分享：高温合金超限构件精密铸造技术及发展趋势

熔模铸造技术在孕育人类文明、推动社会进步以及人类认识自然、改造自然的历史进程中发挥了巨大作用。推测在公元前1500年，近东地区金属业劳动者就开发出了熔模铸造造型工艺。我国在先秦时期有了成熟的熔模铸造工艺技术，1978年湖北随县出土的曾候乙尊盘是春秋战国时期最复杂、最精美的青铜器件。现代熔模精密铸造技术在工业生产中的规模化应用，始于20世纪40年代航空发动机制造业发展的需要。2017年美国矿物、金属和材料学会(TMS)揭晓了材料科学与工程历史上50项“最伟大的材料事件”，熔模铸造工艺位列第29位，高温合金作为航空发动机制造的重要原料位列第44位。

作为近净成形技术，熔模精密铸造的主要优点是：可制造具有复杂内腔结构，高的熔炼温度，高化学活性金属铸件[1]，尺寸精度可达到名义尺寸的5‰，粗糙度(Ra)水平为0.8~3.2 μm；具有广泛的材质适应性和优异的生产柔性；具有加工成本低，可靠性高，材料利用率高达70%~90%等一系列优点。高温合金是在600℃以上长期使用，具有优良的抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变疲劳能力和良好的组织稳定性的一类高合金化金属材料[2]。自20世纪80年代以来，大型复杂薄壁整体熔模铸件已在舰载武器、航空器和车载武器等国防装备系统中大量应用[3,4]，航空发动机热端部件重量的1/4来自高温合金精密铸件。因此，高温合金铸件和精密铸造技术不可替代。

更高使用温度、更大构效比、更高机动性和更大射程等航空航天装备建设的需求，促使高温合金精密铸件向大型化、复杂化和薄壁化方向发展。目前高温合金精密铸件的最大尺寸已近2000 mm，铸件80%壁厚小于3 mm，最小壁厚仅1 mm，截面厚度突变高达10倍，无论是铸件的结构与尺寸，还是铸件的内部冶金质量和尺寸精度要求，都已经超出常规工艺规范的制造能力。精密铸造过程极易产生各类铸造缺陷，例如，疏松、变形、尺寸超差等。

2008年以前，我国无法整体成型大型复杂薄壁高温合金铸件，往往通过小型铸件、锻件或钣金件拼焊形式成型整体结构，该工艺不但流程长，可靠性差，而且难以满足重大装备性能要求。近十余年，作者所在研究团队瞄准大型复杂薄壁高温合金热端部件的重大需求，全面探索了高温合金熔模精密铸造成型的工艺设计，针对全流程所涉及的高分子蜡料成形、陶瓷模壳制备与高温合金凝固进行了系统全面的研究，开创了高温合金反重力铸造技术与装备的研究，成功实现大型复杂薄壁高温合金关键热端部件的精密成型与应用，建立了相对完整的技术创新与工程应用体系。

本文详细阐述了高温合金熔模精密铸造成型过程的冶金缺陷控制与尺寸精度控制的研究现状，并对其未来发展趋势进行了展望。

在过去的十几年里，疏松预测一直是铸造领域研究的热点问题之一[5,6]。Upadhya等[7]发展了一种分析熔模铸造传热的新方法，综合考虑了铸件几何形状、凝固参数和模壳表面的热辐射，该模型可以用来预测凝固时间曲线和快速计算产生缩孔缩松缺陷的热节位置。林家骝等[8]应用ABAQUS有限元结构分析软件模拟了圆筒形铸钢件凝固过程的三维温度场和热应力场，提出了以温度封闭环(即热节)为基础的铸钢件缩孔缩松形成判据，预测的铸件缩孔缩松和热裂的位置与实验结果符合较好。Niyama等[9]采用二维有限差分法，分析比较了3种尺寸和5种成分的圆柱形铸钢件的缩孔疏松分布，提出了一种能预报铸件的Niyama判据法，即铸件凝固终了时的温度梯度(G)与冷却速率(R)的二次方根的比值，定义为：

该判据中Ny为Niyama判据指数，是反映铸件内部缩孔缩松分布的函数，能预报缩孔缩松出现的可能性，但其预测准确性受铸件形状和合金种类的影响很大。综合考虑材料和凝固条件的影响，Carlson和Beckermann[10]基于经典的Niyama判据提出了无量纲显微疏松判据模型，该判据仅需知道固相分数温度曲线和合金的总收缩率就可以预测凝固过程中形成的总显微疏松体积分数，其对WCB钢和AZ91D合金预测结果与实验结果吻合很好。在此基础上，Kang等[11]构建了K4169高温合金大型复杂薄壁铸件的显微疏松校核判据，实现了对薄壁显微疏松的定量预测。Al、Ti和Co有增大高温合金铸件中显微疏松形成的倾向，Cr有减小显微疏松形成的倾向，C对显微疏松的作用受合金中Al含量的影响[12]，采用Darcy定律导出镍基合金定向凝固过程中铸件缩孔缩松的无量纲判据函数(ΔP*)为：

式中，μ为合金液的动力黏度，β'为合金凝固体收缩率，n为枝晶间通道数，τ为枝晶间通道的曲率，t为局部凝固时间，ρL为合金液密度，ΔTf为合金凝固温度范围，ΔTf / G为糊状区长度，fs为固相分数，g为重力加速度。镍基合金定向凝固时，ΔP*越大则显微缩松形成倾向越大，该判据包含了影响显微疏松缺陷形成的工艺因素和材料因素，对于特定的合金，材料因素为常数，公式简化为Niyama判据。采用多孔介质模型处理糊状区的金属液流动，Reis等[13]用流体体积(VOF)法模拟研究了宽窄结晶温度间隔合金凝固过程中产生的缩孔缩松缺陷，研究发现显微疏松并不总是出现在最低压力的位置，显微疏松出现的位置还与其周围的固相分数有关；窄结晶温度间隔的合金易于形成中心缩孔和显微疏松；而宽结晶温度间隔合金易于形成管缩和表面塌陷。基于温度场、枝晶生长和枝晶间补缩通道，薛祥等[14]提出了普通碳钢铸件显微疏松预测判据，其表达式如下所示：

