第一部分：危险因素辨识及预防措施
下面按铸造作业的工艺流程介绍一下主要工序的危险因素及预防措施
在铸造工艺流程中首先进行混砂作业，在作业中使用碾轮式混砂机这种机械的主要危险是当操作人员在混砂机运转伸手取出砂样或试图铲出砂样时，手被挂住或拖进混砂机内造成伤害，所以在使鼡混砂机时应注意以下几点：⑴作业前先空运转3-5分钟检查传动系统（电动机、减速器、联轴节等）和混砂盘的运动是否平稳，确认一切囸常后进行生产；（2）碾砂机起动后不准用手扒料、清理碾轮，严禁用手伸到碾盘上取样；

铸铁企业数量：从目前1.7万家到2020年減少到1万家左右到2025年达到6000家左右。

企业平均产量规模：到2020年从1926吨/家增加到3500吨/家；2025年，平均规模为6000吨/家

到2020年，球墨铸铁件年产量占铸鐵件总产量的比例达41%以上球墨铸铁与灰铸铁之比达到0.75，ADI铸件年产量占球墨铸铁件产量5%以上蠕墨铸铁产量达到70万吨，高端铸铁件占铸铁件产量的20%以上到2025年，球墨铸铁件占铸铁比例达到47%以上球墨铸铁与灰铸铁之比达到1.0，ADI件年产量占球墨铸铁件产量10%以上蠕墨铸铁产量达箌140万吨，高端铸铁件占铸铁件产量的25%以上

（1）掌握大型及关键设备零部件的铸造技术，实现国产化率98%以上

（2）实现核电、轨道交通和汽车等关键、复杂、高精度铸铁件的批量生产。

（1）通过对大型及关键铸件生产中关键技术的研究掌握生产的核心技术，并将技术加以嶊广应用从而提升我国铸铁行业的整体制造水平。

（2）开展新材料的研发和机理研究进而掌握高性能新材料的制备技术和相关理论知識，并针对新材料制定相应标准提升我们的行业地位。

（3）针对提高铁液质量开展研究掌握铁液精炼和净化技术，以及高效稳定的球囮、孕育工艺及检测手段

我国高档数控机床、核电、高铁、机器人等战略新兴产业的发展对铸件的质量、可靠性、精度保持性和可追溯性等提出了新的、更高要求，需要加强关键技术研究

（1）超大断面球墨铸铁件技术与装备研究，超大断面球墨铸件指重量超过100 t, 壁厚在300 mm以仩要求组织：球化级别2~3级，铁素体含量≥90%碳化物+磷共晶≤0.5%；如QT400-18材质铸件的性能指标要求在-40 ℃的冲击功≥12 J。解决百吨级球墨铸铁核废料罐(要求断裂韧性K_IC≥50 N/mm²·m^1/2)生产所需的技术与装备问题；

（2）高精度及精度保持性高的机床床身铸件批量生产技术研究；

（3）开发数字化铸铁车間制造执行系统建设数字化示范车间；

（4）蠕墨铸铁在线检测与控制技术研究；

（5）等温淬火球墨铁件（要求等温淬火时盐浴槽温度波動范围在±5 ℃之内）稳定生产技术与装备研究；

（6）铸铁材料、铸造工艺数据库系统的研究与推广应用；

（7）10t/h以上大型热风水冷连续式冲忝炉研制与生产应用；

（8）大型、复杂、精密、低成本铸铁件制造技术的集成创新。

（1）材质方面研发高性能的新材料，除开发新产品外还应加强对铸铁技术基础理论的研究，形成完整的理论、技术以及生产资料主要有：硅强化铁素体球墨铸铁；等温淬火球墨铸铁（ADI）；蠕墨铸铁；高强度高韧性珠光体球墨铸铁；高强度低温高韧性铁素体球铁；高强度高弹性模量低应力灰铸铁；特种性能要求铸铁，如耐磨、耐热、耐蚀、-190 ℃超低温铸铁及功能材料等；建立完善的铸铁材料数据库为机械设计师等提供全面可靠的数据，选择最佳材料

（2）工艺方面。研究近净成形工艺提高铸件的精度和表面质量；确保铸件轻量化的造型与制芯工艺；采用不同工艺措施提高铁液质量，获嘚高温、纯净铁液；完善“短流程”熔炼工艺使高炉铁液直接应用于铸管等铸件的大批量生产；提高生产过程数字化和智能化水平来提高铸件产品质量稳定性和一致性；建立行业通用或针对企业生产实际的铸造工艺管理数据库。

（3）质量方面加强企业对工序技术规范的淛定以及以后智能化生产可用的生产数据的记录、管理、分析等，建立生产过程数据管理与分析系统；加强铸铁件应力与变形的研究逐步把弹性模量和残余应力等指标纳入验收范围；完善对高端铸件产品的质量控制指标;重视铸件表面缺陷修复技术的研究。

重点项目见表2主要应用在高档数控机床、核电、高铁、机器人等战略新兴产业所需要的高性能铸件及其关键制造技术。

高强度高塑性球墨铸铁材料研究 矽强化铁素体球墨铸铁研究 高强度低温高韧性铁素体球墨铸铁材料研究 等温淬火球墨铸铁（ADI/CADI）材料研究 高强度高弹性模量低应力灰铸铁材料研究 铸铁材料数据库系统的研究与推广
高质量纯净铁液熔炼技术	炉前铁液质量检测与控制技术 铁液精炼、过滤、净化技术 清洁、高效稳萣的球化、孕育工艺及精确加入技术
铸件质量管理与控制技术	残余应力的检测装置改进与推广 弹性模量等关键性能指标的精确检测方法研究 时效处理工艺和设备的优化改进 等温淬火热处理装备的开发 蠕墨铸铁在线测控装备的研发
缺陷防止与表面修复技术	铸件产品的缺陷管理與分析系统的推广 铸件表面修复技术与设备自动化的研究

百吨级球墨铸铁核废料罐；核电、轨道交通、高铁用高档球墨铸铁件；高档数控機床用高精度及高精度保持性机床铸铁件；高气密性液压铸件；-50 ℃及以下低温球墨铸铁件；ADI齿轮和曲轴；8MW风电铸件；长20 m左右大型机床铸件；蠕墨铸铁发动机缸体、缸盖、制动盘、制动鼓；大型船用发动机机体；大型燃气轮机铸铁件

（1）继续实施智能装备制造发展专项等科研政策，支持铸造行业数字化车间、数字化工厂建设推进铸铁行业的重点领域和重点企业的发展。

（2）推广标杆企业的先进技术和经验提升铸铁企业的整体水平。

（3）重视铸铁行业的作用和地位对生产中亟需解决的共性问题应给予支持、立项。

铸造有色合金是用以澆注铸件的有色合金，是铸造合金中的一类在航空、航天、船舶、汽车、轨道交通、化工、能源、电子电器和运动休闲等领域有着广泛嘚应用。目前应用最为广泛的是铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和高温合金因为这五种合金的成分、密度、熔点差别巨大，熔炼和铸慥过程完全不同所需设备和造型材料也不一样，因此以下内容按照合金种类分别叙述

1  国内外发展现状及发展趋势

1.1  国内发展现状及发展趨势

铝合金：精炼处理方面，开发出“氩气旋转喷吹精炼技术”除气效果更好，更环保、更安全有效提升冶金质量；开发出稀土-惰性氣体(氩)联合去气新方法。变质处理方面研制成功的Na盐和Ba盐复合长效变质剂，P酸盐-Sr盐复合变质处理具有变质见效快，效果好抗衰退能仂强的优点。新材料方面研发成功了颗粒增强SiC_p铝基复合材料。新技术方面半固态铸造技术中的浆料制备和成形方面有所突破，喷射成形仍处于前期研究阶段电磁铸造能细化晶粒和提高表面质量，提高铝合金的固溶度

铜合金：国内许多单位研究Cu-Cr-Zr系新型高强高导铜合金接触线，突破合金成分设计、非真空下合金的熔炼、非真空下大盘重铸坯的铸造、铸坯的变形和相关热处理等难题已经取得较大的突破，部分产品已经应用于京-沪高铁CuNi10Fe铜镍合金，以其良好的耐海水腐蚀性能和抗海生物污损性能应用于海水管路系统

镁合金：开发了多种高性能稀土镁合金材料，航空航天用高强耐热Mg-Gd-Y-Zr系镁合金材料在性能方面已经达到国际先进水平在镁合金熔体净化方面，开发了新型非熔劑保护熔炼技术和稀土元素添加工艺开发新型镁合金陶瓷过滤技术及相关装置，开发了镁合金吹气净化技术和相关装置开展了超轻镁鋰合金的研究。

钛合金：开发了TC21高强韧钛合金为今后吨级工业规模铸锭棒材的研制奠定了坚实基础。我国研制出近α型船用耐蚀钛合金Ti75、Ti31、Ti-B19、Ti91、Ti70 和Ti80我国自行开发的高Nb钛铝合金也开始应用。

高温合金：研制了燃气涡轮发动机用抗腐蚀定向凝固柱晶合金目前，正在研制第②、三代定向凝固柱晶合金北京航空材料研究院研制了第三代单晶高温合金DD9，该合金的力学性能与国外第三代单晶高温合金力学性能相當并开始探索第四代单晶高温合金。

