材料存在易反应、难脱芯,而高化学稳定性的Y2O3、ZrO2等材料却价格昂贵且难以脱芯。实验室经过多年的研究和实践，开发了稳定性较高、价格低和易水解的 CaO材料为主的钛合金精密铸造陶瓷型芯材料，先后开展了对CaO型芯的成分、结构和生产工艺优化等工作。为了解决CaO陶瓷型芯材料在生产放置中的潮解并进一步改善其与钛合金熔体的界面稳定性，实验室正在开发利用溶胶-凝胶方法制备ZrO2/Y2O3包覆CaO陶瓷型芯材料的新技术，使陶瓷型芯具有壳-核结构，有效降低了CaO型芯在放置期间的吸潮速率，同时也提高了陶瓷型芯材料与钛合金熔体作用的化学界面稳定性。目前，CaO型芯已在复杂钛合金航空铸件得到了试应用，正致力于具有复杂内腔的钛合金精密铸件的成型。该技术获国家发明专利1项。

含木模、毛胚、粗加工、精加工等流程，与教材要求配套。

本研究针对复杂铸件整体制造难、制模周期长、资源消耗大等难题，构建无模铸造复合成形原理及机制，发明复杂砂型/芯数字化柔性挤压近成形、切削净成形方法，研发出砂型挤压/切削复合成形工艺，省去木模、金属模制造过程。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 铸造是我国装备制造的基础工艺，无论是农业机械、机床、汽车、船舶，还是航空航天以及国防军工等领域的发展都离不开铸件。我国现已成为世界铸件生产大国，2020年我国各类铸件总产量达到5195万吨，较2019年同比增长6.6%，约占世界总产量45%，位居世界第一位。 铸造主要有砂型铸造、金属型铸造和特种铸造等，砂型铸造由于其原材料来源广泛、成本低、铸型制造简便以及应用合金种类多等优点，世界上80%的铸件都是采用砂型铸造。对于砂型铸造工艺来说，模样、芯盒等模具的设计制造是非常复杂并且耗时的过程，该过程首先需要根据铸造方案进行模具的设计，然后通过翻模制作砂型和砂芯，之后再将制作好的砂型和砂芯经过组芯、合箱以及浇铸从而完成金属毛坯的制造。而高性能复杂整体金属结构件又是航空航天、国防军工、轨道交通等领域高端装备的核心组成部分。因此构件的短流程、高精密、高性能制造是实现我国高端装备自主研发及制造的关键环节。 传统的金属成形如模具铸造、模压锻造等需要木模、金属模的成形工艺，存在工序多、流程长、形性精确控制难等世界性难题，无法满足多品种、小批量、短流程、高精度的迫切要求，亟需研发新型精密成形基础前沿机制与方法。本项目将构建数字化精密成形理论体系，涵盖数字化无模铸造复合成形和数字化多材质复合铸型等两方面，突破了复杂整体构件高效率、高性能、高精度无模成形技术，变革了采用模具造型的传统砂型铸造和模压锻造生产模式，推动传统金属成形模式的创新发展。 复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形、切削净成形的数字化无模铸造复合成形技术与装备 本研究针对复杂铸件整体制造难、制模周期长、资源消耗大等难题，构建无模铸造复合成形原理及机制，发明复杂砂型/芯数字化柔性挤压近成形、切削净成形方法，研发出砂型挤压/切削复合成形工艺，省去木模、金属模制造过程。揭示了挤压工艺对砂型透气性、砂型强度等性能的影响规律，发明了梯度紧实的柔性挤压成形方法，实现了砂型/芯梯度紧实柔性挤压近成形。 复杂铸件形性精确调控的数字化多材质复合成形技术与装备 本研究针对传统单一铸型对结构复杂、壁厚差异大、铸件形性调控难、尺寸精度差等难题，提出了多材质复合铸型技术及与铸件相匹配的多材质复合铸型及其坎合组装方法，通过建立多材质复合铸型与高性能铸件一体化精确铸造成形的计算分析模型，构建了多材质复合铸型的调控原理与方法。揭示了多材质复合铸型对铸件温度场、微观组织及力学性能的影响规律，研制出石英砂、宝珠砂、铬铁矿砂等构成的形性可控铸型材料配方，实现了铸型透气性、固化强度、切削性能的协同调控。研究了传统铸型与复合铸型的凝固温度曲线，对比了不同工艺所制铸件的强度，掌握了各铸型单元的热力学参数及型砂种类对铸件性能的影响规律，揭示了金属液与不同铸型间的热力耦合作用机理。 三、创新点及主要技术指标 1.复杂砂型/芯曲面柔性挤压近成形、切削净成形的数字化无模铸造复合成形技术与装备 本研究揭示了砂粒移位、桥连断裂、空穴弥合的砂型/芯切削机理，建立了非均质离散体砂型切削模型，发明了一种切削排砂一体化的无模铸型数字化快速制造方法，实现了高精高效制造，铸件制造周期缩短50%以上，成本降低30%以上。 2.复杂铸件形性精确调控的数字化多材质复合成形技术与装备 本研究实现了对铸件充型凝固过程的精确调控，提高了复杂铸件内在质量与外在精度，实现了铸件性能主动精确调控，使铸件废品率从5%～10%降至2%～4%，减重10%～20%。 四、知识产权及获奖（成果基础） 知识产权情况： 成果获授权发明专利46件，其中美日等国际发明专利18件；软件著作权12件；起草制定国家、行业等标准规范14项；出版专著《无模铸造》（机械工业出版社，2017）。成果入选并被列为国家工信部《机械基础件、基础制造工艺、基础材料产业“十二五”规划》（工信部规[2011]509号）中“50项推广应用的先进绿色制造工艺”的首项技术。 获奖情况： 2020年国家科学技术进步奖二等奖； 2018年中国机械工业科学技术奖特等奖； 2017年国家技术发明二等奖； 2016年中国机械工业科学技术奖特等奖； 2016年中国专利金奖； 2014年国家科学技术进步奖一等奖； 2012年北京市科学技术奖一等奖； 2011年国家科学技术进步奖二等奖。 五、成果图片

