裝備制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，是國家綜合國力的重要體現(xiàn)。自從2016年以來，我國裝備制造業(yè)總產(chǎn)值已超過20萬億元，占全球比重超過三分之一，居世界首位。但是，我國高端裝備制造業(yè)產(chǎn)值比重僅占10％，發(fā)展緩慢，其中高端大型鑄件是影響高端裝備制造業(yè)快速發(fā)展的瓶頸之一。 

大型鑄件是裝備制造業(yè)大型關(guān)鍵零部件的重要組成部分，是衡量一個國家或一個地區(qū)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著國防、航空航天、高鐵、礦山、船舶、冶金、電力等行業(yè)向大型化的快速發(fā)展，對大型鑄件特別是百噸級鑄鋼件的需求量日漸增加，且對其質(zhì)量要求也越來越高，大型鑄鋼件生產(chǎn)已成為裝備制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 

我國的大型鑄鋼件制造能力已成為世界第一，具備一次組織1 000 t鋼液、生產(chǎn)600 t鑄件、澆注600 t鋼錠的能力。但我國仍不是大型鑄鋼件生產(chǎn)強國，關(guān)鍵是缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)研究成果，致使目前我國生產(chǎn)的大型鑄鋼件低端產(chǎn)品嚴(yán)重過剩，高端產(chǎn)品供應(yīng)不足。百噸級大型鑄鋼件在生產(chǎn)過程中具有許多難點：①鑄件重量大（100~600 t），需要多爐同時熔煉高純凈鋼液，夾雜物形態(tài)與分布難以控制；②鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓頭高，型腔壓力大，工藝設(shè)計沒有借鑒，鑄造工藝影響因素多而且復(fù)雜；③鑄件凝固時間長，難以形成自下而上順序凝固的溫度梯度和冒口有效補縮；④鑄件按照國外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波、磁粉探傷檢測，技術(shù)要求高。 

為使我國大型鑄件的生產(chǎn)水平達(dá)到并能趕超世界先進(jìn)水平，急需提升基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)水平，以便滿足高端裝備制造業(yè)快速發(fā)展的需要。我國鑄造領(lǐng)域的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員密切合作，針對大型鑄件中最具特色的百噸級大型鑄鋼件生產(chǎn)中的技術(shù)難點，以100~600 t大型鑄鋼件為研究案例，利用計算機凝固模擬技術(shù)，耦合流動場和溫度場變化，結(jié)合大型鑄鋼件缺陷形成規(guī)律，開發(fā)了大型鑄鋼件鑄造工藝設(shè)計原則，形成了快速充型、加快凝固、防止偏析的多包合澆技術(shù)訣竅，建立了從宏觀力學(xué)角度分析夾雜物微觀力學(xué)行為模型，開發(fā)了專用稀土復(fù)合精煉變質(zhì)劑，研制了保溫冒口覆蓋劑材料。生產(chǎn)出了符合國際船級社、大型礦山裝備標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量鑄件，解決裝備制造業(yè)用百噸級鑄鋼件生產(chǎn)的難題。掌握了大型鑄鋼件在成形過程中的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝等核心技術(shù)，滿足了我國快速發(fā)展的裝備制造業(yè)對大型鑄鋼件的重大需求，有力地推動了大型鑄鋼件生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步。

1　鑄鋼熔煉及凈化技術(shù)

鑄鋼件具有較高的強度和良好的韌性，適用于制造承受重載荷及經(jīng)受沖擊和震動的零件。近幾年來，中國鑄鋼件產(chǎn)量在鑄件占比中穩(wěn)步增漲，截止2020年底產(chǎn)量占比升至12.2%。好的鑄鋼件需要優(yōu)質(zhì)的鋼液，通過機械化、自動化、數(shù)字化、智能化技術(shù)不斷發(fā)展及深入應(yīng)用，工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，采用煉鋼新技術(shù)，國內(nèi)外在鑄鋼熔煉及凈化技術(shù)水平方面都有很大的提升，鋼液質(zhì)量不斷提高。 

鑄鋼生產(chǎn)上應(yīng)用最廣泛的是電弧爐煉鋼，在一些小型鑄鋼件的生產(chǎn)中，感應(yīng)電爐應(yīng)用也比較普遍。通過電弧爐煉鋼，在鋼液中仍存在氣體和非金屬夾雜物，微量元素也難以控制，對于質(zhì)量要求較高的鑄件很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，影響鑄鋼件性能。隨著爐外精煉技術(shù)和真空處理技術(shù)的發(fā)展，與電弧爐和感應(yīng)電爐相配合，形成聯(lián)合熔煉精煉技術(shù)，極大提高了鋼液的純凈度和冶煉，使鋼的力學(xué)性能，特別是韌性大為提高，為高強度鑄鋼、超高強度鑄鋼、特種鑄鋼和不銹鋼的生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。 