式中，Gt为时间梯度，其值为局部凝固时间对距离求偏导；a为指数，其实验值在1/2~2/3之间；Ck为缩孔疏松判据的临界值。此外，为了克服该判据对液体金属静压力较大的铸件预测结果准确性较低的问题，Xue等[15]将金属静压力(P0)引入到判据中提出了新判据，新判据不受铸件几何形状和铸件部位的影响，判据临界值也与铸件几何尺寸无关，其预测结果比原判据预测结果更加准确，表达式如下所示：

针对疏松与偏析缺陷，高志明等[16]利用气体元素在液相-固相-气相中的分配规律，结合熔体液流补缩过程受阻引起的糊状区压降，建立了一个新的微观孔洞预测模型，并考虑了微孔形成时枝晶间补缩液流的变化规律，获得了逆偏析解析模型，实现了同时对微观孔洞和凝固逆偏析的预测。2020年，Khalajzadeh和Beckermann[17]基于缩松在固相分数最低的铸件区域内形核和生长，计算了熔体中的补缩流量和压力分布，同时考虑了冷却和凝固过程中的密度变化，提出了一种新的模拟凝固过程中缩孔形成的模型。该模型能够预测铸件中所有类型缩孔的位置、范围和数量，包括冒口管缩和大型内部孔洞、表面凹陷和分布的显微缩松。然而，由于充型与凝固过程极其复杂，判据法还难以完全解决大型复杂薄壁高温铸件疏松缺陷问题。

冒口的主要作用是补偿铸件在凝固过程中的体积收缩，抑制缩孔缩松缺陷。针对补缩冒口的设计问题，20世纪30年代，Chvorinov[18]提出基于凝固模数设计冒口尺寸，使冒口尺寸设计从经验逐渐走向理论指导设计。早期科研人员围绕冒口如何设计进行了大量开创性研究，例如，Caine[19]的凝固速率比法、Woldawer的铸件形态参数、Mcadams参数法。随着中国铸造产业规模的扩大，中国学者在铸造冒口设计理论方面也取得了巨大进步，提出了一系列创新性的冒口设计理论与方法。基于冒口凝固时间要大于被补缩铸件的凝固时间和有足够多的补缩金属液2个原则，1995年王济洲和周尧和[20]提出了确定冒口尺寸的周界商法，认为凝固后缩孔位于冒口中间位置，且散热面没有变化，凝固结束时，如果冒口的实际模数等于被补缩铸件的模数，该冒口为最佳冒口，并发明了保温冒口，显著提高了生产率和铸件出品率[21]。在周界商法基础上，随后又发展出了冒口设计的Δ参数法[22]。高尚书[23]推导出了铸件冒口计算的三次方程，并给出了冒口当量直径的代数解析计算式和形状系数的计算方法。数据科学的发展推动了冒口设计水平的进步，2019年孙锦玉等[24]以IN939高温合金铸件工艺出品率及缩松与铸件表面距离作为优化目标，建立了响应面模型，并采用NSGA-II算法对高温合金冒口尺寸进行多目标优化，获得的冒口尺寸满足铸件补缩要求，推动了冒口优化设计向智能化方向发展。

在常规的浇注系统设计过程中，主要依靠工程技术人员的经验，缺乏系统科学的理论依据。Campbell[25]虽然系统研究并总结了浇冒系统设计的十大原则，但是对于大型复杂薄壁铸件，生产中仍然要反复修改浇注系统和铸造工艺参数来保证铸件质量，这种经验式的制造方法导致铸件的研制周期长、成本高以及质量不稳定。近年来，随着凝固理论和计算机技术的发展，将全流程模拟应用到熔模铸造过程中，经过反复优化铸件的浇冒系统，基本消除了铸件中的宏观疏松缺陷，缩短了铸件的工艺定型和研制周期，大大降低了铸件成本，提高了铸件质量和批量生产的质量稳定性[26]，计算机辅助设计已经在很多先进装备的关键铸件上得到应用。美国科研人员通过计算机工艺模拟和组织控制等综合处理技术制造了高性能大型整体精密铸件，其瞬时力学性能和疲劳性能达到了锻造零件相同的水平，并已应用到F-22战斗机和新型V22 Osprey垂直起落飞机大型承力结构件上[27]。沈阳黎明发动机有限责任公司和清华大学合作，采用计算机模拟优化浇冒系统和浇注工艺参数研制了某型号发动机后机匣高温合金精密铸件[28]。Thammachot等[29]采用计算机辅助设计，将浇口杯入口变窄、深度加深，以提高金属液流速；主浇口设计为反向锥形状，以增加内浇口的补缩时间，并减少经过内浇口金属熔体的流速差异；优化浇口底部为“苹果”形状，以起到稳定金属流体的作用，其实验结果表明新浇注系数设计具有更高的效率，充型能力更强，计算机辅助浇注系统设计成为重要发展趋势。

