Queen's Award for Enterprise

晶粒细化研究的最新进展

格兰杰&沃勒尔公司(Grainger and Worrall) 表示:铝合金晶粒细化剂的进展,可以更为加快发动机的开发进程。

任何参与发动机或动力系统研发的工程师都知道缩松给结构合金带来的问题。然而预防性设计可以帮助解决这个问题。最近,由布鲁内尔大学(Brunel University)、 捷豹/路虎 (JLR) 和格兰杰&沃勒尔公司(G&W)共同参与的项目,强调了新一代晶粒细化剂解决这一问题的潜力。

当讨论铸件的缺陷时,工程师和最终用户使用的一个术语,缩松,常常以多种形式不适当地描述。作为一个含义广泛的术语,它可以包括以微观孔洞形式的缩松,海绵状孔洞和大的宏观孔洞。

了解了各种缺陷的细微差别, 很显然可以给铸造设计过程提供信息 — 这就可以减少缺陷。有些缺陷可以在铸造过程中解决,有些缺陷虽说不能在铸造过程中解决,但是可以通过改变设计,或者通过同时改变设计和铸造工艺来减少。通过了解产生不同缺陷的因素,设计工程师就可以将容易产生缩松的区域移至铸件的非结构性区域,从而达到质量要求。

优质高端铸件,包括航空航天、 汽车和赛车领域的高性能部件,理想的情况是 “零缩松”, 以应对极具挑战性(耗费时间)的运行工况。采用最新的工业 CT (computerized tomography计算机断层成像)扫描技术,我们可以检验每一个用于F1 赛车的气缸盖和其它关键应用的零件。

我们的赛车研发团队是英国第一家采用先进的工业CT扫描的团队,对铸件致密性(完整性)和尺寸精确性有更好的理解。由于能够对铸件内部和外部同时检查,我们现在可以看到生产过程每一阶段铸件凝固收缩的详细情景。透过对铸件不同几何尺寸的评估,使我们有能力计算仅有细微差别的收缩率,快速验证和确定模具所需的一步步调整变化, 从而生产出精度更高的铸件。

近年来,G&W的工程师一直致力于铸造过程中添加剂的应用以降低缩松的程度。二硼化钛(TiB2)颗粒是铝合金的优良晶粒细化剂, 广泛应用于铝合金铸造厂,然而其晶粒细化效果被成型铸造最常用的合金添加剂 — 硅,大大降低 。

二硼化钛(TiB2) 广泛应用于形变铝合金的铸造,变形铝合金极少采用硅合金化;二硼化钛(TiB2)也广泛应用于铸造铝合金,铸造铝合金由于硅含量高,其效作用明显降低。由于缺乏更有效的选择,很多铸造厂仍沿用它。这是铸造业面临的主要挑战,特别是在汽车、 航空航天和其他高性能产业部门,因为铸件越来越复杂。

我们的TSB基金资助采用新开发的晶粒细化剂,我们称之为NGR (Novel Grain Refiner新型晶粒细化剂)的研究,虽尚未经·充分验证,但初期的结果令人振奋。经过我们两年期的项目研发,接着我们将继续与G&W、布鲁内尔(Brunel)大学和捷豹陆虎(JLR)公司一起工作,我们坚信处于测试中的NGR能够显著降低铸造过程中造成的缩松。

NGR可能被视为发动机开发程序游戏规则的改变者, 更确切的说, NGR是重要的,改善铸造过程的一系列措施之一, 需要这些措施以满足更加苛刻的铸件设计, 以及汽车结构铸件开发周期的要求。

采用新的晶粒细化剂能够降低在特定几何形状上普遍存在的缩松。传统上, 在铸件上采用从外部向最终几何形状的零件额外补充金属液的方法以控制缩松。缩松形成在补缩冒口中,因为冒口是最后凝固的区域,随后经机加工去除。采用NGR能显著降低冒口所需的尺寸,从而提高铸造过程中的材料利用率。

这些新NGR系列产品的出现能够更加快速的铸造出来 — 从而减少设计和制造结构铸件的周期 — 同时, 它也将促进复杂几何形状铸件的开发。令发动机设计者特别感兴趣的是, 他们很快就能实现之前由于缩松的影响受到限制的许多发动机的新特征。

虽然我们仍然在测试和验证晶粒细化剂在气缸盖铸件长期结构完整性、可重复性和实际使用性能,但该创新的晶粒细化剂前景光明。新型合金的独立测试尚待进行,然而,晶粒细化剂的重大进展在未来几年里将会促成发动机和其他动力系统的开发方式产生根本上的改变。

与布鲁内尔(Brunel)大学,捷豹路虎(JLR),ESI,AMG Superalloys 和Innoval一同合作,G&W坚信, 这种型式资金支助的研究项目, 对英国工程产业链的长期竞争地位将产生深远的影响。

 

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