國內(nèi)一些企業(yè)和研究單位對鑄鋼熔煉和凈化技術(shù)也開展了很多研究工作，大型鑄鋼件金屬熔煉中成分的精確控制技術(shù)，雜質(zhì)及有害元素去除技術(shù)，真空凈化除氣技術(shù)等方面都取得了顯著成效，對促進(jìn)大型鑄鋼件向高水平、高質(zhì)量發(fā)展有著重要作用。但目前我國一些鋼種的潔凈度水平還低于國外先進(jìn)水平，O、N、S、P、H等雜質(zhì)元素總和比國外高20×106左右。 

目前我國鑄鋼市場產(chǎn)能過剩，市場競爭越來越激烈。勞動力成本和鑄造原材料成本的增加，普通鑄件的價格反而越來越低。企業(yè)的根本出路是提高技術(shù)和管理水平，生產(chǎn)高質(zhì)量、高附加值的鑄件。目前，鑄鋼冶煉領(lǐng)域的發(fā)展趨勢主要是以下幾個方面。

（1）鋼液熔煉向高純凈度鋼液技術(shù)發(fā)展，嚴(yán)格控制熔煉過程，控制S≤0.005%、P≤0.012%、O≤30×10-6和H≤5×10-6。通過鋼液精煉，控制微量元素，提高鋼液質(zhì)量和保證鑄件質(zhì)量穩(wěn)定性。

（2）開展綠色鑄造技術(shù)，提高清潔化生產(chǎn)水平，鋼液熔煉向智能化方向發(fā)展，通過機械化與智能化控制冶煉過程，減少人為操作過程的不確定性。

（3）在冶煉和鑄造工藝設(shè)計過程中，采用計算機模擬技術(shù)，了解冶煉材料特性，模擬鑄件的充型、凝固過程，從而優(yōu)化工藝，提高鑄件質(zhì)量。

（4）繼續(xù)開展高端鑄件的材料及冶煉工藝研究，尤其對高端鑄件熔煉過程中有害元素及標(biāo)準(zhǔn)成分的優(yōu)化問題。完善鑄造材料工程應(yīng)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如海工裝備用耐海水腐蝕雙相鑄造不銹鋼材料體系等，建立起以服役條件為指導(dǎo)的質(zhì)量及制造體系。

（5）開展新型發(fā)電設(shè)備用大型高端鑄鋼件鑄造技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)擺脫對部分核電設(shè)備用大型不銹鋼鑄件和新型火電設(shè)備用耐高溫鑄件進(jìn)口的依賴。國內(nèi)特大型合金鋼鑄錠熔鑄過程內(nèi)部缺陷控制技術(shù)和極端工作條件下服役過程可靠性仍需攻關(guān)。

2　新型鑄造合金鋼

隨著科技的發(fā)展，各個行業(yè)對鑄件的使用要求愈來愈高，為滿足市場需求，國內(nèi)外企業(yè)在現(xiàn)有鋼種基礎(chǔ)上進(jìn)行不同程度的優(yōu)化和創(chuàng)新。為響應(yīng)國家政策，鑄造業(yè)朝著輕量化、綠色化方向發(fā)展，國家在鑄造新技術(shù)發(fā)展趨勢中提到開發(fā)新型鑄造合金鋼，發(fā)展含氮不銹鋼等性價比高的鑄鋼材料。

2.1　新型抗蠕變鑄鋼

抗蠕變鑄鋼是一種被廣泛應(yīng)用于超臨界和超臨界汽輪機上的特殊鋼材。材料成分復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)范圍窄、技術(shù)要求高，生產(chǎn)難度極大；國內(nèi)廠家設(shè)備、工藝相對落后，生產(chǎn)的鑄件常因氣孔、裂紋等缺陷報廢。 

而歐洲研制出含Cr量9%~12%的新型抗蠕變鑄鋼GX-12CrMoWVNbN10-1-1，主要應(yīng)用于機組中的重要部件如主汽門閥殼、再熱主汽門閥殼等，在100 MPa、600 ℃的使用環(huán)境下，壽命可達(dá)100 000 h以上。

