【概述】

介紹了航空鋁合金鑄造型芯的種類、粘結劑及硬化原理，通過對不同型芯材料的力學性能、發氣特性、潰散特性及高溫尺寸穩定性的對比分析，結合不同結構型芯的性能需求，總結了不同型芯材料的适用範圍并給出了應用範例，展望了航空鋁合金鑄件用型芯技術的發展方向。

【研究亮點】

集成管路與空腔結構的鋁合金鑄件是航空領域具有典型代表性的一類複雜結構鑄件，型芯技術都是實現管路與空腔集成複雜結構鑄造成形的關鍵技術之一，綜述了航空鋁合金鑄件用型芯技術

【研究背景】

随着航空裝備對品質、可靠性的要求越來越高，高品質的複雜結構鑄件應用越來越廣泛。集成管路與空腔結構的鋁合金鑄件是航空領域具有典型代表性的一類複雜結構鑄件，如飛機液壓系統的各種殼體，發動機附件傳動系統的機匣、燃油控制系統的泵閥體，渦軸/渦槳發動機進氣系統機匣等。這類鑄件的鑄造方法涉及精密樹脂砂型鑄造、金屬型鑄造和熔模精密鑄造等，無論何種鑄造方法，型芯技術都是實現管路與空腔集成複雜結構鑄造成形的關鍵技術之一。

【研究内容】

航空鋁合金鑄造型芯主要有金屬管型芯、有機樹脂砂型芯、水溶樹脂砂型芯、無機粘結劑型芯和水溶陶瓷型芯等。

表2為生産條件下不同材料型芯的強度水平。可以看出，熱固性覆膜砂、三乙胺氣體硬化樹脂砂、水溶樹脂砂、無機樹脂砂都具有較高的強度，而Pep-set自硬樹脂砂、呋喃自硬樹脂砂的強度略低。

圖1為生産條件下測試的5種砂型的發氣性曲線。

圖1 5種型芯的發氣特性曲線

比較而言，熱固性覆膜砂和呋喃樹脂砂的潰散性略差于Pep-set自硬樹脂砂和三乙胺氣體硬化樹脂砂。PEP-set自硬樹脂砂、三乙胺氣體硬化樹脂砂型芯經焙燒後雖然完全潰散，但随着溫度的降低，這些潰散的芯砂又可以粘結在一起，形成塊狀，使型芯清理困難；而呋喃自硬樹脂砂型芯、熱固性覆膜砂型芯經高溫焙燒後，型芯完全潰散，且不随着溫度降低而改變，在室溫時仍然保持潰散狀态。Si-O鍵鍵能較高，目前商業應用的改性矽酸鈉為粘結劑是通過添加促進劑，在粘結劑鍵橋中插入預定的斷裂點，當熱量達到一定水平後使鍵橋斷裂；或者是通過添加促進劑改變Si-O鍵數量和分布形态，以提高其潰散性能 ，即便如此，改性矽酸鈉型芯的潰散性仍比有機樹脂粘結劑型芯差。

水溶樹脂砂型芯和水溶陶瓷型芯中粘結劑在澆注結束後遇水溶解，喪失粘結能力而使型芯潰散，型芯的潰散性一方面取決于粘結劑的溶解性能，另一方面取決于型芯與水的接觸面積，接觸面積越大，型芯越容易潰散。

呋喃樹脂砂試樣在高溫下産生較大的變形，而三乙胺氣體硬化樹脂砂和酚醛樹脂覆膜砂的變形量較小，且都變形方向都經曆逐漸伸長再縮短的過程。這些現象與不同粘結劑固化時的交聯程度、經曆高溫後交聯程度的變化、氧化分解以及原砂熱膨脹有關。

不同材料型芯具有不同的性能和特點，從而決定了其不同的應用場合。異形、複雜是航空鋁合金鑄件内腔結構的主要特點，不同結構的型芯對型芯材料的強度、發氣量/發氣速度和潰散性等性能要求具有合理的綜合匹配。