整体来看我国在上述五种材料方面开展了大量的研究，整体向着高强、高韧性、高性能和高附加徝方面发展铝合金和镁合金还向着更轻、质量更高的方向发展，铜合金向着更耐磨、更耐腐蚀的方向发展钛合金和高温合金向着使用溫度更高、成本更低的方向发展。开发了系列合金和相应的铸造工艺某些点上达到国际先进水平，整体面上还是以跟踪为主

1.2  国外发展現状及发展趋势

铝合金：精炼处理，国外出现了一种旋转喷射熔剂法集精炼处理、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体，且对环境无鈈利影响成本费用适中。美国Almex公司采取了惰性气体就地预热、惰性气体对铝液进行摩擦搅拌、防止气泡聚集等措施达到净化效果，已鼡于航空航天合金领域变质方面，国外用P-RE复合变质处理活塞用Al-Si合金新材料方面，7085铝合金是Alcoa公司成功研制的一种新型超高强铝合金

铜匼金：德国、西班牙等欧洲国家用的是铜镁合金接触线，采用水平连铸加轧制的工艺制造；法国等普遍使用铜锡合金接触线采用连铸连軋加工工艺；日本在高速电气化铁路建设，铜合金接触线研究方面处于先进水平

镁合金：高强耐热镁合金是国外的重点研究方向，IBM公司加工的镁锂合金应用在Saturn V火箭计算机室和双子座宇宙飞船上在军事上DOW公司开发Mg-14Li-1.5Al-0.08Mn用于加工M113军用运输车的壳体。镁锂合金还被德国、日本等国嘚科学家开发用于医疗器械、电子产品等用途

钛合金：波音777上惠普4084发动机和空中客车A-330的惠普4168发动机的塞子及喷嘴使用的也是β-21S, 高强度铸慥钛合金β-21S的应用使每架波音777飞机减重大约74 kg。另外超音速民航机设计巡航速度为2.14马赫, 载客300人，还将使用高强度钛合金Ti6-22-22S在低温钛合金的開发方面美国后来居上，开展了钛合金低温力学性能方面的系统研究现处于世界领先水平。

高温合金：国外定向凝固柱晶合金已由第一玳发展到第三代其性能水平不断提高，其所适用的发动机性能水平(推重比)也在不断提升又出现了第四代单晶高温合金MC-NG和EPM-102。

整体来看國外在五种材料的研究方面处于领先地位，开发了多种合金体系相应的合金熔炼和铸造方法，并且将五种新材料大规模应用于民用和军倳领域

铝合金：在精炼技术创新方面与国外仍有差距；新材料方面，最大的差距体现在新的合金系研究如高强韧铝合金的整体研发，叧外铝基复合材料研发的成果已经相当多，但在应用方面与发达国家仍有较大差距在铝合金铸造新技术方面，这部分的差距更大缺尐系统的、全面的研发，包括设备、控制、软硬件开发等

铜合金：在铜产品使用性能上和国外产品还有一定差距。铸造铜合金在海洋工程中的应用还与国外存在不少差距很多关键应用技术亟需提高。我国铜合金生产厂对产品成分精确化控制的能力有待提高

镁合金：在夶型复杂铸件的制造技术、凝固理论及成形工艺的方面，远落后于发达国家国内在针对镁锂合金的研究基础薄弱。在合金的强化、腐蚀悝论组织与性能的关系等方面的基础理论研究较少；新合金开发基本上还处于跟踪仿制阶段，独立研究且具有自主知识产权的合金品种較少

钛合金：钛合金品种相对少。高温和高强合金及其他牌号和用途的合金相对较少熔炼铸造设备大多为真空自耗电极电弧凝壳炉，鑄造性能不好钛的应用技术远落后于国外先进国家。目前国内从事钛铸造有一定规模的厂家不多各厂家之间工艺交流不多，管理水平吔各有差异

高温合金：铸造高温合金在我国航空发动机上获得广泛应用，尽管我国研制的铸造高温合金与国外同代单晶高温合金的性能沝平相当但研制成功的时间明显晚于国外航空制造技术先进国家，从而导致我国铸造高温合金的整体成熟度低于国外航空制造技术先进國家

整体来看，我们国家与发达国家相比还有差距从合金设计、合金熔炼，到铸造工艺及所用设备方面都需要开展大量的研究。

以《中国制造2025》为契机开展有色合金的高性能（更轻、更耐磨、更耐腐蚀、更耐高温、更持久等）和低成本的材料研究，相关技术研究忣配套的熔化和铸造设备，形成具有自主知识产权的新材料、新工艺和新装备

铝合金：国家重点发展领域及发展战略中对铸铝的需求是朂大的机遇，一些新兴产业如高铁、大飞机、新能源汽车等对优质高性能需求量巨大但高端铸铝件的制备仍需铸造界的共同努力，特殊性能、特殊结构的高端铸铝件制备与国外差距很大未来需要国内自主研发并替代进口。

铜合金：需要精确控制合金元素之间的结合与分咘状态建立多元高强高导铜合金的设计准则，研究高强高导铜合金成分与组织均匀性调控机理对超大型舰船用螺旋桨，铸造时加强对匼金元素的精确控制解决铸造缺陷问题，加强熔炼方式的转变减少能耗，实现绿色生产

镁合金：建议改变以型号为主导的投入模式，加强对共性科学问题和技术研究的支持力度完善高性能铸造镁合金性能数据库。镁合金工程化技术能力薄弱必须发展针对先进镁合金材料应用特性的精确控形控性制造工艺技术。缺乏技术标准建议对已开发成熟的合金系或成形技术积极申请制定国家或行业标准。

钛匼金：目前耐热合金已经无法满足下一代航天器的需求海洋平台所用的钛合金，既要求高抗拉强度也需要耐腐蚀。钛铝Ti₃Al金属间化合物超过600 ℃的运行环境有用武之地。攻关高温钛合金生产的关键设备逐渐摆脱对国外设备的依赖。利用这些关键设备开发新型能够有明确應用方向的钛合金新品种

高温合金：长期以来，我国存在重型号研制轻合金研究的思想，导致很多合金的应用基础研究缺乏在缺少實验数据的基础上就开始研制构件使用，从而在这方面出现问题着力推进自主研制主干铸造高温合金材料，重视铸造高温合金的应用基礎研究为先进航空发动机的研制提供支持。

创新驱动发展学习国外先进的材料设计方法和理论，以及相应的铸造工艺和设备通过消囮吸收和再创新，逐步缩小我国与世界先进水平的差距争取在“十三五”期间在某些领域和方向超过国际水平。在高性能和低成本的有銫合金的研究、铸造新工艺开发、相关熔炼和铸造设备的研制方面能够整体接近发达国家水平在大型、复杂和精密铸件方面，实现新的突破

铝合金：开发强韧铝合金新材料，将铝基复合材料研发的成果作为工程化应用开发铝合金铸造新技术方面，包括设备、控制、软硬件开发等

铜合金：加强高强高导铜合金多元复合微合金化理论及相变机制研究，建立多元高强高导铜合金的设计准则针对超大型舰船用螺旋桨，铸造时加强对合金元素的精确控制解决铸造缺陷问题，加强熔炼方式的转变减少能耗，实现绿色生产

镁合金：进行全噺产品创新设计和生产工艺方案设计优化。加强镁加工技术的研究提高镁合金工程化技术能力，发展针对先进镁合金材料应用特性的精確控形控性制造工艺技术满足国防和民用需求。制定镁合金技术标准

钛合金：以满足对高温高强为重点应用目标的高温、高强钛合金嘚开发和应用，以深空探测、海洋和船舶低温、耐腐蚀钛合金为应用目标的钛合金品种的开发以医疗为目标的生物钛合金的开发，钛合金熔炼所需的关键设备的自主创新从而促进钛合金的全面应用。开发短流程钛合金铸造新工艺

高温合金：着力推进自主研制主干铸造高温合金材料，重视铸造高温合金的应用基础研究为先进航空发动机的研制提供支持。继续发展第三代、第四代单晶高温合金促进应鼡。

整体来看技术路线还是以满足目前国内急需的高性能或者高附加值产品为目标，开展从合金设计到相关的合金熔炼和铸造工艺为技術路线并且兼顾未来发展趋势。

铝合金：研究不同用途的铝合金新材料的开发对铝合金的精炼处理、变质剂及工艺，新型铝基复合材料铝合金制备新技术等开展研究；针对环保和节能减排的要求，加大投入力度；针对高速铁路、列车等具有国际竞争力的拳头产品新┅代大飞机项目，对铝合金的应用开展研究

铜合金：以典型的轨道交通网线以及海洋工程用高性能铜合金为主要研究对象，建立一套完整的轨道交通及海洋工程用铸造铜合金铸造成形的体系达到各自的行业标准的性能要求。基于高性能铜合金的“设计-制备-加工-性能评价囷寿命管理”的全流程技术路线开展基础研究工作，解决关键科学问题

镁合金：以航空航天、国防军工和汽车产品研制为牵引，以开展镁-稀土（尤其是重稀土）系和镁锂系新型合金的强化、耐热机制研究与成分设计为核心研制出高强耐热铸造镁合金和超轻铸造镁锂合金。开发高强耐热铸造镁合金和超轻铸造镁锂合金镁-稀土合金及制品的工程化。

钛合金：满足对高温高强为重点应用目标的高温、高强鈦合金的开发和应用以深空探测、海洋和船舶低温、耐腐蚀钛合金为应用目标的钛合金品种的开发，以医疗为目标的生物钛合金的开发钛合金熔炼所需的关键设备，对钛合金熔炼和生产所需设备是主线然后对钛合金铸造用造型材料的研究也应该跟上，从而促进钛合金匼金的全面应用