2.2　低碳鎳鉻鉬鑄鋼

該類鋼在大型重載裝備上應(yīng)用較為廣泛，典型材質(zhì)如1E4762，屬高韌性低碳鎳鉻鉬鑄鋼，等同于國內(nèi)ZG20CrNi2Mo牌號，具有強度高、耐磨性好、擁有高強度高耐磨性的同時具備良好的塑韌性，在-40 ℃條件下，V型沖擊功達(dá)50 J以上。主要用于斗輪挖掘機等超重載作業(yè)的礦山裝備。

2.3　超級馬氏體不銹鋼

04Cr13Ni5Mo是針對水電站研制的一種水電專用不銹鋼，屬于典型的超級馬氏體不銹鋼，在普通馬氏體不銹鋼基礎(chǔ)上降低C、N、S含量，增加一定量的Ni、Mo等合金元素。憑借其優(yōu)良的綜合性能被廣泛應(yīng)用于水電項目，如水輪機、葉片的原材料，同時在采礦設(shè)備、化工設(shè)備、食品工業(yè)、運輸和高溫紙漿生產(chǎn)設(shè)備等領(lǐng)域擁有巨大的潛力。

2.4　無鉬鎳高強度耐磨鑄鋼

該鋼中不含Ni、Mo等高成本合金元素，以廉價Si、Mn為主要合金元素，并加入少量Cr，同時用B和N改善鑄鋼淬透性，用Ca、Ti、Mg和釔基稀凈化凝固組織，該鋼淬火后能抑制碳化物析出，獲得無碳化物的貝氏體、鐵素體和殘余奧氏體。此鑄鋼原料來源豐富，價格低廉，工藝簡單，綜合性能優(yōu)越，使用壽命比高錳鋼提高100%~300%。

2.5　25Cr-20Ni 系耐熱鋼

日本研究開發(fā)了25Cr-20Ni系耐熱鋼材，即在奧氏體系耐熱鋼基礎(chǔ)上（如Fe-20Ni-25Cr耐熱鋼）添加特殊元素，提高合金的高溫強度及熱穩(wěn)定性，該材料作為新型薄壁耐熱鋼已應(yīng)用于轎車、卡車等發(fā)動機排氣系統(tǒng)。

2.6　新型錳- 鉬- 釩系合金鋼

代表性材質(zhì)ZG12MnMoV，ZG12MnMoV是我國為某核電工程主泵蒸發(fā)器支承件研制的錳-鉬-釩系合金鋼，具備傳統(tǒng)鑄鋼領(lǐng)域無法達(dá)到的特殊要求，如安全性、可靠性、抗震性和耐久性。主要應(yīng)用于核電工程主泵蒸發(fā)器支承件，該材質(zhì)的成功研制大大提高了核電站的系統(tǒng)安全，乃至核安全。

3　鑄鋼數(shù)值模擬進(jìn)展

鑄鋼件充型凝固數(shù)值模擬研究最早開始，我國由大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等在20世紀(jì)70年代、80年代陸續(xù)開展。經(jīng)過近五十年努力，已經(jīng)建立了較為完善的鑄造過程模擬仿真研究體系，包括各種鑄造方法，如砂型鑄造、消失模鑄造、精密鑄造等。開發(fā)的模擬分析軟件包括傳熱分析、充型流動、應(yīng)力變形、組織模擬等，也在逐漸將充型凝固過程的模擬擴展到整個鑄件生產(chǎn)過程，如鑄件凝固后冷卻、落砂清理、后續(xù)熱處理等，初步實現(xiàn)了全過程的模擬仿真。 

國外鑄造模擬仿真研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始對鑄造凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬。近60年發(fā)展，鑄造數(shù)值模擬物理量已經(jīng)從最初的凝固過程溫度場擴充至三維的流動場、應(yīng)力場、濃度場、電磁場等，在宏觀方面已經(jīng)較為成熟。后續(xù)基礎(chǔ)研究重點正由宏觀模擬走向微觀模擬，包括毫米級、微米級和納米級，涉及結(jié)晶形核長大、樹枝晶與柱狀晶轉(zhuǎn)變到金屬基體控制及宏、介、微觀之間模型的耦合計算等各個方面。另外，質(zhì)量控制模擬正在由原來的控形向微觀組織模擬、性能及使用壽命預(yù)測的控性方向發(fā)展。 

目前， 商業(yè)化的鑄造CAE軟件主要采用的方法是有限差分法、有限元法、有限體積法等。采用有限差分法的鑄造CAE軟件如國內(nèi)清華大學(xué)的“鑄造之星”、華中科技大學(xué)的華鑄CAE、德國的MAGMASOFT，采用有限元法的鑄造CAE軟件如法國的ProCAST。