由于铸造生产过程由多工序集体作业完成，成分、温度、铸型质量乃至 气候环境等多因素影响产品质量，工艺参数波动大，质量控制靠经验的比重 大，产品质量很大部分又都是在产品成形后甚至机械加工后才体现出来，质 量问题非常突出。铸造过程计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是当今世 界各国专家学者关注的热点，已成为铸造工艺设计与优化的重要手段。铸造CAE 的精度取决于界面条件数据、热物性数据、初始条件数据的输入，这些数据与 企业生产条件紧密相关，不是软件所能给予的。铸造CAE材料数据体系与精益 铸造工艺技术在欧、美、日韩等国际知名企业得到高度重视，是企业不对外提供、具有核心竞争力的技术。 本项目与一些国内大型知名企业合作，开展了铸造CAE材料数据及精益铸 造工艺开发应用研究，开发材料数据体系，建立了 CAE精准分析与精益工艺设计的集成应用平台，缩短铸造工艺开发周期，提升生产线质量指标及工艺效率, 降低生产成本，提高企业核心竞争力。利用本研究成果，每年帮助多个企业进行近20个高要求复杂铸件的质量攻 关，已累计在百余种铸件上获得应用。

可以量产/n铸造涂料广泛应用于汽车、拖拉机金属毛坯铸造生产中。传统铸造涂料具有环保效果差，价格昂贵的特点。本成果开发的系列醇基防渗透粘砂铸造涂料，采用非锆质（锆英粉有放射污染）采用优质耐高温、热稳定性好的镁铝尖晶石、铬铝尖晶石等多种耐火粉作骨料复合而成，具有很强砂型渗透能力，在砂型表面渗透力强，形成强的附着涂层，具有很强的抗钢水、铁水渗透能力，能替代铬铁矿砂使用,特别适用于中、大型铸钢件、铸铁件的热节处，起到防止高温钢水渗透而造成粘夹砂缺陷的作用。其它环保涂料还有非锆质醇基微晶刚玉涂料，非锆质醇基致

可以量产/n该成果利用我国广泛的矿产资源制造铸造行业需要的铸造涂料，产品 用于铸造行业，能替代昂贵的锆英粉涂料，产品耐火度达1800 度以上， 2h 悬浮率达 96％以上。经实验，涂料中各组分按重量百分比如下：400～600 目耐火粉料占 44～55％，钠基膨润土 1.30～1.45％，水 0.45～0.60％，聚乙烯醇缩丁 醛 0.5～0.7％，热塑性酚醛树脂 1.4～1.6％，乙醇 41～52％。制备方法： 1)按比例称取各原料；2)先将钠基膨润土和水碾压预处理成膏状物；3)将 400～600