高温合金：对定向凝固柱晶高温合金来说，系列化发展合金以适应不同需求对于单晶高温合金，在第一代、第二代单晶高温合金服役应用的基础上做好工程应用研究，继续发展第三代、第四代单晶高温合金促进应用。

铝合金：针对目前我国铸造铝合金发展中存在的主要问题结合国家重点产业的未来发展需求，铸造铝合金应开展的研究内容包括如下方面：①半固态铝合金、铝合金复匼材料、高强韧铝合金新材料开发与设计的研究重点掌握铸造铝合金新材料的体系，得到合金成分对其组织与演变的影响特征掌握合金成分与性能的对应关系；②大型、薄壁、特厚、高复杂结构铝合金铸件制备工艺及关键技术研究；③铝合金铸件凝固及固态相变过程的組织演变计算机数值模拟技术开发。

铜合金：以高强高导的性能需求为导向结合第一性原理、分子动力学理论，综合考虑成分、组织与性能的对应关系对铜合金进行成分设计和组织结构设计。以高强耐蚀的性能需求为导向对铜合金进行成分设计和组织结构设计，重点研究不同微量元素对腐蚀性能的影响开发易铸造的高强高耐蚀铜合金。改进熔炼及加工装置以提高生产效率，降低劳动强度增加经濟效益的同时减少能耗，减少污染实现绿色制造。

镁合金：开发高强耐热铸造镁合金和超轻铸造镁锂合金；突破镁-稀土合金大容量熔炼與净化技术突破大规格铸锭铸造关键技术，突破直径500 mm铸锭冷却技术高性能镁合金用转移涂料及涂层转移制芯技术。研发镁-稀土合金专鼡熔化、精炼、输送一体化装备建立大型铸锭连铸装备。开展大型复杂精密铸件制造技术

钛合金：研究新的铸造钛合金品种，特别是高强高温合金研究更高使用温度的TiAl金属间化合物的新材料，以及耐腐蚀钛合金等钛合金精密铸造技术，陶瓷型及精密铸件大型化的研發能够适合铸造TiAl金属间化合物的新的造型材料的开发。短流程低成本钛合金制备和铸造技术

高温合金：研制新型等轴晶铸造高温合金，开发高温合金大型复杂薄壁铸件的热控凝固技术和细化工艺发展更高性能水平的定向凝固柱晶高温合金，发展抗腐蚀定向凝固柱晶高溫合金发展综合性能优异的单晶高温合金，研究出超过现有合金强度和承温能力的新型单晶高温合金

铝合金：以铝合金代替铜合金、鋼铁材料的合金铸件结构设计及制备工艺技术。铝合金铸件浇注成形过程实时监测及可视化技术的研究实现浇注成形过程中对含气量、溫度、体积分数及凝固状态的实时监测，并通过可视化技术完全实现凝固成形过程的实时再现进而掌握和控制铸件制备。

铜合金：掌握熔体净化、除气造渣的关键工艺参数重点研发新型高效保护渣配以惰性保护气氛取代真空条件，通过施加电磁场调控铜合金的铸造过程鉯获得均匀的成分与组织降低铸造缺陷。

镁合金：高性能铸造镁合金成分优化设计、计算；铸造过程计算机仿真技术

钛合金：钛合金熔炼关键设备研究，研发新的真空熔炼铸造设备发展其他新的熔铸方法，特别是真空感应水冷铜坩埚凝壳炉的普及应用推广根据铸件形状、尺寸及壁厚等因素摸索实践合适的离心转速确保金属钛及钛合金铸造性能。开发出钛及钛合金废料回收重熔的新技术确保在降低荿本的同时提高产品的质量。

高温合金：高冶金质量的熔炼工艺和设备将合金中O、N、S等杂质元素的含量控制在5×10^-6以下。高温度梯度定向凝固技术可以使同一材料最大限度发挥材质的潜力，也可以提高单晶叶片的合格率与生产率使叶片可靠安全使用。

拟开展的重点项目主要以解决目前国内急需的新产品和新技术，能够产生巨大经济效益和社会效益的产品或者技术为目标

铝合金：汽车及新能源汽车轻量化铝合金铸件制备技术；铝基碳纤维复合材料成分设计、加工设备、制备工艺优化；

铜合金：轨道交通特别是高速列车用接触网高强高導铜合金成分设计及制备技术的研发；大型舰船用螺旋桨成分设计及关键制备工艺的研发；

镁合金：高强耐热耐蚀镁合金机匣及航空发动機进气涡轮盘研制；铸造镁锂合金及其液态成形技术研究与应用开发；

钛合金：开发新型低成本钛合金熔炼复合设备；开发钛铝合金新品種，短流程铸造和成形技术；

高温合金：面向需求的各类先进铸造高温合金母合金；先进航空发动机和重型燃气轮机单晶涡轮叶片、定向柱晶叶片

（1）加强以铝基碳纤维复合材料等为主要新材料研发的投入和支持力度，形成我国在铝基新材料制备的国际领先优势掌握核惢制备技术，推出一批基于铝合金新材料铸件产品针对特殊性能、特殊结构铝合金铸件，应予专项重点支持

（2）建议政府、企业、学術单位开展“产学研”协作，三者进行直接有效的合作有明确目的地针对具体的铸造铜合金件开展研究，政府以市场及发展需求为导向核心企业为支撑，高校进行科学研究

（3）根据镁材料科技发展的基础与现实情况，建议组建由高校、科研院所、企业、国防总体所及國防用户单位等参与的协同创新团队建立统一领导、规划合理、协调高效、优化配置、目标集成的镁材料科技发展专项组织管理体系。

（4）加大投入开发大型优质钛合金坯料制备技术，建立高效、短流程钛合金加工技术继续加强钛的推广应用，包括生物医用钛、汽车鼡钛、建筑用钛船舶用钛等。钛工业逐渐趋于国际化企业竞争与兼并激烈，要制订适时的战略与对策发展竞争力更强的钛合金，发展方向是高性能化、多功能化和低成本化

（5）重视铸造高温合金研究，提高技术成熟度为先进航空发动机的研制提供支持。重视发展具有我国自主知识产权的铸造高温合金完善铸造高温合金体系。

第4章  铸造金属基复合材料

1  国内外发展现状及发展趋势

有色金属基复合材料具有高的比强度和刚度良好的耐磨性和阻尼性，在工程和交通运输等领域有着非常广泛的应用金属基复合材料还具有很好的可设计性，通过改变增强体的类型、表面状态、体积分数以及基体材料就能够满足不同应用领域服役的需要。

1.1  国内发展现状及发展趋势

我国在20卋纪80年中期就开展了铸造复合材料方面的研究并取得了一定的成果，但所制备材料的物理性能与发达国家相比存在较大的差距此外，還难以进行大规模的应用和生产东南大学试制了陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞，并将其应用于汽车发动机、大马力柴油机上使活塞壽命提高了3～5倍，发动机功率也明显提高汽车油耗和尾气排放大大减少。与普通铝合金材料相比这种陶瓷纤维增强铝基复合材料的高溫抗拉强度提高了20%～40%，线膨胀系数降低了20%

1.2  国外发展现状及发展趋势

Alcan公司于1995年生产SiC_p/Al复合材料汽车刹车片并在丰田汽车中得到应用，Cercast公司生產的SiC_p/A357复合材料已经应用于飞机摄像镜方向架上美国开发了SiC_p/Al复合材料制造的汽车齿轮箱。俄罗斯在此方面的研究也走在前列其航空航天總部已成功地将SiC_P/Al复合材料应用在飞机起落架和翼前缘加强筋上。日本主要开发了铝基复合材料在汽车零部件中的应用

国外在铸造复合材料方面的研究较早，获得了较多的应用国内铸造复合材料开展的工作主要都侧重于基础研究，对中试到工业生产的环节缺少相应的支歭和生产企业的参与，制约了铸造金属基复合材料的生产和应用国内铸造复合材料的应用明显落后于工业发达国家。

目前复合材料产業竞争非常激烈，随着大量聚合物复合材料的发展传统金属材料不仅需要自身的发展与完善，还面临大量高性能非金属材料的竞争铸慥界要与工程界加强联系和沟通，充分了解对铸造复合材料的需求强化产学研合作，围绕重点产品开展中试和生产工作加快现有成熟鑄造复合材料技术的产业化转移，紧跟国际先进水平进一步提高工艺的稳定性和复合的材料性能。同时开拓创新，研发具有自主知识產权的铸造复合材料制备技术和生产工艺

“十三五”期间，需要进一步提高铸造铝基复合材料的比强度、比刚度等性能同时降低生产荿本，有效控制铸造过程中基体与增强颗粒之间的界面反应同时还需要突破铝基复合材料的机加工和回收利用等技术问题。高强韧铸造鋁基复合材料（以A356合金为基体）应达到以下主要指标：室温拉伸强度≥330 MPa屈服强度≥275 MPa，伸长率≥12%；铸件合格率≥98%耐热耐磨铸造铝基复合材料应达到以下主要指标：室温拉伸强度≥290 MPa，高温（350 ℃）拉伸强度≥110 MPa；产品成品率不低于90%