鋼錠凝固過程中常產(chǎn)生宏觀偏析等缺陷，易導(dǎo)致鑄鋼錠的微觀組織和力學(xué)性能產(chǎn)生差異。國內(nèi)外也開展了鋼錠在凝固過程中的宏觀傳熱、流動與微觀傳質(zhì)行為數(shù)值模擬研究。從20世紀(jì)60年代開始，宏觀偏析的溶質(zhì)再分配模型經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鑄鋼錠凝固過程偏析數(shù)值模擬已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，如國內(nèi)清華大學(xué)、沈鑄所、華科大等單位做出了較多成果，物理場方面拓展考慮了溫度、成分以及速度等；尺度方面已經(jīng)實現(xiàn)宏觀與微觀尺度的結(jié)合，并向原子尺度擴展。因此，多物理場耦合和多尺度模擬也成為了其發(fā)展趨勢。相對于鑄鋼件充型凝固過程，鋼錠的商業(yè)化軟件成熟度要低一些。目前較多的應(yīng)用是結(jié)合具體的實例，影響力較大的商業(yè)化軟件還需進(jìn)一步的應(yīng)用研究。

4　鑄造企業(yè)集成制造數(shù)字化管理系統(tǒng)

21世紀(jì)信息技術(shù)的爆發(fā)帶動了整個制造業(yè)的發(fā)展，制造系統(tǒng)集成式創(chuàng)新不斷發(fā)展，形成了新一輪工業(yè)革命的主要驅(qū)動力。計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）于20世紀(jì)提出，例如鑄造行業(yè)ERP，作為傳統(tǒng)鑄造與現(xiàn)代管理及信息化高新技術(shù)相結(jié)合的典范，它是鑄造企業(yè)長期建設(shè)和發(fā)展的方向，也是助力鑄造企業(yè)騰飛的生產(chǎn)力。鑄造企業(yè)的信息化建設(shè)，是企業(yè)生存和發(fā)展的需要，對信息化技術(shù)的開發(fā)和利用已經(jīng)成為鑄造企業(yè)提升核心競爭力的最重要手段之一。 

在鑄造生產(chǎn)智能排產(chǎn)方面，優(yōu)化生產(chǎn)計劃是提高資源利用率和企業(yè)運行效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。例如基于人工蟻群算法解決打磨工序調(diào)度問題、回溯搜索算法與教與學(xué)算法解決熱處理裝料問題。科學(xué)地部署生產(chǎn)計劃能夠有效提升整個企業(yè)水平，在實現(xiàn)生產(chǎn)車間硬件的管理的同時，將遺傳算法等優(yōu)化算法引入進(jìn)來，對于單件小批量砂型鑄造企業(yè)而言，建立熔煉澆注爐次計劃等的組合優(yōu)化問題模型、基于爐次計劃模型開發(fā)爐次計劃系統(tǒng)具有重要的工程意義。 

在鑄造工藝智能設(shè)計與質(zhì)量智能檢測方面，近年來，學(xué)者基于多源數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等新思路新技術(shù)，實現(xiàn)工藝分析優(yōu)化與缺陷識別。華中科技大學(xué)材料學(xué)院針對鈦合金鑄件內(nèi)部缺陷提出了選擇性搜索與均布式卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、改進(jìn)的深度密集卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可有效解決缺陷檢測識別問題。 

智能制造的前景與應(yīng)用被廣泛認(rèn)可，近些年學(xué)者將目光聚焦于如何讓數(shù)字孿生在制造業(yè)實現(xiàn)應(yīng)用。北航自動化學(xué)院的陶飛等人提出數(shù)字孿生車間概念，闡述了其組成、特點等，為數(shù)字孿生未來的應(yīng)用提供了技術(shù)和工具參考。北理工機械與車輛學(xué)院的熊輝團隊提出了多層次三維可視化監(jiān)控模式并開發(fā)了原型系統(tǒng)。2021年關(guān)于鑄造企業(yè)數(shù)字孿生的研究開始有一些報道。 

在我國鑄造行業(yè)，已有部分企業(yè)在智能制造方向走在了前列。在未來發(fā)展過程中，筆者認(rèn)為具備雙向數(shù)據(jù)集成與安全控制的智能化鑄造裝備技術(shù)、高柔性化鑄造生產(chǎn)與檢驗裝備技術(shù)、大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)云端技術(shù)、人工智能技術(shù)等都會是鑄造企業(yè)實現(xiàn)階段式突破的源動力。智能化鑄造將會從部分點的智能化應(yīng)用逐步向“多點”乃至“面”的智能化應(yīng)用方向發(fā)展，進(jìn)而催發(fā)越來越多的新興技術(shù)。