在充型方式方面，康茂东等[30]发明了网格化随形浇冒系统设计方法，解决了大型复杂薄壁高温合金铸件充型难题，其所在的高温精密铸造团队开创了我国自主研制高温合金大型复杂薄壁铸件的先河，解决了航空航天等重大装备用关重件研制方面长期想解决而没能解决的难题，成功研制出了一系列大型复杂薄壁结构高温合金精密铸件，并实现了向贵州安吉航空精密铸造有限责任公司技术转让。任占友等[31]通过增大浇道尺寸，增强厚大部位补缩能力的侧注式浇注系统，减少了热节效应，有效消除了某型号冲压发动机尾喷管扩张调节片铸造缺陷，王祯等[32]结合底板背侧加内浇口的浇注系统设计解决了壁厚0.8 mm密封片铸件研制难题。Jezierski等[33]基于Campbell的理论，发现采用阶梯式浇注或中间浇注能够降低铸钢件金属熔体充型速率，以达到金标准流速0.5 m/s，较为理想的浇注系统为三叉戟、自旋陷阱和气泡陷阱的组合方式。Bruna和Gal?ík[34]发现按照高温熔体自由流动下落的形状设计的充型系统，能够较好地减少卷入型缺陷。为了准确确定熔体充型过程，Li等[35]采用X射线技术研究了高温合金底注式充型和顶注式充型过程，直接证明了底注式充型能够减少表面湍流和保持金属流体充型稳定，过滤器能够起到减少金属熔体流速和稳定流体的作用，并发现过密的过滤器容易导致欠铸现象。因此，浇注方式对大型复杂薄壁铸件高质量成型至关重要。

大数据与人工智能的发展推动了浇注系统设计的变革。Ktari和El Mansori[36]基于神经网络技术提出了砂型铸造数字孪生浇注系统设计方法，该方法从田口正交数组中选择训练数据，训练前馈反向传播神经网络模型，能够减少铸件研发时间、降低研发成本。Yu等[37]提出了一个数据驱动的框架，以无疏松缺陷和高工艺出品率为目标，通过径向基函数(RBF)优化算法，结合复杂铸造工艺，优化了浇注系统设计，结果表明优化后的浇注设计精度高、效率高，工艺出品率提高了14.91%，为未来浇注系统设计提供了新思路。

获得表面质量优良的铸件是熔模铸造追求的目标之一。铸件表面质量的优劣是金属与型壳共同作用的结果，影响铸件表面质量的因素主要包括：(1) 型壳的面层光洁度；(2) 型壳面层与金属液的界面反应。

型壳的面层光洁度一部分遗传自熔模，另一部分则与制壳原材料的选用及制壳工艺密切相关，优化的耐火材料及制壳工艺有利于获得更高光洁度的型壳面层。黏结剂种类、浆料中粉料粒度分布、型壳干燥工艺等因素都对型壳的面层质量有较大影响。龚荣昌等[38]发现，若硅酸乙酯型壳的水解和干燥控制不佳，经高温焙烧后，型壳面层会形成白色SiO2颗粒，阻隔细化剂与金属液的接触，从而影响细化效果。采用真空涂覆的涂挂工艺，可以一定程度降低浆料中卷入的气体含量，显著提高铸件的表面光洁度和成品率。

随着高温合金成分日趋复杂化以及对铸件表面质量的要求不断提高，高温合金熔体与陶瓷型壳的相互作用逐渐成为研究热点。一般认为，界面反应主要是由合金熔体中的活性元素(如Hf、Cr等)与陶瓷型壳中的某些成分发生高温化学反应，形成新的界面反应产物，如果界面反应程度严重，则会导致铸件表面化学粘砂，此类粘砂通过打磨、抛光也很难去除[39]。Li等[40]对DZ22B合金定向叶片表面粘砂缺陷的形成机制进行了研究，通过向型壳面层浆料中加入一定量的粘砂抑制剂，调控了合金熔体与型壳的润湿角(图1[40])，显著改善了型壳的抗合金渗透性能，叶片表面光洁无粘砂。

陶瓷型壳的高温力学性能是其最重要的性能之一，型壳的高温强度与高温变形对铸件的尺寸精度影响甚大。陶瓷型壳的高温力学行为主要取决于型壳的显微结构特征，依赖于2个主要因素：一是玻璃基质的数量和黏度(玻璃效应)；二是晶体间接触或结合的程度和方式(结晶效应)[41]。玻璃相含量低、黏度高以及晶体间结合程度高并形成连续交错网络结构，均有利于提高型壳的高温力学性能。

型壳中的玻璃相，一方面源自耐火材料制备过程中已形成的玻璃相，这部分玻璃相随耐火材料高温制备后冷却至室温，均匀地分散在耐火材料中；另一方面源自黏结剂中的Na2O与型壳中其他耐火材料组分在型壳焙烧或浇注过程中形成的玻璃相。Na2O等杂质含量越高，对型壳的高温力学性能越不利。对于二元系型壳体系(SiO2-Na2O)来说，800℃以下就已形成液态玻璃相，对型壳的强度和变形产生不利影响。而对于三元系型壳体系(SiO2-Al2O3-Na2O)，随着焙烧的进行，型壳中会形成长石或霞石类增强相，提高了型壳在1200℃以下的中低温力学性能，不过随着型壳温度的升高，长石等相黏度显著降低，型壳高温力学性能随之降低。可见，型壳若想具备优异的高温力学性能，必须控制型壳中玻璃相的数量和黏度。

针对陶瓷型壳目前广泛使用SiO2黏结剂的特点，耐火材料晶相如果能与黏结剂SiO2发生化学反应形成晶间结合的另一种耐高温晶相，减少晶界玻璃相的数量、改善其分布状态，形成所谓“直接结合”的显微结构，从而减小晶界间玻璃相的黏性流动能力，将会大幅度提高型壳的强度和抗蠕变性。