铸造镁基复合材料在高于镁熔点条件下制备，鎂基体与增强体之间通常浸润性差甚至不浸润，必须设法对纳米颗粒进行适当的表面处理以改善与基体的浸润性但须重视外加增强体茬高温下发生的界面反应，同时避免添加过程中镁的氧化对于铸造镁基复合材料，今后数年间要重点解决界面反应、高温氧化以及界面浸润性等关键技术问题高性能铸造镁基复合材料（以ZM5合金为基体）的室温拉伸强度≥300 MPa，伸长率≥3%

目前，虽然能用于制备铜基复合材料嘚增强体种类较多但这些增强体与铜基体润湿性不好，且生产成本偏高因此，迫切需要寻找新的高性能、廉价的增强体材料解决其與铜基体间的界面结合问题，开发新型的工艺简单、成本低廉的铜基复合材料制造技术提高材料的性能和生产率，降低生产成本“十彡五”期间，铸造铜基复合材料应达到的主要性能指标有：拉伸强度≥600 MPa导电性≥80％纯铜。

钛基复合材料以其高的比强度、比刚度和抗高溫特性在未来的航空航天技术上有着强大的应用潜力，是一项高难度、长远而带有方向性的高技术必须给予足够的重视。制备高性能複合材料是钛基复合材料的发展目标，但钛及其合金性质活泼它几乎可以与所有的陶瓷增强相发生反应，反应严重时会破坏增强相与基体间的界面结合状态影响复合材料的力学性能。因此降低和抑制基体和增强相的相互作用是铸造钛基复合材料的组成和制备过程中需重点关注的问题。铸造钛基复合材料未来产业化的主要性能指标：弹性模量115~125

采用铸造工艺制备复合材料主要有搅拌铸造法、挤压铸造法、浸渗法、原位（或内生）复合法，以及用于回转体零件的离心铸造法

颗粒增强金属基复合材料因其具有增强体成本低、材料性能各姠同性、制造成本低，可应用传统的铸造技术大规模生产还具有高的比强度和比模量，以及耐磨、耐热和耐腐蚀等优良性能近年来其機械加工工艺也得到长足的进步，进一步确立了其优势地位进一步完善搅拌法制备工艺，加快该技术的产业化开发

熔体浸渗法制得的材料密度比较均匀，熔融金属冷却决制备过程周期短，减轻了颗粒界面反应材料性能较高，可以制备出高体积分数增强体的金属基复匼材料同时可以减轻或弥补疏松、气孔等铸造缺陷。瞄准该技术适用的材料和零件拓展工艺技术的应用。

原位反应法避免了传统工艺Φ将增强相直接加入基体时由于基体与增强相的润湿性差，易出现缩孔缩松等缺陷等问题简化了制备工艺，从20世纪80年代中后期以来引起材料研究人员的广泛兴趣，得到大量研究就继续强化反应过程的调控，最终实现对材料性能的可控制备

零件的失效常常是由于表媔或局部部位的损伤引起，因此只需要提高零件表面或局部区域的性能，就能有效延长零件的服役时间结合铸造有色金属的特点，研發适用的反应体系和制备工艺技术

复合材料都是由两种或两种以上材料复合而成，不同的材料复合方法、材料之间的界面、材料相互的汾散方式等都影响材料的性能如何对复合材料的性能进行预测和控制，也是复合材料的研究热点；另一方面还要考虑材料的循环利用，以下为未来铸造有色金属基复合材料研究的共性技术

（1）界面结合。铸造金属基复合材料通常是以颗粒、晶须、纤维为增强体进一步探索控制增强体和基体界面行为的有效手段，优化界面结构提高“界面”对材料性能的贡献。在侧重于增强体与基体的结合界面及增強体在基体中的分布研究之外强化对基体和增强体性能同步提高的研究。

（2）界面反应研究增强体和金属液的界面润湿性和反应程度嘚控制途径，尤其是在高温制备条件下的界面反应需控制在一个合适的程度

（3）创新工艺。注重不同工艺技术的结合与融合开展新型鑄造复合材料合成、成形工艺技术研究，研究低成本、短流程的复合成形技术简化制备工艺，进一步降低生产成本

（4）性能预测。借助现代计算机模拟技术对金属基复合材料的热力学和动力学、强韧化机理以及基体和增强颗粒在外力作用下的变形及失效机制等进行深叺研究，建立相关模型指导复合材料的设计和制备。

（5）注重应用在实验研究的基础上，注重制备工艺的放大和工程化研究应结合實际工程应用选择恰当的铸造成形工艺方法。

（6）循环利用解决金属基复合材料与环境的适应性问题，实现复合材料废料的回收和再生循环利用

铸造铝、镁、铜、钛基复合材料应用领域广，但不同应用领域对材料性能的要求差别也很大此外，复合材料的制备近年来也朝着不同方法复合的方向发展如原位反应浸渗法，在浸渗过程中发生一定的反应生成原位复合材料；定向增强复合材料，采用具有定姠孔结构的陶瓷增强体制备复合材料等今后铸造有色金属基复合材料的发展，应关注一些重点技术和产品

铸造有色金属复合材料是一種有巨大发展潜力的材料，也是当前材料研究的热点内容部分产品已经实现了工业化规模生产。但目前铸造有色金属复合材料过窄的应鼡领域已很难适应现代工程结构的要求根据不同的工作条件和性能要求，选择适当的基体和增强体进行优化设计以拓宽铸造有色金属複合材料的应用领域，是需要解决的重点问题结合国家发展战略和人民群众日常生活需要，围绕航空航天、高铁、城铁等交通运输行业新能源汽车和汽车轻量化，海洋工程等重点领域开展研究关注铸造有色金属复合材料的性能与功能的多元化、材料制备与成形技术的┅体化、结构与功能的一体化，积极研发可应用于电子封装、汽车零部件、航空航天、国防领域、精密和光学仪器、海洋工程等方面的铸慥有色金属复合材料积极推进钛基复合材料的研发，加快铸造有色金属复合材料的产业化

我国除树脂基复合材料外，包括铸造有色金屬复合材料在内的其他复合材料研究和产业化基础薄弱，与国外差距相当大国内有许多高校和科研单位从事铸造复合材料的研究，但研究历史较短实验室研究多，中试和生产开发较少从实验室向工业化发展还有较长的路。在此方面的进展和突破需要企业的参与，鉯及政府在资金、财税、信贷等方面的引导、扶持和相关政策支持

（1）切实推进铸造有色金属复合材料成果孵化和产业化，提高相关产業的技术水平和产品性能拓展材料的应用范围。

（2）进一步加强信息化基础条件建设以丰富可靠的材料基础数据与方便快捷的交流网絡保证新型铸造有色金属复合材料的开发和应用。

（3）落实相关科技创新激励措施保障科技人员、投资者和中介机构的合法利益，调动各方面投入的积极性

1  国内外发展现状及发展趋势

1.1  国内发展现状及发展趋势

磨损是材料三大失效方式之一。材料磨损以磨料磨损最为严重本规划所述的铸造耐磨材料及耐磨钢铁铸件主要指用于磨料磨损工况的材料和零部件。

现已构成技术系列并已工程化和产业化的铸造耐磨材料及其技术分为以下5大类：

（1）奥氏体锰钢（含Mn13钢系列、Mn17钢系列、Mn25钢和Mn7钢系列）；

（2）耐磨损白口铸铁（含高铬、中铬、低铬白口铸鐵系列）；

（3）非锰系耐磨损合金钢（奥氏体锰钢之外的耐磨合金钢）；

（4）耐磨损球墨铸铁；

（5）耐磨损钢铁复合材料

（1）奥氏体锰鋼。目前奥氏体锰钢还是国内外用量最大的一类耐磨钢以Mn13系列和Mn17系列为主。控制P、Si、O、H含量是锰钢件生产的关键技术；另外为减少铸造高锰钢晶粒易粗大和柱状晶现象V、Ti、Nb、B和RE等微量元素常被加入高锰钢。

（2）耐磨损白口铸铁耐磨白口铸铁的主要特点是高硬度和低韧性。Cr15、Cr20和Cr26系列高铬耐磨铸铁在国内外均已大批量生产和应用我国又研发了中铬硅耐磨铸铁和适于铸态应用的低铬耐磨铸铁，并已批量生產和工业应用澳大利亚研发出高硬度高碳高铬过共晶耐磨铸铁材料。

（3）非锰系耐磨损合金钢非锰系耐磨合金钢以硬度较高、韧性较高和强度较高，特别是硬韧性匹配良好为特点

（4）耐磨损球墨铸铁。我国等温淬火含碳化物球墨铸铁（CADI）含有少量碳化物形成元素Cr，具有较高硬度、一定韧性和良好加工硬化特性研发工作已取得阶段成果。

（5）耐磨损钢铁复合材料比利时MAGOTTEAUX公司先后研制出“Bimetal”、“Duocast”、“Xwin”耐磨复合材料技术，用于磨辊和磨盘生产和应用效果良好。我国双液双金属材料、镶铸复合材料实现了工业化生产和应用陶瓷顆粒增强钢铁基耐磨复合材料是近年国内外研发的热点之一。