5　特種鑄鋼生產(chǎn)新技術(shù)

隨著航空航天、軍工、化工和高端汽車等行業(yè)高速發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造方法已無法滿足高品質(zhì)要求，特種鑄造生產(chǎn)新技術(shù)，如電渣熔鑄、連軋連鑄、消失模鑄造、半固態(tài)鑄造和激光熔覆等技術(shù)得到大力推廣。通過優(yōu)化鑄型制造工藝、改善充填及凝固條件等方法，實現(xiàn)鑄件近凈成形、質(zhì)量優(yōu)異、尺寸精度高、生產(chǎn)效率高和環(huán)境污染少，并逐步實現(xiàn)自動化、智能化。

5.1　電渣熔鑄技術(shù)

電渣熔鑄技術(shù)具有組織致密、純凈度高和成分均勻等特點，應(yīng)用于綜合性能要求較高零部件毛坯。國外以美國、德國和瑞典等為代表，其電渣重熔裝備和技術(shù)較為成熟，并大范圍推廣應(yīng)用在航空航天、軍工和核電等行業(yè)。我國在理論研究方面，如熱平衡計算、渣系開發(fā)和熱平衡計算等貢獻(xiàn)了較多獨創(chuàng)性工作。沈陽鑄造研究所采用電渣熔鑄技術(shù)制造出水輪機導(dǎo)葉鑄件，具有雜質(zhì)元素低、組織致密、材料利用率高等特點，顯著提高了產(chǎn)品塑韌性、抗疲勞和抗汽蝕性能。電渣重熔冶金新技術(shù)以電渣連鑄、可控氣氛和液態(tài)電渣澆注為代表，未來將與鋼鐵冶金流程緊密結(jié)合，有著廣闊應(yīng)用前景。

5.2 　連鑄連軋技術(shù)

中國擁有較多薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線，在高效連鑄、電磁連鑄技術(shù)等方面發(fā)展迅速，但雙輥薄帶連鑄技術(shù)距離國外先進(jìn)水平仍有一定差距。珠鋼、寶武鋼鐵等企業(yè)與科研院所聯(lián)合開發(fā)了薄板坯連鑄連軋流程微合金化技術(shù)，實現(xiàn)鋼帶晶粒和析出物的細(xì)化，制備出高強度和良好塑韌性鋼帶，已應(yīng)用于工程機械、特種設(shè)備等領(lǐng)域。河南科技大學(xué)開發(fā)了半熔態(tài)連續(xù)鑄軋復(fù)合技術(shù)，實現(xiàn)低鑄軋力下寬幅銅板帶和鋁液無氧化短流程復(fù)合成形。未來連鑄連軋技術(shù)將圍繞更廣泛高附加值合金、更大規(guī)格、高效節(jié)能和智能化控制等方向發(fā)展。

5.3　消失模鑄造技術(shù)

消失模鑄造技術(shù)以近無余量、精確成形的特點，大量推廣應(yīng)用于形狀復(fù)雜的管狀、箱體和缸體類等，多用于耐磨、耐熱和耐腐蝕等鑄鋼件。M.R. Barone等建立了消失模中金屬液與泡沫模氣體擴散和熱量傳遞等模型，可較好指導(dǎo)充型凝固過程。為解決鑄鋼件增碳問題，除了減少泡沫模型含碳量，富氧燃燒技術(shù)、負(fù)壓燃燒空殼鑄造、排碳法和無薄膜密封等消失模鑄造新技術(shù)逐步推廣應(yīng)用。隨著中大型規(guī)格和綜合性能要求更高鑄鋼件需求與日俱增，消失模鑄造技術(shù)正值快速發(fā)展期，未來將重點圍繞先進(jìn)技術(shù)、新型泡沫模材料、材料成分設(shè)計、合成涂料、廢氣環(huán)保凈化和智能化生產(chǎn)等方面發(fā)展。

5.4　半固態(tài)鑄造技術(shù)