型壳中SiO2黏结剂所带入的10%左右的无定形SiO2是形成玻璃相的主要来源。因此，SiO2黏结剂与耐火材料颗粒间的巨大相界面就成为整个型壳的薄弱环节。如果能使玻璃相转化为晶体相，形成主晶相间以高温稳定的异相直接结合的显微结构，将能有效地改善型壳的抗蠕变性。最常用的方法是在浆料中加入一定量的粒度在10 μm以下的Al2O3，使型壳在高温下生成莫来石相，以此来改变晶间结合状态[42]。为降低莫来石相的生成温度，提高莫来石相的形成效率，可加入适量促进莫来石化的矿化剂，形成一定的玻璃相从而促进莫来石在玻璃相中的形成，反应温度可以降到1300℃以下。所添加的矿化剂有Si-Ca、Al-Si-Ca、Al-Si-Mg、B2O3-CaO、CaO等，型壳的高温强度较不添加矿化剂之前可提高约20倍。

随着工业燃气轮机的发展，对大型定向凝固叶片等铸件的需求不断增加，单纯地添加矿化剂已不能满足大尺寸型壳的高温强度和抗蠕变性能要求。为解决大尺寸陶瓷型壳在高温时的强度和尺寸稳定性差的问题，技术人员采用添加纤维的方法来强化陶瓷型壳。常用的纤维有莫来石纤维、Al2O3纤维和碳纤维，比较有代表性的是美国GE公司、HOWMET公司，日本三菱公司等[43~45]。

型壳对铸件冷却收缩的约束(阻碍)对铸件尺寸也有很大影响[46]。凝固中的合金与型壳的机械作用有可能引起铸件的热撕裂、变形或残余应力。型壳的高温强度过高极易导致铸件凝固时出现热撕裂。因此，型壳的高温强度并非越高越好，只要能足够支撑铸件的成型就好。

透气性与溃散性是型壳的重要性质，它们都与型壳微观结构中的孔隙和微裂纹有关。一般通过在浆料中添加可烧失性物质来提高型壳的高温透气性，如乳胶、尼龙纤维、碳颗粒等，这些添加剂的加入一般还可提高型壳的湿强度和溃散性，但会对型壳的高温强度产生不利影响。Wang等[47,48]将针状石油焦加入背层浆料中，发现针状石油焦的加入可将型壳高温透气性提升4倍以上，同时改善型壳的室温透气性，这对蒸汽脱蜡意义重大。同时，石油焦的加入还能改善浆料的涂挂性，极大提升型壳的涂挂均匀性及在尖角处的涂挂厚度，如图2[47]所示。

郭馨等[49]研究了型壳中杂质及焙烧温度对硅溶胶煤矸石型壳残余强度的影响，发现随着型壳焙烧温度的升高，型壳中玻璃相含量升高，并有二次莫来石生成，型壳的残余强度增加。Yuan等[50]将型壳第3层淋砂材料从电熔刚玉换成单斜ZrO2，发现在不影响型壳室温高温强度及透气性的前提下，降低了型壳的残余强度。籍君豪[51]利用熔融石英高温析晶低温相变的特点，在型壳过渡层中加入熔融石英，降低了型壳的残余强度，提高了型壳的脱壳性能。此外，在背层浆料中加入发泡剂和稳泡剂制成发泡涂料和多孔型壳，可在保证型壳具有足够的湿强度和高温强度的基础上，降低其残余强度，使型壳溃散性得到改善。张金智等[52]对型壳第3层和第4层淋砂时使用了覆膜砂作为淋砂材料，使型壳溃散性得到改善。

随着熔模铸造行业的迅速发展，陶瓷型壳制壳用黏结剂种类不断丰富，制壳工艺亦不断发展。传统硅溶胶型壳干燥速率慢、制壳效率低、型壳湿强度也较低。随着快干硅溶胶产品的研发，这一问题得到了极大的解决。快干硅溶胶中一般加入了乳胶等水溶性高聚物，硅酸乙酯与水解液浆料中亦可加入乳胶，能提高型壳的湿强度和透气性，并降低型壳的残余强度。

硅酸乙酯硅溶胶复合黏结剂综合了硅酸乙酯水解液和硅溶胶2种黏结剂的优点，浆料稳定性远好于硅酸乙酯水解液，且简化了制壳工艺，提高了型壳的高温强度。硅酸乙酯与硅溶胶2种黏结剂交替制壳可极大地提高制壳效率，缩短制壳周期。

型壳涂挂层数的减少会缩短制壳周期、提高制壳效率。然而，涂挂层数的减少会造成型壳涂挂厚度减小，抗载荷能力降低。提高型壳的强度无疑是减少型壳涂挂层数的途径之一，而使用脱蜡时热膨胀小的模料也可降低对型壳强度的要求。

新技术与新设备的发展亦对熔模铸造陶瓷型壳工艺具有重大影响和推动作用。制壳机械手的应用有助于提升制壳自动化程度，而全自动制壳机、自动化的型壳干燥系统、风洞制壳机则可极大地缩短干燥时间，最短可在数小时内完成制壳。

增材制造是近些年的研究热点，国内外很多学者对陶瓷型壳的增材制造开展了研究。Li等[53]利用数字光处理(DLP)技术制备了煅烧高岭土陶瓷型壳，型壳具有适宜的孔隙率和强度，经过浇注验证，满足铸造要求，如图3[53]所示。

增材制造技术的发展，使型壳与型芯的一体化快速成型成为可能。一体化型壳的制备，彻底解决了陶瓷型芯在型壳内定位的牢固性和精确性等难题，这对提高铸件内腔的尺寸精度和形位精度意义重大。Chen等[54]、Halloran等[55]分别使用立体光刻技术成型了带有复杂型芯的一体化硅基型壳。