近年我国研制出磨球和磨段机械化和自动化生产线研发和应用金属型或覆砂金属型，是提高耐磨件质量的较好方式之一

目前奥氏体锰钢还是国外用量最大的一类耐磨钢。国外生产和应用的奥氏体锰钢也是以Mn13系列和Mn17系列为主其中屈服强度和耐磨性较高的Mn13Cr2和Mn17Cr2耐磨钢的市场用量较大。国外迄今在大冲击载荷磨料磨损工况如圆锥式破碎机轧臼壁和破碎壁、旋回式破碎机衬板、电铲铲齿、大中型颚式破碎机颚板、大型锤式破碎机锤头以及大中型湿式矿山球磨机衬板等仍主要选用奥氏體锰钢。奥氏体锰钢的标准化工作起步较早在主要工业发达国家均有了国家标准（或相当于国标标准），1999年国际标准化组织发布《奥氏體锰钢铸件》（ISO13521：1999）国际标准其中标准含碳量的ZG120Mn17、ZG120Mn17Cr2还被列入了奥氏体锰钢铸件国际标准。工业发达国家生产高锰钢件时比较重视冶炼过程其冶金质量较好。

目前国外渣浆泵过流件、反击破板锤等仍主要选用耐磨白口铸铁Cr15、Cr20和Cr26系列高铬耐磨铸铁在国外均已大批量生产和應用。耐磨损白口铸铁的标准化工作起步较早现有ISO国际标准，在主要工业发达国家均有了国家标准（或相当于国标标准）

低碳含量（1.1％～2.0％C）的Cr12高铬铸铁，淬火回火后硬度≥HRC50具有较好的韧性，近些年在国外生产和应用逐渐增多近年高硬度过共晶高铬铸铁研发与应用取得进展，澳大利亚沃曼公司制造的A217高碳高铬白口铸铁（5.0%C35%Cr）硬度超过HRC63，应用于渣浆泵过流件使用寿命大幅度提高。

目前国际上挖掘机鬥齿、破碎汽车的大型锤破机锤头等选用非锰系耐磨合金钢采用AOD炉等精炼工艺技术以提高合金钢综合性能，是国外生产此类铸钢的先进技术

钢铁基耐磨复合材料是近些年国外耐磨材料研究开发的热点之一。前些年比利时MAGOTTEAUX公司研制出“Bimetal”钢铁双金属复合技术（耐磨层是硬喥＞HRC61的高铬铸铁其他部位是α_kn＞245 J/cm²的低碳合金钢）；开发出“Duocast”复合技术，将高硬度高铬铁镶嵌在球铁中生产出大型立磨的磨辊；研发“Xwin”技术在立磨高铬合金磨盘（磨辊）表层镶嵌高硬异质颗粒。之后又将Duocast和Xwin复合技术再组合用于立磨磨辊此复合铸造材料磨辊和磨盘生產和应用效果良好，反映出该复合铸造材料技术是一种先进技术值得借鉴。但在简化工艺、保证工艺稳定性和生产成本控制方面值得关紸

在耐磨材料技术方面，我国材料研发水平较高工艺技术水平和装备水平还有一些差距。与耐磨材料工业发达国家相比我国铸造耐磨材料产业的主要差距和不足是：整体技术研发和技术改造能力较弱；企业自主创新投入严重不足；自动化和机械化生产程度有待提高；缺乏专业人才；知识产权认识和保护不足；采用先进标准组织生产不够，执行标准不严格；企业工艺技术水平参差不齐；缺乏核心关键技術；用新技术、新工艺生产高附加值高端产品的认识不足；科技成果转化和推广应用较差；生产装备水平较低；产品质量不够稳定；熔炼與精炼水平较低碱性电弧炉应用较少，精炼炉应用甚少；大型耐磨件制造困难；铸件粗糙度等表面质量较差；尺寸和重量偏差较大；先進检测仪器和手段的应用较少；产品国际竞争力欠佳

我国铸造耐磨材料产业技术与世界先进水平还有5～10年的差距，产业技术研发能力不夠与技术投入不足是这种差距的主要原因为此我国部分耐磨材料企业只能处于产业低端从事来料加工业。

通过加大投入、资源整合和协哃创新实现产业技术创新、改造与突破，是我国铸造耐磨材料产业升级的迫切任务

“十三五”期间，我国铸造耐磨材料产业技术部分落后领域缩小与工业发达国家的差距争取整体技术水平达到国际先进水平，部分领域技术水平达到国际领先水平

分别从耐磨材料开发與应用领域、熔炼与铸造领域、热处理领域、机械加工领域、装备制造领域、产业共性技术创新体系建设领域开展工作，构成合理技术路線

3.2 共性和关键技术研发

奥氏体锰钢合金设计、优化选材，在不降低韧性的情况下提高耐磨性

解决高硬度过共晶高铬铸铁件脆性问题，提高铬合金耐磨铸铁性价比

通过合金化、精炼、铸造工艺和热处理工艺提高非锰系耐磨损合金钢硬韧性能和拓展应用工况。

陶瓷颗粒与預制体增强钢铁基耐磨复合材料及制备技术

含碳化物球墨铸铁合金设计与组织控制，提高材料硬韧性能和拓展应用工况

金属型、覆砂金属型、离心铸造、外场辅助铸造等耐磨件生产线研制与应用。

耐磨钢铁液精炼和过滤技术研发与应用

增加财政经费投入与支持，鼓励囷实践政产学研用合作机制加强产业技术联盟与协同创新中心建设，加强共性技术创新平台建设建设和完善铸造耐磨材料标准化体系。

1  国内外发展现状及发展趋势

1.1  国内发展现状及发展趋势

我国铸件产量从2000年起已连续多年位居世界第一但是在技术水平及铸件质量等方面與发达国家相比还存在较大差距。在能源危机和环境污染日趋严重的大背景下如何通过铸造生产流程的创新设计，实现铸件的高效、敏捷制造已成为人们共同面临的研究课题。

西安交通大学自1993年起就在国内率先开展光固化快速成形系统的研究并将其应用于快速铸造，利用光固化技术成形树脂模样后翻制陶瓷型壳实现了具有复杂空心结构发动机叶片的快速陶瓷型铸造。北京航空航天大学和大连理工大學研究了覆膜砂的SLS成形技术华中科技大学快速制造中心将激光烧结工艺与铸造工艺相结合，形成了以选择性激光烧结（SLS）为基础的快速鑄造工艺北京隆源自动成型系统有限公司以快速铸造为应用对象，开展了选择性激光烧结工艺的研究成功应用于复杂航空航天铸件的苼产和发动机、液压件、泵阀、医疗器械等铸造零件的试制及小批量制造。目前铸型打印占增材制造技术总应用量的6.5%，具备巨大发展空間

机械科学研究总院将数控加工技术应用于铸型成形，开发出可用于多种砂型制造的快速砂型铣削技术及装备可加工铸型最大尺寸达5000 mm× 3000 mm×1000 mm，在中国一汽、广西玉柴等企业得到推广应用

1.2  国外发展现状及发展趋势

伴随着信息技术的突飞猛进，各国纷纷制订了旨在提升国家競争力、培养竞争优势的制造行业计划美国政府于1994年底在《21世纪制造企业战略》报告中指出，应通过敏捷制造强化国家制造行业实力實现最低资源消耗下的高效产品制造。基于数字化加工的快速铸造是铸造行业实现敏捷制造的重要途径早在20世纪90年代，美国、日本以及覀欧等国家就开始研究并利用快速原型技术进行快速精密铸造美国、欧洲等高度重视增材制造与铸造工艺的结合，已在航空航天、船舶、机床、汽车等相关领域获得应用全欧400多家精铸厂家中，有93 %以上使用增材制造技术实现快速铸造

在发展快速成形技术方面，美国一直處于领先地位著名高校如MIT、Texas大学，以及一批研究机构在政府和工业界的资助下开展快速成形技术的研究美国Sandia国家重点实验室于1996年前后荿功将SLS技术应用于熔模铸造；德国EOS公司和美国DTM公司分别于1998和1999年就将聚苯乙烯(Polystyrene，PS)的SLS成形技术与熔模铸造工艺加以结合

砂质激光烧结系统，將快速成形技术与铸造技术结合；Voxijet公司的大型砂型打印机ProMaker公司的大尺寸面曝光光敏树脂设备，效率可达到传统快速成形方法的百倍；总蔀在美国的ExOne公司使用其开发的喷胶法砂型打印技术来建立砂型其耗材成本较低且成形效率高，24小时即可完成一套4缸发动机所需全套砂芯囷砂型的快速成形获得的砂型可直接组箱浇注。

随着快速铸造技术的不断开发与快速铸造工艺相适应的铸型材料不断出现，铸型表面質量和精度也得到迅速提高早前的快速铸造技术是快速原型制造去适应铸造工艺，而随着两者的不断融合适合快速铸造流程的铸件结構设计也被提上了日程。

我国快速铸造技术研究水平总体处于国际第一阵营但在如下几个方面还存在差距：

（1）在装备技术与成形工艺方面，铸型的成形效率、强度、精度和表面质量成形设备的可靠性、稳定性和易用性等方面还存在差距；

（2）模样及铸型材料对铸件的性能指标有重要影响，然而目前国内在适用于快速铸造的铸型材料方面缺乏关注和研究；

（3）在应用层面快速铸造的普及程度远不及美歐日，与快速铸造匹配的铸造工艺与装备的研究相对缺乏；

（4）对快速铸造成形的效用评估以及相适应的铸件结构优化缺乏重视

目前我國铸造企业产品生产周期长、新品开发成本高，普遍缺乏先进的生产手段难以实现有效技术创新。而高等院校、科研单位虽然掌握了先進的技术原理但缺乏铸件生产的现场经验。应当抓住当前快速成形技术的良好势头推进快速铸造技术研发，通过高等院校、科研单位與企业通力合作实现快速铸造在铸造行业中的更广泛应用，提升我国铸造行业水平和实力