半固態(tài)鑄造技術(shù)具有近終成形、生產(chǎn)效率高、組織均勻和氣孔偏析少等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和電子等高端零部件領(lǐng)域。近年來利用模鍛、軋制等傳統(tǒng)技術(shù)與半固態(tài)金屬流變和觸變成形相結(jié)合，開發(fā)出復(fù)合鑄造法和鑄鍛成形等新技術(shù)，可明顯改善材料的組織和性能。英國布魯內(nèi)爾大學(xué)開發(fā)出半固態(tài)金屬雙螺旋流變擠壓工藝，通過雙螺旋桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生較強剪切速率和紊流獲得半固態(tài)金屬漿料，實現(xiàn)多種金屬高效制備成形。北京科技大學(xué)研制了高熔點黑色金屬的半固態(tài)鑄造成形裝置，實現(xiàn)了高碳工具鋼、不銹鋼等鋼種的制備。但是，我國受制于成形設(shè)備研發(fā)，距離國外先進(jìn)水平仍有差距。隨著高品質(zhì)、精密鑄件產(chǎn)品需求增大，未來技術(shù)將朝向高性能合金材料開發(fā)、數(shù)值模擬仿真、新型制漿及流變成形一體化等方面發(fā)展。

5.5　激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)具有熔覆層組織致密、強度高和高耐磨性等特點，廣泛應(yīng)用于船舶、航空航天和工程機械等行業(yè)。國際上Trumpf、Rofin和Laserline等公司技術(shù)處于領(lǐng)先，已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。美國AeroMet公司激光熔覆制備的Ti-6A1-4V鈦合金飛機零部件疲勞壽命可提高兩倍。Zhu等采用激光熔覆與超聲波相結(jié)合在45#鋼表面熔覆了Inconel 718合金，熔覆層實現(xiàn)了晶粒細(xì)小、氣孔率低和耐磨性能優(yōu)異。激光熔覆技術(shù)綜合了材料、光學(xué)及控制工程多學(xué)科，未來將圍繞數(shù)值模擬、熔覆材料設(shè)計、工藝參數(shù)和智能化等方面發(fā)展。

6　鑄鋼件的質(zhì)量檢驗

大型鑄鋼件由于鑄造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、工序較多，不可難免產(chǎn)生一些鑄造缺陷。這些缺陷不同程度地影響其外觀及內(nèi)在質(zhì)量，進(jìn)而影響其使用性能。為了獲得優(yōu)質(zhì)的大型鑄鋼件，必須進(jìn)行規(guī)范的質(zhì)量檢驗。 

在鑄鋼件的質(zhì)量檢驗中，鑄鋼件的尺寸檢測、力學(xué)性能檢測以及無損檢測作為上述核心關(guān)鍵部件制造工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的重要支撐。

6.1　大型鑄鋼件的尺寸測量

目前，大型鑄鋼件普遍使用的尺寸測量方法有傳統(tǒng)的手工測量、三維劃線儀等。由于傳統(tǒng)方法測量精度差、效率低，易出現(xiàn)人為和計算錯誤、嚴(yán)重制約鑄鋼件生產(chǎn)效率的提高。同時，由于大型鑄鋼件尺寸及形狀設(shè)計越來越復(fù)雜，對大型鑄鋼件的質(zhì)量要求越來越高，因此，傳統(tǒng)尺寸檢測方法已無法滿足大型鑄鋼件的測量需要。目前，大型鑄鋼件尺寸檢測經(jīng)過多年的發(fā)展，已成功運用光學(xué)及智能化空間坐標(biāo)測量技術(shù)。因其具有高精度、高效率的特點，并且能夠自動擬合分析及計算，正逐漸取代傳統(tǒng)的測量技術(shù)。

6.2　力學(xué)性能檢測

目前，鑄鋼件的力學(xué)性能檢測主要包括拉伸、沖擊及硬度等測試方法，這些傳統(tǒng)的力學(xué)性能大都是在鑄鋼件附鑄試塊進(jìn)行取樣、加工并進(jìn)行相關(guān)試驗。這種傳統(tǒng)的抽樣式、破壞性的方法檢測結(jié)果代表性差、效率低，且無法獲得整體的力學(xué)性能分布狀態(tài)。為突破傳統(tǒng)的力學(xué)性能抽樣、破壞性檢測技術(shù)存在的局限性，國外學(xué)者率先提出并發(fā)展了一種力學(xué)性能微磁無損檢測新方法， 以適應(yīng)特定產(chǎn)品的性能檢測需求。國外已開發(fā)出力學(xué)性能微磁無損檢測儀，例如芬蘭 Stresstech公司開發(fā)的巴克豪森噪聲檢測儀；德國Fraunhofer-IZFP研制的3MA-II 型多功能微磁測量儀。 