目前陶瓷增材制造技术方面的研究重点主要集中在使用增材制造技术直接制备出所需要的陶瓷部件，然而这经常受到部件物理、功能及几何特征的限制。负复型技术(negative replica method)，亦称负增材制造技术(negative additive manufacturing technology)越来越引起人们的关注。负复型技术的工艺流程为：首先使用增材制造技术制备一个带有空腔的聚合物模具，模具空腔的尺寸与形状对应于陶瓷部件的尺寸与形状，然后将流动性良好的陶瓷浆料充入上述模腔中并实现固化，随后进行聚合物模具的烧失和部件的焙烧，最终获得所需的陶瓷部件[56]。相比于使用增材制造技术直接制备陶瓷部件，负复型技术虽然增加了一个模具的制备环节，但由于制造模具所用的材料为聚合物，而聚合物增材制造方面的技术水平领先于陶瓷，这意味着整体工序的简化，亦有利于提高模具成型分辨率与部件表面质量。

此外，Wu等[57,58]还使用负复型技术制备出带有复杂型芯结构的一体化型壳。使用立体光刻技术制备的树脂模具，用凝胶注模法成型一体化型壳并经冰冻干燥后，将带有树脂模的陶瓷部件放入焙烧炉中，升温至300℃保温1 h以脱除树脂模，然后继续升温至1550℃，保温6~7 h后冷却至室温。浇注时首先将一体化型壳加热至1050℃，保温1~2 h，然后进行20CrNiMo合金的浇注，获得所需的空心涡轮叶片。段志军[59]、郭丽萍[60]分别对负复型技术制备空心涡轮叶片整体铸型的成型工艺及铸型表面质量进行了研究，在一定程度上解决了空心涡轮叶片的制造难题。

蜡模尺寸偏差占铸件尺寸偏差的10%~70%，蜡模注射成形过程中的变形规律及计算模型是实现近净形熔模铸造的基础。熔模铸造用蜡料是一种复杂的混合物，主要包括合成蜡、天然或合成树脂、固态有机填充物和水，另外还有塑料、油和增塑剂等添加剂。正是由于这些添加物的存在，使得熔模铸造用蜡表现出复杂的力学和热性能[61]。通过加入不同的填料，其蜡模收缩率比无填充料的要小5%以上[62]。化学结构相似但成分不同的蜡料，其收缩性能明显不同[63]。铸造用蜡的性能指标一般是来自石油和化工行业的测试方法所得到的结果，而这些蜡料性能指标对蜡模注射成型工艺参数的选择、蜡模模具流道设计及其铸造模具收缩率的参考作用并不大[64]。蜡料的基本物理性能，如剪切黏度、表面张力、可压缩特性、比热容、热导率、模具与蜡的界面换热系数等对铸造者来说是非常有用的数据，但是其表征及测试技术相当困难[65]。因此，蜡模的性能测试与表征研究迫在眉睫。上海交通大学团队基于聚合物性能测试方法得到了蜡料的流变学和熔体可压缩PVT (压力、体积、温度)特性，拟合了蜡料Cross-WLF黏度模型和PVT关系的Tait方程参数，成功地预测了蜡料的流动过程。基于数值模拟和实验验证，优化了特征件蜡模的流道系统，缩短了充填时间[66]。

何湘平[67]认为对蜡模精度有较大影响的因素是射蜡时间、射蜡压力和蜡温，收缩率误差可达0.7%。Kelkar[68]认为注蜡温度对有约束形状的尺寸影响较大，随着循环注射周期时间增加，蜡模的尺寸收缩减小，特别是有约束形状的尺寸，认为注射压力不影响蜡模的尺寸收缩。对尺寸影响占主导地位的是压射时间，而压射压力和蜡流动性的影响在其次。Horacek[69]认为注射压力与速率对蜡模尺寸的收缩没有显著的影响，保压压力与时间是影响尺寸收缩的重要因素。Okhuysen等[70]研究结果显示，蜡模的保压时间和注射压力对圆环件尺寸的影响较明显。Yarlagadda和Hock[71]回归分析了工艺参数与收缩尺寸的依赖关系，由此得出蜡模的变形可以通过工艺参数预测和控制。Singh等[72]认为随注蜡温度升高，蜡模的收缩率增加，而模具温度升高会导致蜡模的收缩率降低；较低的注射速率和较短的保压时间可以降低蜡模尺寸的波动。蜡模体积收缩与变形主要是注射成形中产生的残余应力造成的，其产生机理有2种：分子取向不一致和不均匀收缩。前者是流动过程中产生的，后者是保压和冷却过程中产生的热应力。早期计算收缩和变形的商业软件采用残余应变法[73]。采用材料参数与加工参数的乘积取积分的方式分别计算平行和垂直流动方向上的收缩应变，可获得平行和垂直于流动方向上的收缩。Zheng等[74]提出了修正残余应力模型(corrected residual in-mold stress，CRIMS)，该模型将残余应变法和残余应力法结合起来，可获得准确的残余应力。