低压铸造时液态金属的流程短、涡流少、充型速度可调、补缩好，铸件质量明显提高；同时，低压铸造可实现全过程的自动化，提高了劳动生产率和产品质量的稳定性，降低了人为因素的影响；可以省略浇冒口、提高铸件成品率，降低了材料消耗和生产成本。所以，低压铸造工艺在大批量生产的汽车、内燃机工业上的应用不断增加，在汽车、摩托车车轮和发动机缸体、缸盖的生产上，低压铸造工艺特别受欢迎；在特别重视铸件质量的航空航天领域，低压或差压铸造工艺的应用也越来越多。 低压铸造设备的核心技术是保温炉内液面压力的控制。近年来，低压铸造液面压力的控制方式由手动控制、单片机控制，发展到由计算机实时控制，并在计算机屏幕上直接显示低压铸造的过程和控制效果；执行元件也由薄膜阀、比例阀发展到数字组合阀。 为了适应军工和民用产品不断提高的质量和效益要求，满足企业对高水平低/差压铸造设备的要求，北京航空航天大学和有关单位合作，在国际先进低压铸造设备的基础上，开发了新型的低压铸造液面压力的计算机控制系统和低/差压铸造机，并陆续应用在汽车零部件生产和航空航天领域。

消失模铸造是近20年来兴起的一种新型精密铸造工艺，具有操作简单、成本低廉、可铸造复杂精密铸件等特点，已经成为铸造工业发展最快的铸造方式之一。消失模涂料是其关键技术之一。 本项目在兼顾常压和真空消失模铸造特点的同时，在不添加其他配料的情况下加水后可以直接涂膜使用，具有涂膜均匀、挂壁性好、强度高、透气性好、干燥迅速、脱模容易等特点，可提高铸造的精密性、成品率，降低铸造成本。

近净形高品质流变铸造系列技术是以非牛顿流变学和凝固理论为基础，以凝固行为和流变行为的有效控制为技术核心，以实现无缺陷、高可靠性、近净形、高性能、长寿命产品生产为目的绿色铸造新技术。它根据合金熔体具有的良好流变性能进行成形，使用永久型，彻底摆脱了“翻砂”，减小了环境负荷；在压力作用下充型、凝固和补缩，取消了传统铸造中的冒口，使工艺出品率显著提高；利用流变与凝固的耦合控制技术，实现细晶均质化铸造，产品性能与锻件相当；从熔炼到铸件成形的短流程机械化作业，使能耗和排放显著降低，绿色度高。 该系列技术吸纳了传统锻造技术的高品质优势和传统铸造技术的广泛适应性优势，可以解决锻造技术对设备吨位要求高和受零件结构复杂性限制的问题，还可以解决传统铸造技术所得产品质量均匀性、稳定性和安全可靠性低的问题。 该系列技术代表了材料成形技术的发展方向，国内外都已经获得工业应用。用于接触网零件生产，取代现有的精密铸造方法，不仅使材料利用率提高到75－85％以上，而且因组织细密，屈服强度提高一倍以上。用于煤矿支护设备液压阀体，使材料利用率由圆钢车制时的48％提高到82％以上，性能达到了与轧制圆钢车制相当的程度。用于车辆零件（轴箱体、钩舌、测速齿轮等）生产，有效解决了缩孔、缩松等难以解决的缺陷，使产品可靠性大幅度提高。用于高锰钢、高铬铸铁等抗磨材料成形生产，使产品抵抗异常破坏的能力大幅度提高，而成本与砂型铸造相当。    主要应用范围： 本项目技术是一种通用性很强的材料成形技术，在汽车零件、军工航天零件、机车车辆零件、抗磨零件、电力配件等各种重要零件生产领域具有广阔的市场化前景。 汽车和轨道交通领域的机车车辆零件正在向轻量化、绿色化方向发展。轻量化和绿色化的关键途径之一是提高材料性能水平。本项目提供的流变成形系列技术可以为此提供技术支撑。 军工产品和载运工具零件的高安全可靠性和高复杂性对材料成形技术提出了严峻挑战，现有传统铸锻技术难以满足要求，本项目技术可以发挥其优势，为军工、航天等重要领域提供高品质近净形零件。 抗磨材料及其产品的国内外需求都很大，目前的生产方法主要是铸造。而传统铸造产品组织性能的不均匀性和高缺陷率使抗磨产品经常出现早期异常破坏，造成严重的材料浪费。本项目技术的高致密、均质化特点可以使这一问题得到根本的解决，推广应用前景看好。 金属基复合材料以铸造成形成本最低，但因复合材料的铸造工艺性能不好，铸造生产难度较大，应用受到限制。采用本项目技术可以方便地生产各种金属基颗粒增强复合材料及其零件，使其应用范围大幅度扩展。

用于铸造生产现场准确评价铸铁、铸钢、铝合金、铜合金等线收缩、内应力、热裂的新型仪器。测试时，液态合金浇入湿型砂砂型中，系统可自动鉴别被测合金的凝固特性参数。该系统具有体积小、造型和砂箱定位简单准确、测量准确率高、可靠性好、抗干扰性强和操作方便等优点。