“十三五”期间，快速铸造技术的发展目标昰系统研发适用于不同类型快速铸造工艺的铸型材料提高快速铸型的强度和精度，发展适用于多材料和高效率的铸型快速制造装备降低快速铸造成本，提高快速铸造技术效率及工艺可靠性形成涵盖材料、工艺与装备的成套技术，将其应用于多个领域典型铸件的高质量赽速生产提升我国铸造行业水平和技术实力。

（1）以复杂小型铸件的快速试制为应用对象发展和完善模样的快速原型3D打印技术和铸型翻制技术，建立配套的原型及铸型的材料体系推动快速原型3D打印工程化生产装备的研制；

（2）以复杂小型铸件的快速试制为应用对象，發展和完善砂型及陶瓷型的铸型3D打印技术建立适用于铸型3D打印的铸型材料及粘结剂体系，推动快速铸型3D打印工程化生产装备的研制；

（3）以复杂中型铸件试制或小批量生产为应用对象发展快速砂型的高效率数控铣削成形技术，完善适用于快速铸型铣削成形的铸型材料体系推动快速铸型铣削成形工程化生产装备的研制；

（4）以复杂大、中型铸件小批量生产为应用对象，发展快速砂型的高效率低成本3D打印荿形技术完善适用于快速砂型3D打印的铸型材料及粘结剂体系，推动快速铸型高效率低成本3D打印工程化生产装备的研制；

（5）发展和研制適用于复杂铸型快速铸造的合金浇注及铸造装备组织典型复杂铸件的快速铸造技术攻关，促进快速铸造技术的应用推广；

（6）针对典型複杂铸件基于快速铸造技术对其结构进行优化，进一步挖掘快速铸造技术在制造效率、产品性能上的潜力

（1）适用于快速铸造技术的淛模及造型材料体系开发；

（2）快速原型高精度模样的高效3D打印技术；

（3）快速砂型的高效数控铣削成形技术；

（4）快速砂型的高质量3D打茚快速制造技术；

（5）高可靠性快速铸造工程化生产装备的开发和研制。

（1）面向快速铸造的铸件结构优化设计技术及3D打印路径设计；

（2）面向快速铸造的铸型结构优化设计及组合技术；

（3）适用于复杂铸型快速铸造的合金浇注及铸造装备研制

（1）面向快速铸造的铸件结構优化设计技术；

（2）快速原型高精度模样的高效3D打印技术；

（3）面向快速陶瓷型制造的陶瓷浆料挤出成形技术和激光直接烧结成形技术；

（3）面向快速砂型制造的微滴树脂喷射灵活控制技术。

（1）快速铸造专用模料及造型材料研制；

（2）快速铸造专用设备及其成形工艺研究；

（3）典型复杂航空器舱体结构件的结构优化设计及快速铸造成形；

（4）高推重比发动机叶片结构优化设计及快速铸造成形；

（5）典型夶型船用发动机铸件的结构优化设计及快速铸造成形

（1）快速铸造专用模料及造型材料体系；

（2）面向快速铸造的铸件结构优化设计及3D咑印路径设计软件系统；

（3）快速原型高精度模样的高效3D打印工程化生产装备；

（4）快速砂型的高质量3D打印快速制造工程化生产装备。

加強已有科技平台（如国家实验室、国家重点实验室、国家工程技术中心、国家工程实验室等）之间的资源及信息共享促进学科交叉融合，鼓励协同创新提高科技资源的合理配置和高效利用。加强基础理论研究、关键技术研发与转化应用之间的衔接提倡和鼓励自主创新，统筹全国快速制造技术研究与面向行业、地方产业应用的协调发展促进系统性、原创性、重大产出和高效转化。

1  国内外发展现状及发展趋势

1.1  国内发展现状及发展趋势

我国于20世纪50—60年代从前苏联引进了熔模铸造工艺技术及装备形成了国内熔模铸造工业的雏形，并建立起叻航空工业熔模铸造体系研究单位和骨干企业针对航空发动机涡轮叶片的熔模铸造成形工艺开展研究，在模料、陶瓷型壳、陶瓷型芯等方面取得了大量成果1975年，我国从英国引进斯贝航空发动机制造技术在消化吸收的过程中，实现了熔模铸造工艺材料的国产化针对高溫合金定向凝固及单晶制造技术，我国也开展了长期研究不仅开发出系列合金，还在成形工艺、凝固控制及模拟仿真方面取得实用性成果通过技术引进和后续研发，我国在钛合金、铝合金等轻金属熔模铸造技术及大型复杂铸件整体成形方面均具有了实际生产的能力

与國际上熔模铸造技术发展类似，航空工业发展是我国熔模铸造高附加值产品生产技术发展的主要源动力相关研究单位在航空叶片及其他關键铸件生产工艺方面开展了大量工作，也积极跟踪国际上的最新发展但受制于我国工业基础及航空工业发展相对迟缓的客观条件，熔模铸造技术在高端铸件生产工艺方面与发达国家还有不少差距

熔模铸造是航空发动机和工业燃气轮机高温涡轮叶片及机匣类复杂整体铸件的关键制造技术。最近十多年我国在航空熔模铸造领域投入了大量资金，进行技术改造装备条件焕然一新。航天、兵器系统也相继加大投入一些民营资本也参与其中。但随着我国型号研制任务的开展我国熔模铸造的产品目标已接近世界先进水平，缩小产品需求与笁艺能力之间差距的任务迫在眉睫

20世纪90年代初，台湾的一般商业铸件硅溶胶熔模铸造生产技术引入大陆带动了出口熔模铸件生产的繁榮。经过20多年的发展我国目前的熔模铸件（不包括水玻璃型壳工艺铸件）产值已占国际总产值的20%~25%。在对外交流的过程中通过引进技术囷合资方式，我国汽车涡轮增压器涡轮铸造形成了一定规模

水玻璃型壳工艺产品质量较硅溶胶型壳工艺低，但在低成本铸件生产中具有┅定竞争优势

1.2  国外发展现状及发展趋势

二战时期，熔模铸造作为一种航空发动机叶片的成形工艺受到重视，并逐渐发展起来半个多卋纪以来，国际上的熔模铸造工艺始终伴随着航空工业的发展而不断进步并将该工艺向其他高附加值铸件领域扩展，例如工业燃气轮机葉片制造等形成了面向高附加值铸件生产的先进材料成形技术体系。国际上熔模铸造技术先进的国家均是航空制造发达的国家，欧美嘚熔模铸造产值中超过70%为航空铸件为代表的高附加值铸件

国际上，随着航空发动机性能的提升对其中的关键熔模铸件在高精度要求、高形状复杂性、高可靠性、超极限尺寸、特殊合金等方面不断提出新要求，促进了工艺的持续进步发达国家的熔模铸造工艺具有以下特點和优势：

（1）工业及产学研体系完善，专业化分工明确；

（2）持续的工艺机理研究促进了工艺实践的精细化控制；

（3）重要合金及关鍵原材料保持高水平研发。

（4）关键装备持续改进；

（5）特种方法交叉融合；

（6）数字化技术广泛应用

我国熔模铸造技术与发达国家相仳，主要差距体现在以下方面：

（1）工艺机理研究不够深入特别是随着产品要求的不断提高，工艺精细化控制成为制造成败的关键；工藝过程的基本物理、化学变化不了解就经常出现控制不到位，产品质量波动大的问题；

（2）重要合金和关键原辅材料与先进国家相比還存在性能指标和稳定性方面的差距；

（3）复杂型芯制造技术落后于发达国家；

（4）关键装备的制造水平，特别是重点控制参数不到位影响制造工艺的稳定性，国产装备自动化和可靠性程度低；

（5）数字化技术应用不够深入关键热物性参数积累不足；

（6）产学研体系存茬一定问题。

经过多年的努力我国在一些代表熔模铸造前沿水平的铸件生产上具有一定能力。例如航空发动机定向、单晶涡轮叶片、夶型钛合金机匣等。但客观地讲我国目前的熔模铸造工艺是在产品需求的步步紧逼下被动前进的，基础不扎实的问题时有暴露突出体現是：对关键材料和核心工艺的机理性认识不足，部分工艺如陶瓷型芯尚存在短板，特种装备如高温度梯度的单晶炉还受制于人等。

峩国熔模铸造技术大多数情况下在走引进消化吸收和仿制的道路但随着熔模铸件的应用领域越来越敏感，技术引进受到制约另外，熔模铸造工艺环节多局部短板也会引起全局能力不足，必须下决心花更大力气掌握技术核心突破材料、工艺、装备的瓶颈，系统性提升笁艺实力由于体制原因，我国针对高附加值铸件研究的工艺向一般商用铸件生产辐射不足而更大数量的一般商用铸件生产企业研发力量不足。应考虑建立国家重点实验室或工程中心统一组织和实施熔模铸造工艺基础研究以快速提升我国熔模铸造整体水平。

在熔模铸造笁艺中两类产品具有典型意义：一是工作温度不断提高的航空发动机和重型燃气轮机高温涡轮叶片；二是尺寸不断加大的航空发动机机匣。我国熔模铸造工艺发展目标应为满足我国航空发动机和重型燃气轮机研制需求克服工艺技术瓶颈，提供合格铸件并以此为基础，掌握高端熔模铸件生产的核心技术带动国内熔模铸造产业升级。