國內(nèi)團隊針對微磁技術(shù)與儀器也做了大量研究，例如北京工業(yè)大學(xué)利用研制的微磁無損檢測儀對鑄鋼大齒輪本體性能進(jìn)行了應(yīng)用研究。

6.3　無損檢測

鑄鋼件無損檢測主要采用磁粉、超聲波和X射線檢測等方法。磁粉探傷只能檢測工件表面缺陷而不能檢測工件內(nèi)埋藏較深的缺陷。超聲波檢測對檢測物表面平整度有極嚴(yán)格的要求，且缺陷顯示不直觀，評判困難，因而在很多場合受到一定的限制。低能X射線膠片照相檢測又存在穿透能力差、檢測效率低、讀片及檔案管理不便等缺點。而已應(yīng)用于生產(chǎn)中的鑄鋼件高能X射線數(shù)字化輻射成像系統(tǒng)（DR）具有穿透能力強、檢測速度快、評判直觀方便、數(shù)字化檔案管理方便等優(yōu)點，實現(xiàn)了鑄鋼件內(nèi)部缺陷的快速實時在線檢測；但其具有影像重疊的缺點，使得更高精度要求的檢測和測量變得十分困難，實際應(yīng)用中將工業(yè)CT技術(shù)和DR技術(shù)相結(jié)合可以彌補這一缺點。因此，高能X射線工業(yè)CT/DR檢測系統(tǒng)已成為無損檢測研究和應(yīng)用的重要趨勢，在鑄鋼件內(nèi)部質(zhì)量的快速和高精度檢測等領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展空間。

7　百噸級大型鑄鋼件關(guān)鍵成形技術(shù)

大型鑄件是裝備制造業(yè)大型關(guān)鍵零部件的重要組成部分，是衡量一個國家或一個地區(qū)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著礦山、船舶運輸、冶金、電力等行業(yè)向大型化的快速發(fā)展，對大型鑄件特別是百噸級鑄鋼件的需求量日漸增加（如圖1），且對其質(zhì)量要求也越來越高，其生產(chǎn)已為裝備制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對船舶制造業(yè)、礦山機械等行業(yè)百噸級大型鑄鋼件，掌握了其成形過程中的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)工藝和基礎(chǔ)實驗為核心的基礎(chǔ)共性技術(shù)，滿足了我國快速發(fā)展的裝備制造業(yè)對大型鑄鋼件的重大需求，有力地推動了裝備制造業(yè)大型鑄鋼件生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)步。

圖1　18 500 t油壓機上、下橫梁

（1）基于百噸級大型鑄鋼件的鑄造過程中流場與溫度場的相互影響，采用充型和傳熱的耦合數(shù)值模擬，結(jié)合順序凝固方式，建立“完全開放式”澆注系統(tǒng)概念，從而實現(xiàn)順序凝固。制定了大型鑄鋼件鑄造工藝設(shè)計原則：冒口設(shè)計采用有效補縮距離控制，變截面采用等熱容補貼和間接外冷鐵，澆注系統(tǒng)采用從冒口入水的最短流程鋼液充型設(shè)計，鋼液順向入型，控制由遠(yuǎn)及近、自下而上的溫度梯度。控制鑄件上升速度為5~20 mm/s，鑄件本體澆注時間大于50 s，最佳充型時間為90 s/100 t鋼，確保鑄件具備合理充型溫度場和凝固收縮正溫度梯度場，保證獲得高品質(zhì)鑄件。

（2）針對大型鑄鋼件中存在的不同類型、形狀與分布的夾雜物，計算了在變載荷作用下夾雜物及其周圍基體等效應(yīng)力場的分布，建立了從宏觀力學(xué)角度分析夾雜物微觀力學(xué)行為模型，據(jù)此開發(fā)了專用稀土復(fù)合精煉變質(zhì)劑，消除基體粗晶組織，改善夾雜物形態(tài)與分布，提高了鑄件力學(xué)性能。

（3）依據(jù)相圖，通過研究SiO2、CaF2、酸性石墨對覆蓋劑導(dǎo)熱性、熔點、膨脹性的影響，研制了一種以硅酸鹽為主體系的、且適合于百噸級大型鑄鋼件用的保溫冒口覆蓋劑材料，優(yōu)化了加入方式，提高鑄件工藝出品率5%~8%。