（1）金屬管型芯形成的管路具有尺寸精确、内表面光潔、耐壓性能高等優點，缺點是管路截面形狀受限、制作工藝繁瑣。銅管型芯去除容易對環境産生污染；另外，在腐蝕性環境中，由于不鏽鋼和钛的電極電位高于鋁，會對鋁合金基體産生腐蝕。因此，金屬管型芯近年來在鋁合金鑄造中的應用越來越少。

（2）無機樹脂砂具有較高的強度、低發氣量和發氣速度，同時具有很好的潰散性，适用于大部分結構形式的型芯，對于細長、排氣性差的型芯更具有優勢。

（3）Pep-set自硬樹脂砂由于在澆注階段發氣速度最快，最終的發氣量最大，包裹型芯的金屬液沒有凝固時，型芯産生的氣體若不能及時排除，極易使鑄件産生嗆氣缺陷。因此Pep-set自硬樹脂砂适用于制作厚大的型芯，必要時需要設置排氣通道。

（4）呋喃樹脂砂輕度較低，澆注初期發氣速度較快，總體發氣量不高，适用于厚大型芯。近年來随着樹脂砂3D打印技術的發展，呋喃樹脂砂成為3D打印型芯的主要材料。由于3D打印在型芯中同時可以打印出形狀複雜的排氣通道，以提高型芯的排氣性能，因此，通過提高粘結劑加入量提高強度，同時在型芯中打印出排氣通道克服了呋喃樹脂砂強度低、發氣速度快的缺點，目前廣泛應用于細長管路和細薄截面複雜型芯的3D打印。

（5）三乙胺氣體硬化樹脂砂具有較高的強度，在澆注初期的發氣速度較快，但總體發氣量較低，适用于制作截面細薄的複雜型芯和長度較短的管路型芯。

（6）熱固性覆膜砂強度高，在澆注初期發氣速度低，總體發氣量較高，适用于制作截面細薄的複雜型芯、細長管路型芯。由于采用熱芯盒制芯工藝，不适合制作厚大的型芯。

（7）水溶樹脂砂具有較高的強度，但發氣量也較大，由于采用熱芯盒工藝制芯，因此适用于直徑較大的管路型芯或截面較厚的型芯。

（8）無機樹脂砂、水溶樹脂砂易吸潮，對于型芯組合需要較長時間的複雜鑄型需要對型芯和鑄型進行防潮處理。

（9）水溶陶瓷型芯在熔模鑄造中适用于形成複雜精密的空腔、管路等結構，随模具壓制蠟模，并一直保留在型殼内，直到澆注結束後從鑄件中清理出來。水溶陶瓷型芯制備需要經過漿料注射成型、焙燒過程，細長的型芯容易産生變形，需要在制芯過程中進行矯形和尺寸檢驗，以保證型芯尺寸的準确與穩定。水溶陶瓷型芯的表面防水層在型殼焙燒過程中被破壞，應及時澆注，否則容易吸潮，破壞了型芯的表面光潔度。

(a)不鏽鋼管型芯（φ10 mmm×4000mm）銅管型芯（φ3～φ8×900mm）

(b)3D打印呋喃樹脂砂型芯(c)PEPset自硬樹脂砂型芯

(d)熱芯盒覆膜砂型芯

圖2 不同材料的型芯及其澆注的鑄件

【展望】

集成化、薄壁化、精确化是航空鋁合金鑄件結構形式的發展趨勢，高強、易潰散、低發氣、尺寸熱穩定等特性是對未來型芯材料發展的基本要求。

傳統有機樹脂砂型芯在某些性能上雖然存在不足，但結合鑄造工藝可以滿足大部分一般複雜程度鋁合金鑄件的生産，仍将在航空鋁合金鑄件生産中占主要地位。而對于具有細長管路、細薄空腔結構的複雜程度很高的鋁合金鑄件，無機樹脂砂和水溶陶瓷型芯材料的性能則體現出了明顯的優勢，結合3D打印技術，使型芯整體化，可以顯著改善型芯組合的尺寸精度，從而提高鑄件内部結構的尺寸精度，具有非常廣闊的發展和應用前景。

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