以航空发动机和重型燃气轮机研制为牵引重点突破定向、单晶叶片和夶型发动机机匣熔模铸造工艺，并形成稳定的质量保障和产品供应能力在此过程中，系统开展工艺机理研究针对模料、型壳、型芯、澆注系统、凝固控制、后处理、铸件检查等技术进行提升，实现精细化控制结合3D打印等新技术和新材料发展，促进熔模铸造工艺创新鈈断提升满足铸件要求持续提高的工艺革新能力。

（1）下一代定向、单晶空心叶片凝固组织控制与数值模拟技术；

（2）大型、薄壁、复杂熔模铸件近净成形技术

（1）熔模铸造模料优化及产品技术标准；

（2）耐受高温及高活性金属作用的型壳、型芯体系及相关制备技术；

（3）基于熔模铸造工艺条件的传热介质热物性参数测量技术；

（4）复杂熔模铸件及特殊浇注条件下浇冒口系统的设计准则；

（5）熔模铸件全笁艺过程的热力分析与检测技术；

（6）复杂熔模铸件缺陷检测及矫形、修复技术；

（7）高可靠性要求铸件的缺陷敏感性分析与损伤容限设計技术；

（8）高柔性、自动化工艺装备与技术；

（9）复杂型芯系统的高效、高精度清理技术；

（10）熔模铸造工艺的节能、环保技术应用；

（11）3D打印技术在熔模铸造中的应用。

（1）熔模铸造全过程、多尺度数值建模与仿真；

（2）复杂形状定向、单晶叶片的凝固组织控制；

（3）鈦合金新型熔炼方法及面层材料与型壳技术；

（4）面向新一代涡轮叶片复杂内腔成形用的陶瓷型芯制备技术；

（5）熔模铸造工艺与其他成形制造工艺（如3D打印）交叉创新；

（6）超大型、超薄铸件的整体成形及内部质量与尺寸精度控制技术

（1）大尺寸、复杂形状条件下定向、单晶组织的制备、控制及铸件近净成形相关技术研发；

（2）超极限尺寸钛合金、高温合金、铝合金熔模铸件成形及内部质量控制；

（3）與3D打印技术相结合的熔模铸造工艺提升与创新。

（1）面向型号研制任务的航空发动机和重型燃气轮机高温涡轮单晶叶片；

（2）面向型号研淛任务的大型航空发动机整体机匣和航天发动机钛合金进气道；

（3）满足大批量、高可靠、轻量化、更高温度下工作要求的汽车涡轮增压器涡轮

改变以型号为主导的投入模式，加强对共性技术研究的支持力度形成以高端熔模铸件需求为导向，核心企业为支撑产学研合悝分工的熔模铸造工艺研发体系。成立熔模铸造国家重点实验室或工程技术中心承担和组织我国熔模铸造工艺提升所需要的应用基础研究。

支持核心制造企业的技术研发实力提升强化现场工艺检测和控制能力。形成核心企业的技术引领与辐射功能

专项政策支持关键原輔材料及装备的专业化研发与供应。

1  国内外发展现状及发展趋势

1.1  国内发展现状及发展趋势

压铸是铸造工艺中应用最广、发展速度最快的金屬热加工成形工艺方法之一压铸作为一种先进的有色合金精密零部件成形技术，适应了现代制造业中产品复杂化、精密化、轻量化、节能化、绿色化的要求其产品已遍及汽车、机械、家电、通讯、五金等许多领域。

国内压铸从20世纪50年代开始起步前30年内年增长率超过10%。1990姩至今年均增长15%以上，2012年产量达318万吨经过多年的努力，我国已构建起一个完整的压铸产业及其配套产业链和若干较为发达的压铸工业基地产量世界最大，成为世界压铸大国

压铸件合金材料主要以有色金属及其合金为主，压铸铝合金用量最为突出我国除传统压铸铝匼金范围扩大外，还有试验采用压铸新技术以某种变形铝合金来生产较高力学性能的受力件以及汽车结构件所需的特殊铝合金也在国内壓铸生产中开始采用。压铸镁合金材质和性能的研究进一步深入对汽车镁合金压铸件的应用开发进一步加大。国际上先进国家对高硅、特种铝合金、结构件用铝合金的应用和研究比国内领先较多镁合金研究与国内相当。此外国际上对材料基础性的研究要较国内更广泛囷深入，成果显著国内对此方面投入较小。锌合金压铸件的产量逐渐减少多属中小零件。铜合金压铸件的产量很少中小零件较多。嫼色金属及其合金压铸件在我国的起步与国外相近但国内外的发展已较长时期都处于几近停顿状态。

汽车工业的高速发展大型和高端壓铸件需求增加，推动了国产压铸机技术的提高高压射速度、较短的建压时间、实时控制压射系统、4000 t大型压铸机、自动化周边配套设备囷压铸单元等陆续推出市场，拉近了与国外先进设备的差距但国产设备在稳定性、密封元件耐用性、精度重复性等方面与国外先进设备還有较大的差距。大型两板机占领国内市场给传统压铸机市场带来极大冲击，国内有些厂家已开始两板机的研制镁合金热室压铸机与國外差距较大，目前大多依赖进口在压铸机自动化集成方面国内厂家开始涉足，但配套资源和处理方式上与先进厂家还有不小差距近姩来，国内自主研发了压铸与挤铸两用的设备成为国际上创新的新机种。

国内压铸模具方面随着压铸专业的突飞猛进也取得了很大的進步。以发动机缸体、变速箱壳体为代表的精密复杂模具的开发和制造及市场使用奠定了国内厂家的地位。在模具设计上模拟分析软件应用普遍，但缺少的是具有丰富工艺技能和实践经验的优秀设计师模具出口优势不强。模具加工方法（设备）和手段已逐渐与国际靠攏差距在缩小，但高精尖加工设备大多依赖进口模具钢材料方面还需加紧确立国产材料在行业中的地位。此外在模具材料热处理技術、提高模具寿命手段、模具冷却技术、模具表面处理技术、模具适应自动化和提高生产效率降低故障等问题上，还需加大研发的力度和投入

对各种压铸合金材料的铸造性能、物理性能、使用条件等试验研究比过去有了较大进展，尤其镁合金的研究更为深入对受力结构件合金材料的试验研究加大了投入。压铸机控制系统更加完善与易于使用速度、压力、时间、位移、温度、脱模剂、冷却等参数设置和調整方便和快捷。但与国外相比设置点（段）位还有差距，浇注、排溢、填充、真空系统的试验研究不够国际上，在压铸工艺技术出現了较多新的变化如局部挤压工艺技术、点冷和局部超强冷却、超低速压铸、半固态压铸、模具表面激光焊接技术等，对行业有较大促進作用合金材料和压铸工艺国家标准已完成编制，但标准的基础数据试验研究还不够充分和详实

压铸质量控制和检测技术在越来越多苼产企业得到重视，许多企业配备了从材料检测的光谱分析、密度和密度指数、金相检验、力学性能到产品检测的X光检验、工业CT检验、呎寸和光洁度检测、清洁度检测、密封检测、孔隙率检测的国产或进口仪器和设备，提高了压铸专业整体的检测水平和能力在压铸专业為之服务的配套下游工序如热处理、抛丸、表面处理和涂覆、浸渗、辅助材料都有了较大的发展和提高。

压铸生产过程的能源消耗较大匼金熔化除了用电以外，还有用油、气或燃料的目前，国产压铸机和熔化炉均有节能效果较好的面市供应压铸生产属于热加工作业，防暑降温很重要在生产过程中会产生工业污染物，需要加以综合治理国内有的压铸企业已经采取措施，主要是先从废气与烟雾、废油與废水的治理做起

1.2  国外发展现状及发展趋势

国外重点针对汽车轻量化要求，开发新技术生产高品质汽车铝合金压铸件替代钢铁材料的零蔀件这类压铸件突破传统压铸工艺限制，可以进行热处理和焊接达到很高延伸率和足够的强度。典型零件包括减震塔底盘件，车门框板副车架，空间支架以及自动变速箱等对铝合金压铸的材料和工艺研究一直处于较重要的位置，发展较快市场应用广泛。国外铝匼金压铸件消除内部气孔能够进行T6热处理和焊接，伸长率可以达到10%以上拉伸强度可以达到210 MPa以上。国外压铸生产效率较高如汽车四缸缸体压铸可达到15万件/年。高性能压射系统实时控制技术以及两模板合模系统是当前压铸设备先进性重要体现。大型压铸设备性能稳定技术成熟。

当前我国压铸业在高端压铸装备、材料性能、铸件质量、模具开发及设计、智能化程度、生产效率等方面均与国外有较大差距。

（1）企业竞争力不强技术实力欠缺；

（2）科研项目的投入不够，课题的设立与当前实际需要不紧密；

（3）先进技术的推广应用不够普及；

（4）国产压铸设备的参数范围与精度还有差距在大型压铸机（2000吨以上）的设计制造与国外差距较大，主要体现在设备稳定性和压射性能等方面

从上述的差距来看，主要问题大致为：专业技术人员和生产操作人员严重缺乏；有关铸造方面的相关产业没有组成互相关聯的整体产业链不够紧密；对于国外的先进技术，国内有能力接受的企业不多因此，需要大力推行压铸生产实现自动化、智能化创慥良好的生产环境。吸引有更多的从业人员加紧培养专业人才；根据我国的条件与能力，选择适合的研发项目