8　結(jié)論與展望

（1）鑄鋼熔煉及凈化技術(shù)的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)共存。良好的政策、旺盛的高端市場需求以及迫切的技術(shù)發(fā)展需求，將促進(jìn)鑄鋼熔煉及凈化技術(shù)往優(yōu)質(zhì)、高效、智能和綠色方向發(fā)展。同時，也將面臨需要工藝水平不斷提高、環(huán)保政策不斷嚴(yán)苛、高水平同行的競爭日趨激烈、先進(jìn)材料成形技術(shù)的激烈競爭，以及需要系統(tǒng)完備的鑄鋼冶煉及凈化理論等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

（2）提高鑄件質(zhì)量的一個關(guān)鍵點是提高鑄件內(nèi)在質(zhì)量，也就是從材質(zhì)上來根本性地解決問題。單一材料的性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今制造業(yè)的高要求，發(fā)展新型鑄造合金材料勢在必行，這同時也使得合金材料的鑄造技術(shù)成為目前國內(nèi)鑄造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢與方向。

（3） 提高雙向數(shù)據(jù)集成與安全控制的智能化鑄鋼生產(chǎn)裝備技術(shù)和高柔性化鑄鋼生產(chǎn)與檢驗裝備技術(shù)，加快鑄鋼智能排產(chǎn)系統(tǒng)、圖像與深度學(xué)習(xí)驅(qū)動的鑄鋼件缺陷檢測技術(shù)和質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析技術(shù)及鑄鋼企業(yè)應(yīng)用。

（4）提高高精度缺陷定量化預(yù)測技術(shù)、熱物性參數(shù)反求技術(shù)、智能化鑄造工藝設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)和鑄造全流程模擬技術(shù)，推進(jìn)鑄造全流程模擬與數(shù)字化管理融合。

（5）隨著國家“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的提出，具有輕量化、高性能、近凈成形和低耗能等特點的鑄件產(chǎn)品需求量與日俱增。新技術(shù)發(fā)展需加強創(chuàng)新，重點圍繞材料成分設(shè)計開發(fā)、高性能先進(jìn)鑄造設(shè)備國產(chǎn)化與智能化、交叉學(xué)科融合，尤其是先進(jìn)成形基礎(chǔ)理論研究與工業(yè)化應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新等方面發(fā)展。

（6）隨著鑄鋼件質(zhì)量及服役安全驗證要求的不斷提升，傳統(tǒng)的質(zhì)量檢驗已無法滿足實時、在線、快速作業(yè)的需要，可視化無損檢測技術(shù)應(yīng)運而生。將可視化技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測與評估，具有清晰、直觀、精準(zhǔn)等優(yōu)點，對提高產(chǎn)品檢測效率和精度，實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化、信息化、智能化檢測具有重要意義。 

論文寫作過程中得到了以下單位人員的大力支持與幫助，在此表示由衷的感謝！ 

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室的周建新、殷亞軍、計效園；中信重工機械股份有限公司：王行、賈冠飛、宋亞虎、元亞莎；河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院及有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心：王愛琴、馬竇琴、王建、柳培、毛志平。

謝敬佩（1957-），男，教授、博士、博士生導(dǎo)師，河南科技大學(xué)原副校長，材料加工工程學(xué)科帶頭人，1990年從德國留學(xué)回國。國務(wù)院政府特殊津貼獲得者，河南省優(yōu)秀專家，河南省優(yōu)秀教育工作者，河南省杰出人才創(chuàng)新基金獲得者；河南省“創(chuàng)新型科技團隊”帶頭人，首屆河南省杰出專業(yè)技術(shù)人才獲得者，教育部“有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)”省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心主任。中國有色金屬學(xué)會理事、中國機械工程學(xué)會鑄造分會常務(wù)理事。 

圍繞先進(jìn)復(fù)合材料、新型耐磨材料、鎢鉬鈦戰(zhàn)略新材料和特大型鑄件的關(guān)鍵技術(shù)和重要科學(xué)問題進(jìn)行深入研究。解決了空間工程復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)及制備工藝、耐磨材料設(shè)計及磨損理論、特大型鑄件的熔體結(jié)構(gòu)、凝固特性、成型工藝、保溫材料、關(guān)鍵工裝設(shè)計與制造等相關(guān)難題，在航空航天、重型裝備大型鑄件關(guān)鍵共性技術(shù)研究上取得新突破。已完成國家自科基金重點項目、國家軍口863項目等國家及省（部）級科研課題35項。獲國家科技進(jìn)步二等獎1項，三等獎1項，省部級科技進(jìn)步一等獎5項、二等獎12項、河南省教學(xué)成果一等獎1項。出版著作8部。發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇，SCI收錄150余篇，授權(quán)發(fā)明專利48項。