为了实现铸件的轻量化，研发了大量的空心薄壁结构的铸件，这也是熔模铸造的优势之一。航空发动机机匣空心支板和空心叶片等都是典型的具有内腔结构的空心构件。这些空心薄壁结构的蜡模主要是靠预置水溶性型芯成型的。Campbell[75]对熔模精铸件的尺寸精度进行了定量化研究，其结论是熔模精铸对于小型铸件具有很好的尺寸精度，而对于大型复杂结构铸件，其铸造精度接近砂铸。特别是对于空心薄壁结构类熔模铸件，由可溶性型芯成型，其尺寸精度无法预测[76]。研究注射参数对于空心结构铸件的影响有重要意义[77]。MPI压蜡机操作手册里面建议对于含型芯的蜡模注射工艺，其保压压力要小，但没有解释具体原理。Wang等[77]认为空心薄壁蜡模的型芯偏移主要来源于蜡料注射过程中的压力变化，通过工艺优化，解决了空心薄壁蜡模型芯偏移问题。蜡模在取出后数小时内，仍会继续收缩，多数在24 h后尺寸才稳定下来，而蜡模存放过程中的变形属于黏弹性行为[78]。为防止它在取模后的存放期间发生收缩和变形，蜡模制备和存放处应保持恒温恒湿。对于有特殊要求的蜡模，脱模后应置于胎模中，存放一段时间，待尺寸稳定后再取出，或做防变形拉筋；对一些板状零件可用平板夹住，纠正变形[79]。蜡模放置时间越长，蜡模收缩率越大，放置一定时间后，蜡模尺寸趋向稳定，蜡模厚度越大，蜡模收缩趋向稳定所需的时间越长[80]。蜡模大部分的收缩量发生在脱模后的2 h内，可以通过调整工艺参数补偿收缩尺寸的偏差[81]。基于弹性变形预测的蜡模尺寸变化比实际值小3倍左右，且未考虑蜡料注射过程中流动不均匀引起的变形及其保压过程的蜡料熔体的可压缩特性[71]。

陶瓷型壳是由晶相、非晶相、空隙和裂纹等组成的非均质多项体系[82]。型壳变形主要受到材料性能、不可逆相变及其与金属相互作用的影响。型壳在干燥、脱蜡、焙烧、浇注过程中，厚度方向上存在不同的热力梯度，不可避免地发生变形。利用Drucker-Prager Cap模型，可以预测型壳的膨胀行为与岩心的力学行为。Galles和Beckermann[83]利用该模型结合钢的弹塑性本构关系，成功地预测了凝固过程中铸件的尺寸变化。在传热分析中考虑铸件变形产生气隙引起的界面热阻，能使传热和应力分析的精度大大提高[84]。在铸造过程数值模拟中，无论是针对单纯的传热分析，还是热-力耦合分析，铸件与铸型的相互作用一直是人们关注的热点和研究的难点[85,86]。

液态金属在凝固和冷却到室温时经历3个阶段的收缩：液-液、液-固和固-固收缩，相应的体积收缩分别为1.8%、3.0%和7.2%[87]。冷却凝固过程的体积变化，因为随机填充的液体原子聚集成一个规则的、更致密的固体结构[88]。铸件凝固过程热应力是由于各个部分的冷却速率不均匀，各部分的收缩也就不均匀，同时高温合金铸件的收缩受到外部型壳的阻碍而产生机械应力。2者共同作用会在铸件中产生残余应力和残余变形，是导致铸件尺寸超差的主要因素。基于几何模型的收缩补偿率(GDPA)与标准收缩率(2.08%)相比，铸件凝固时尺寸误差减小36%[87]。利用有限元铸造模拟软件ProCAST，结合实验通过反算求解铸件/铸型界面换热系数获得更为准确的温度场，然后对精铸涡轮叶片进行位移场模拟，可为优化涡轮叶片模具的型腔设计提供指导[89]。采用数值模拟与正交工艺优化，高温合金DD6单晶叶片边缘板翘曲变形从0.232295 mm减小到0.181698 mm，下降了21.8%[90]。很多研究基于数据模拟预测了铸件的热应力与变形程度[91]，但是数值模拟计算很大程度上依赖于良好的热物理性质数据[87]。国内外研究学者一致认为准固相区的应力应变的本构关系模型与边界条件数据是目前铸件凝固过程应力场数值模拟的关键问题[92]，而糊状区的力学性能数据不准确是阻碍变形计算预测最困难的问题。美国陆军研究办公室与Howmet公司支持了IN718高温合金铸造固态和半固态下力学性能研究[93]。

熔模铸造过程的蜡模制备、型壳制备与铸件凝固等过程中易发生圆角尺寸偏差，是影响铸件尺寸精度的重要因素，蜡模制备是铸件最终成形产生圆角尺寸偏差的主要原因，产生偏差范围在3%~30%；型壳制备由于受热膨胀，在一定程度上修复圆角半径尺寸偏差，修正偏差范围在2%~8%[94]。Yu等[37]和Wang等[95]开展铸件工艺-变形全流程集成计算，通过软件自动仿真、建模及多目标优化，构建了工艺-变形之间的映射关系。

最早的反重力铸造方法是英国人Lake于1910年提出的低压铸造技术。20世纪60年代由保加利亚学者发明了兼有低压铸造和压力釜铸造特点的差压铸造[96]。美国Hitchiner公司的Chandley等发明了真空吸铸[97,98]。1993年前后曾建民、周尧和教授等提出了一种用于薄壁构件成形的调压铸造技术[99~101]。为了实现铸造过程中对金属充型能力和冶金品质的有效控制，反重力铸造方法逐渐应用于薄壁件的实际生产中。反重力铸造是利用外加压力使合金液沿着与重力场相反的方向自下而上充型，并在可控压力下凝固的铸造方法。根据不同的充型压力引入方式(上、下压室的压力变化)，反重力铸造方法可分为真空吸铸、低压铸造、差压铸造、调压铸造。