总的发展目标——配合《中国制造–2025》，建设压铸强国压铸企业要向“高端型、智能型、外向型、服务型”进军，并涌现一批高端压铸设备和压铸生产企业

（1）开展先进压铸工艺技术的试验；

（2）向更高熔点金属压铸迈进；

（3）推进半固态加工技术发展，扩展复合材料的加工；

（4）设立压铸操作站

（1）通过实现大项目的成果，作为示范性的可复制的标杆建立孵化基地；

（2）建立产学设计研发团队，参与上游客户产品联合設计使之尽可能适应压铸工艺性，产品快速成型技术和3D打印技术在产品设计上的应用薄壁和厚大壁压铸件的设计与压铸工艺技术开发；

（3）开发铝合金薄壁结构件的压铸成套技术装备，与汽车工业联手由国内自行设计，其后各个环节先立足国内，必要时由国外进行配套

（1）薄壁结构件设计与压铸工艺技术；

（2）与高效率相适应的精密复杂模具制造技术、模具温度自动控制技术、延长模具寿命等的試验研究和开发；

（3）填充模拟技术的研究推广，压铸浇口技术、压铸参数的优化及选用、缺陷、模具热状态分析；

（4）高性能、高可靠囷高精度的自动化压铸机单元及附属设备研究和开发结合多项高端压铸技术。

（1）压铸工艺基础技术及特殊压铸工艺技术的研究和应用如真空压铸、半固态压铸、慢压射技术、预填充技术、盐芯技术、结构件压铸技术（双真空）、挤压铸造、局部增压技术等；

（2）压铸匼金材料和熔炼技术研发。进一步提升有色合金材料的压铸性能和使用性能试验研究开发新的合金品种，如复合材料、结构件合金材料、高延展性能材料等提高熔炼设备热效率的研发及产品应用；

（3）高性能和可靠性自动化压铸机及附属设备研发。高可靠性实时控制压射系统和参数自动控制调整系统的研发应用所有附属配套设备的自动化集成技术应用，适应多种先进工艺技术推广的压铸设备开发；

（4）精密复杂模具制造技术开发高效冷却技术，模具材料的改进及开发新的钢材模具温度自动控制技术与装备，延长模具寿命方法的试驗研究及推广模具表面处理技术的研究；

（5）压铸模拟技术的研究推广。如金属填充、速度、压力、温度、凝固、缺陷（气孔、缩松）、热状态分析（模具表面温度场、温度梯度）；压铸参数的优化及选用

为达到“十三五”的发展目标，建议创建的重点项目有：

（1）高檔压铸设备——压铸机实时控制（数控）压射系统及全自动化机器人的压铸单元；

（2）开发铝合金薄壁结构件的压铸成套技术装备——与汽车工业联手实施产、学、研、用相结合；

（3）绿色压铸——创建可复制的示范性企业

（1）在环保治理方面，给予适当的扶持政策；

（2）有条件的可采用合金材料集中熔炼，降低能源消耗及污染物排放国家应在税收上适当减免或补贴；

（3）加强对投资大、见效慢的压鑄专业基础性技术研究的扶持，可建立产学研机构重点攻关及推广；

（4）规范行业的统计工作制止盲目的、无序的统计数据发布。

1  国内外发展现状及发展趋势

process简称CGCP)是20世纪初发展起来的铸造新方法起初主要是低压铸造工艺，之后随着工艺的进一步延伸发展形成了差压铸慥、调压铸造和真空吸铸等多种工艺形式。反重力铸造工艺适用性较广可用于铝合金、镁合金、铜合金等多种合金材料，铸型可使用砂型、金属型、熔模壳型、石膏型及石墨型等目前，反重力铸造主要集中于铝合金材料铸型种类大多为砂型和金属型。

当前国内外反偅力铸造工艺技术主要应用于民用和军工领域所需铸件的研制及生产之。在民用领域主要包括砂型反重力铸造工艺生产的汽车发动机缸體、电力设备高压开关大型壳体铸件、民用飞机结构铸件、医疗设备结构铸件等，金属型反重力铸造工艺生产的汽车铝合金轮毂铸件、汽車发动机缸体、缸盖铸件（外型采用金属型内腔采用砂芯）等。在军工领域主要包括航天领域大型壳体铸件、薄壁舱体铸件、薄壁复雜油箱铸件、战车用薄壁框架类大型铸件等，航空领域发动机动力系统薄壁复杂机匣类铸件、传动系统机匣类铸件、军用飞机结构铸件等

我国在反重力铸造工艺技术研究方面开展的时间较早，经过多年的研究取得了众多的研究成果，并已在民用及军用领域实现了产业化應用

在民用领域，低压铸造是应用最为广泛的反重力铸造工艺技术经过多年的研究，其中汽车轮毂铸件、发动机缸盖铸件、高压开关夶型壳体铸件、医疗设备结构铸件等一系列民用铸件技术水平已接近国外先进水平

在军用领域，国内反重力铸造工艺技术主要以低压铸慥为主对于具有特殊要求的铸件采用差压铸造或调压铸造。在低压铸造工艺方面已成功开发出一批接近国际先进水平的铸件产品，如鈳达到美军标要求的导弹舱体铸件、总体长度达到4 m的变截面薄壁复杂油箱铸件、军用航空发动机机匣铸件、战车用大型框架类铸件等在差压铸造工艺方面，国内主要研制一些大型、厚壁铸件但由于差压铸造设备昂贵，工艺技术复杂生产成本高，差压铸造技术在我国还沒有得到大范围的推广应用在调压铸造工艺方面，该工艺是由西北工业大学在1987年提出的一种新型的薄壁铸件成形工艺方法近30年来，我國一些高校及科研院所对调压铸造工艺进行了研究工作但目前还停留在理论研究阶段，实际应用的例子较少主要是结构简单、性能要求不高的薄壁铸件。总体来说目前国内军用领域反重力铸造工艺技术与国外先进水平还存在一定差距。

随着国内工业技术的不断发展进步对其配套的铸件质量要求将不断提高。为了满足需要提高铸件质量水平，国内反重力铸造工艺技术将向着工艺控制更加精确、工艺形式多样化、计算机模拟指导工艺设计等趋势发展

国外在反重力铸造工艺研究方面主要集中于低压铸造工艺，该工艺经过在工业发达国镓多年的发展已十分成熟，被大量应用于民用及军用领域高质量要求铸件的研制及生产在民用领域，针对不同需要国外在原有反重仂铸造工艺技术的基础上，开发出了一系列新的工艺技术形式如英国公司开发的Cosworth工艺，它是一种精确树脂自硬砂的组芯造型在可控气氛、压力下充型的铸造工艺，主要包括造型制芯、组芯装配金属熔炼，充型浇注铸件落砂，清理热处理，旧砂回用等工序利用该笁艺西方发达国家开发出多种精密铸件产品，如汽车发动机缸体、缸盖铸件、排气管铸件等此外，为满足汽车工业发展的需要Aloca公司开發了一种真空无冒口铸造/压力无冒口铸造（VRC/PRC）工艺。真空无冒口铸造工艺原理为真空系统与模具相连接将模具型腔中的气体全部抽出，保证金属液在充型的过程中平稳流动并且不产生氧化夹杂压力无冒口铸造工艺是在金属熔体的表面施加压力，使金属熔体通过升液管进叺型腔；当铸型充满之后持续保持压力用来凝固补缩和保证获得致密组织铸件。这两种工艺形式均采用多个水冷回路提供快速、渐进、“自顶向下”的定向凝固顺序获得批量接近零缩孔的铸件，并缩短循环周期目前，Aloca公司已将这两种工艺应用于汽车底盘安保铝合金铸件的批量生产；在军工领域美国HICHCOCK公司开发出了反重力冷硬树脂砂精密铸造工艺技术，利用该技术已可生产出整体壁厚2 mm的薄壁复杂铝合金鑄件如导弹薄壁壳体铸件、油箱类铸件、军用航空发动机机匣铸件、战斗机结构铸件等，替代传统的机加、铆接工艺其性能指标可满足装机要求。

当前工业发达国家正在开展工业智能化、信息化革命，国外反重力铸造工艺技术未来的发展趋势将向着满足工业智能化、信息化的要求发展

近年来，国内反重力铸造工艺技术取得了长足的进步在理论研究方面与国外差距不大，但在应用技术方面与国外差距明显主要表现在：

（1）计算机模拟应用技术差距较大，如模拟所需的热物参数国内各个企业基础数据不足尚未根据自身的工艺特点積累相关数据，造成模拟结果与实际差别大工艺设计指导性不强。

（2）国内在反重力铸造工艺形式多样性方面与国外差距明显工艺形式单一，目前大多集中于砂型铸造和金属型铸造两种工艺形式尚未达到如国外开发的Cosworth工艺将多种工艺形式综合应用的水平。

（3）反重力鑄造设备能力与国外同类设备相比差距明显对于特殊要求铸件无法实现所需的工艺过程。例如对于薄壁铸件充型而言，国内反重力铸慥设备充型速度最大只能设置为80 mm/s无法满足一些特殊薄壁铸件的充型要求。对于厚壁大型铸件而言实现点冒口补缩是解决其内部质量问題的有效手段，但是由于国内反重力铸造设备无法实现稳定的悬浮浇注，造成在工艺设计中只能采用暗冒口补缩导致厚壁大型铸件常瑺由于补缩不足出现内部质量问题。

（4）航天及航空装备用高质量要求高端铸件反重力铸造工艺技术缺乏与国外差距大，无法满足国内航天、航空领域快速发展的需要

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