美国Hitchiner公司利用反重力低压惰性气体铸造(counter-gravity low-pressure inert-gas，CLI)法生产的无钴马氏体时效钢棒状铸件力学性能、伸长率都高于锻造件。利用CLI法生产的Inconel 713飞机机翼铸件的力学性能与传统真空熔炼铸造方法生产的铸件相近[102]。另外，Hitchiner公司利用止回阀(check valve，CV)法生产了直径889 mm、长635 mm的大型薄壁铸件Inconel 718扩散器机匣。加拿大MCT公司利用反重力低压真空铸造(counter-gravity low pressure vacuum，CLV)法生产了铸件质量优异且最薄处可达0.38 mm的气轮机燃烧室衬里，其氧化夹杂物含量仅为真空浇注件的15%。Hebsur[103]通过反重力铸造工艺成功地制备出Inconel 718点阵结构铸件(15 cm × 30 cm × 1.2 cm)。该铸件支架的平均直径为1.58 mm，误差值为0.045 mm。Stefanescu等[104]模拟火星和月球表面上的低大气压和低重力加速度的影响，探讨了太空中新型微重力下真空调压铸造工艺，发现在太空站中制备的铸件总是存在不同程度的缺陷，原因是凝固过程中缺少必要的压力。王建国等[105]利用数值模拟方法研究发现，真空吸铸技术对提高钛合金熔体的充填能量远高于离心铸造和重力铸造，其充型过程更平稳，且在凝固过程更易补缩，是小型薄壁铸件的理想成形方法。洪润洲等[106]针对薄壁铝合金铸件真空吸铸研究发现，只有选择合理的充型速率，才能同时保证铸件充型完整和减少气泡与夹杂等铸造缺陷。董选普等[107]研究发现，对于2和3 mm厚的薄壁铝合金铸件，真空吸铸和真空差压铸造的铸件都充型完整；而对于1 mm厚的试样，真空差压铸造比真空吸铸的充型能力要高很多。

罗海军和介万奇[108]认为反重力铸造充型的阻力来自于合金液的重力、熔体流动前沿的表面张力和熔体流动过程的黏滞阻力。普通重力铸造的浇注系统虽然也考虑其对凝固过程的影响，但核心是解决铸件的充型问题。而反重力铸造的浇注系统同时担负着充型和凝固补缩的功能。在铸件凝固过程中，对于层状凝固的情况，补缩通道不断减小，合金液补缩流动的阻力增大。对于糊状凝固，糊状区厚度和固相分数均不断增大，补缩变得困难。此时，进一步提高合金液的压力可以克服其流动的阻力。同时，可能将半固态合金中的枝晶压断，或使晶粒变形，从而增大其凝固补缩的能力。Sanitas等[109]通过数值模拟和实验相结合的方法，重点研究了低压砂型铸造中液态铝受截面梯度和压力梯度变化影响的充填行为，通过实验和数值模拟结果的表征，建立了新的分析模型，系统归纳了引起熔体不稳定流动的因素。Li等[110]对铝合金气缸盖低压铸造过程进行了数值分析，得到了铸件的凝固顺序、气孔缺陷以及二次枝晶间距分布，相关数值模拟结果与实际铸造缸盖的组织特征和铸造缺陷等结果比较吻合。

调压铸造是传统反重力铸造技术的改进工艺，除具有传统反重力铸造技术的优点以外，调压铸造还有利于薄壁铸件中熔体的补缩，从而改善铸件的凝固特性，适合1~5 mm厚度的复杂薄壁铸件成形。此外，调压铸造方法充型过程中型壳内反压较低，液态金属充型过程中受到的阻力较小，并减少了铸件卷气的可能性，可选取更大的升压速率充填型腔，可以进一步提高液态金属的流动能力与保温能力，提高了液态金属的充型能力，铸件轮廓外形更加完整清晰[111~114]。Jiang等[115]通过实验研究，得到了薄壁件液态金属充型能力与升压速率、浇注温度、气体压强和型腔真空度的线型关系。此外，邓攀科等[116]通过设置不同的浇注温度、模壳预热温度等工艺参数研究工艺参数对真空调压铸造凝固成形过程中ZL205A铝合金应力场分布的影响，并进行实验验证，研究结果表明，合理的工艺参数可以获得较好的应力分布和优良的力学性能，可有效避免热裂的产生。在压差的作用下，液态金属从下而上逐层充填薄壁型腔，但随着壁厚的增加，射流区两侧的涡流面积增大，出现较明显的反向充填特征，影响充填过程。特别是对于密度较高的高温合金而言，这种反向充填会由于自重的增加而对铸件的质量产生影响。因此，制定调压铸造工艺参数时必须要考虑到壁厚的影响。

高温合金凝固区间宽并且熔体具有高黏滞性的特点，枝晶间微观流动对疏松抑制的作用机制及组织演变规律非常复杂，使得高温合金调压铸造的工艺实施非常困难。此外，高温合金熔点高且密度大，与低熔点轻合金相比，对调压压力控制、升液管材质与结构、升液管与铸型间的高温密封都提出了很高的要求，调压铸造装备的开发难度大。因此，开展外加压力下的高温合金调压精铸成型基础理论及铸造工艺研究，设计开发调压铸造装备，实现更高性能的镍基高温合金复杂超薄壁铸件精确成型是需要解决的关键问题。

作者所在研究团队长期从事高温合金调压铸造机理研究和工艺探索，探究了高温合金充型流动规律及铸件超薄壁区域充型凝固行为。在调压铸造过程，由于压力作用抵消了Laplace力和黏滞力对充型能力的影响，铸件充型能力得到大幅提升。以壁厚为1.0 mm、面厚比为20000∶1的大面积超薄壁K4169铸件为例，临界加压速率为12.5 kPa/s时可保证熔体的平稳完整充填，充填能力比重力铸造提高1倍以上。以此为基础，通过正交实验建立了不同调压工艺参数下熔体的流动行为与充型能力的关联关系评价模型。

通过研究调压工艺参数对铸件疏松、缩孔和微观组织的影响规律发现，随着外加压力的增大，铸件疏松缩孔明显减少，当压力为0.6 MPa时，疏松与缩孔的比例与常压相比分别降低37.5%与41%；外加压力的升高增大了铸型的界面换热系数，加速了铸件冷却过程，使得晶粒尺寸和二次枝晶间距均随着压力的升高而降低，晶粒尺寸变得细小均匀。基于调压数值模拟和实验研究，建立了铸型压力梯度和温度梯度相一致的高温合金调压铸造工艺设计准则，实现外加压力下的顺序凝固[117]。

基于升温热冲击环境下高温陶瓷材料热-损伤理论表征模型，综合考虑了升液管的高温使役环境、外界约束和热/力损伤等因素的影响，通过各种物相的成分调控和升液管结构设计，解决了升液管的高温抗热震性和高温承压两大技术难题，其抗热震性能常数在1550℃时约为12 kW/m[118]。开发了基于铸件不同截面结构特征的智能加压控制系统，密度达8.3 kg/cm3的高黏滞高温合金熔体目标压力调节时间由8.0 s缩短至1.5 s以内，解决了因凝固结壳而无法施加压力的难题。在系统解决高温三大密封、升液管材质、升液管制备工艺和压力快速调节的基础上，研制了国内外首台高温合金调压铸造装置[119]。

利用发明的高温合金调压铸造方法与装备，进行了航空发动机燃烧室浮动壁瓦片的调压精铸成型。基于模具柔性设计结合局部温度精确控制技术实现了与基板不同角度的模具设计与加工，解决了熔体超薄壁充填和微孔铸造的难题，成功实现了基板厚度为1.0 mm、微孔直径为0.8 mm且与基板具有不同角度的浮动壁瓦片的调压精密铸造。浮动壁瓦片的调压精铸改变了传统基板铸造结合电火花打孔的加工成型工艺。调压铸造浮动壁瓦块可望在更大推重比和更高冷却效率的高性能发动机上得到应用。

此外，在熔模精密铸造领域，细化晶粒具有重要的工程价值和理论意义。电磁场作为一种外部物理能量场，对金属材料制备过程的物理变化和化学反应过程产生影响，因而被用来控制其变化或反应过程。铸造过程的电磁细晶研究起源于20世纪初，Garnier[120]尝试利用磁场对液态金属进行搅拌以改善冶金组织，并由此提出磁场处理方式。到了20世纪40年代，形成了磁流体力学学科，这是建立在电磁场理论、流体力学和冶金学基础上的交叉学科[121]。随着电磁装备及技术的进一步发展，国内外学者对金属凝固与铸造过程开展了大量的研究[122~124]。大连理工大学于20世纪80年代初开展了旋转电磁场下定向凝固合金组织控制的研究[125~127]。王强等[128~131]主要研究了电磁场，特别是强磁场下冶金与材料过程控制。王恩刚等[132~134]研究了薄板坯连铸新型组合电磁制动技术，并开展了磁场作用下材料凝固基础理论、冶金与材料制备过程数值模拟的研究。刘林等[135~137]研究了电磁场下钢和高温合金等金属材料的制备过程的特点，阐述了静磁场对定向凝固镍基高温合金枝晶组织、元素偏析、凝固缺陷及高温力学性能的影响规律，并从变截面处杂晶的控制、晶体取向偏离的控制以及对凝固特性的影响机制等方面提出了静磁场在定向凝固镍基高温合金研究中潜在的发展方向。任忠鸣等[138~141]长期从事高强静磁场下金属凝固过程的研究，阐明了凝固过程热电效应对界面演化、组织形貌和性能的影响机制。翟启杰等[142~144]指出了脉冲电磁场在金属熔体中的电磁效应，开发了组合式电磁调控均质化矩形坯连铸技术并在工业界取得了广泛的应用。

随着航空航天飞行器设计水平的跨越式提升，铸件的结构设计出现了重大变化，其尺寸、壁厚和结构复杂程度均超出了传统精密铸造技术的极限，表现为外轮廓超过1000 mm，大面积壁厚小于1.5 mm (甚至1.0 mm)，大面积空心薄壁曲面结构与变截面系数陡增成为常态。此外，对铸件冶金质量和尺寸精度也提出了苛刻要求，主承力部位无宏观疏松，整体尺寸精度由CT7提升到CT5，表面粗糙度从3 μm降低到2 μm。以上2方面原因促使以“无疏松、高精密、1 mm”为特征的大型复杂薄壁高温合金超限精密铸造技术成为世界级难题，成为各国竞相发展的关键核心技术。如何解决三大难题实现超限铸件精密成型是关键。

基于多源信息融合大数据与人工智能的智能铸造理论与技术，构建大型复杂薄壁铸件凝固与铸造过程的多物理场数字孪生体，实现传统经验的设计铸造向大数据驱动的智能设计铸造模式的转变，有望解决经典凝固理论无法找到多元合金凝固过程的量化方法，铸造过程多物理场融合的不确定性，稀疏的数据不足以支撑工艺参数最优化决策等问题，推进铸造工艺设计由人脑向电脑转变，实现铸件冶金缺陷与全流程尺寸精度稳定控制。

随着集成计算材料工程和增材制造技术的发展，开发匹配大型超薄壁高温合金铸件复杂充型凝固过程局部热场可调控的陶瓷模壳材料及其制备技术，摒弃传统精铸中模具设计、蜡模压制组装工序，采用增材制造技术直接制备具有复杂随形流道与超薄型腔的陶瓷型壳，突破超薄壁复杂高温合金铸件的高质量调压铸造成型技术，结合大型智能化调压精铸装备研制，制备出传统重力铸造无法获得的大尺寸复杂超薄壁高温合金铸件，为铸件轻量化与功能优先设计提供保障，并形成基于“3D打印型壳+智能调压精铸”的超薄壁高温合金铸件制备技术体系，最大限度发挥高温合金材料应用潜力，有望大幅提高航空航天重大装备的综合性能。