精密金属铸造

克里斯-这里是裸体科学家。金宝搏app最新下载我是克里斯·史密斯。如果你最近坐过飞机，那么很有可能你是被喷气式飞机引擎带到空中的。它们的工作原理是压缩空气并喷射燃料，然后燃料燃烧、膨胀并产生推力。但这也造成了发动机内部最恶劣的环境之一，其中气流通常超过1500摄氏度——这远远超过了标准金属的熔点。为了承受这一切，需要以高精度生产的专业高温合金部件，并了解它们是如何制造的，本·瓦尔斯勒(Ben Valsler)来到了世界顶级喷气发动机制造商之一、位于德比的劳斯莱斯(Rolls Royce)的铸造工厂，在那里他遇到了保罗·威尼(Paul Withey)。

保罗-我是劳斯莱斯的铸造专家，这个工厂是德比的精密铸造工厂。这是劳斯莱斯最大的铸造厂，为大型民用发动机和军用发动机生产涡轮部件。这是世界上单晶设备之一这是精密铸造的一个特殊分支只制造单晶部件从航空航天的角度来看，好处是如果你去掉每个晶体之间的所有边界，你就能得到最坚固的金属，这在发动机的热部件中是非常需要的。就像一块方糖，当你碾碎它的时候，你实际上并没有打碎每一个颗粒，而是打碎了颗粒之间的边界。航天金属也是如此，所以我们制造单晶元件来摆脱那些晶界，并拥有我们所能拥有的最强的部分。

本:那么实际的过程是怎样的呢?你是如何从原始金属到喷气发动机零件的?

保罗:有很多不同的阶段。如果你想象这个组件不是一个实心的组件，而是一个空心的组件，我们必须做一个我们想要的孔的陶瓷模型。所以我们做了一个叫做核心的部件，在它周围注入蜡，所以我们最终得到了部件的蜡模型部件的孔里填满了陶瓷。然后我们拿着这个模型，进入我们所谓的壳室，在那里我们把它包裹在陶瓷里，然后我们用金属代替蜡然后就会有凝固过程这是这个过程的核心，这意味着我们可以生长出一个单晶。我们必须在真空中倾倒，所以所有东西都藏在钢墙后面。

本:我们能看看吗?

保罗:当然。我们走吧。

…这就是我们所说的蜡房。在这个房间里，我们拿着我们之前说过的最初的陶瓷核心我们要在它们周围注入蜡。这个房间是蜡注射机的混合体，我们把钢染料放进去，把蜡注射成我们想要的形状，还有装配工作台，我们把这些蜡形状放在流道系统的方向上，我们需要进一步加工零件。

本:那么现在，我们可以跟随这些蜡结构进入下一个阶段了吗?

保罗-当然可以。

本:我们穿过了一扇大门，进入了第二阶段。最后一个房间很暖和。它闻起来有熔化的蜡的味道。在这里，感觉更冷，但也更嘈杂。这里发生了什么?

保罗-这是空壳房。其实也不冷。因为控制了湿度，所以感觉更冷，但实际上，它保持在完全相同的温度所以蜡在一个房间里和在另一个房间里的大小是完全一样的，我们要做的是把这些蜡组合起来，我们要清洁它们，清洗它们，然后我们把它们浸在陶瓷浆里，然后把它们拿出来，沥干，然后撒上沙砾，然后让它们干燥几个小时，然后把它们拿回来，重复整个过程，最多10次。

本:所以，泥浆是一种沙质物质，它会变成你的陶瓷层。

保罗:它实际上是一种液体，但里面有一点陶瓷胶，叫做硅溶胶，它可以让所有的东西粘在一起，大部分的东西都以沙砾的形式洒在潮湿的表面上。

本:那么你最终会得到多厚的陶瓷层呢?

保罗:通常在5毫米左右。

本:那我们接下来要去哪里?

保罗:下一个步骤是把蜡取出来，然后进行浇铸。

本:现在蜡模已经覆盖了陶瓷层，我们进入了一个非常非常温暖的房间。这里发生了什么?

保罗-这是我们取出蜡的房间。我们把模具推进去，关上门，按下按钮，在4到5秒内，我们注入180度的过热蒸汽让蜡很快融化。蜡不会整体融化。它只在表面融化，不能很好地导热。如果我们慢慢来，蜡就会膨胀到外壳无法承受的程度我们就会把外壳从外面吹走。这样，我们就能在不破坏蛋壳的情况下把蜡取出来。

本:现在，我们实际上只剩下一个陶瓷模具，然后我们可以把金属倒进去?

保罗-我们现在有了一个模具，中间有一个核心，现在可以浇铸了。

本:现在，随着陶瓷层的烧制，我们实际上进入了涉及熔融金属的部分，大多数人在谈论铸造时想到的部分。它看起来不像我想象的那样——我看不到这些熔化的金属河流。

保罗:这个过程的重点是我们要尽可能地控制它，因为我们必须把模具，锁在底部的铜冷却器上，这样模具的末端就会很冷。然后我们把整个模具推到一个1500摄氏度左右的房间里，让它在那里烤20分钟，然后我们在坩埚里融化一段电荷，把电荷倒进模具里。模具温度在1500摄氏度，高于金属的熔点，所以大部分都保持熔融状态，除了最后一点碰到铜的寒冷，然后冻结成许多不同的晶粒，所有的方向，成百上千的晶粒。然后我们取出模具，把它拉进一个冷室，这样就有了从热到冷的温度梯度，这些颗粒就开始生长了。碰巧的是，生长最快的晶粒也是我们想要的机械性能方向的晶粒。所以通过自然选择的过程，它们向上和向侧面生长得非常快，杀死了所有其他谷物。

本:所以你得到了一个单晶体，因为一个晶体结构碰巧更稳定，也许比其他可能形成的晶体结构更有竞争力?

保罗:没错。

本:那么形成这个单晶结构需要多长时间呢?

保罗:我们制造的这种尺寸的单晶部件只需要一个多小时，这是大型民用发动机的部件，大约10厘米到15厘米高。

本-所以一旦它们被浇上，一旦它们有机会凝固，我们现在要把它们带到哪里?

Paul -然后他们会搬到工厂的后面，在那里我们会切断每个单独的组件，然后用强碱溶液去除核心，然后在正确的位置留下这些铸件，里面有正确的空心。

本:一旦产品出来了，它们已经冷却了，多余的部分都被切掉了，你怎么检查它们是它们需要的?

保罗:我们得检查一下它们是不是单晶，我们会把它们浸在酸里，然后看看那里是否有颗粒结构，如果没有，我们就得到了一个单晶。我们还会用x射线检查它们的晶体方向是否正确，我们会用量规检查外部轮廓是否正确，长度是否正确，并且它们都在正确的公差范围内。我们还将使用染料渗透剂来寻找表面缺陷，我们将使用x射线来检查内部缺陷。

本:他们需要多完美?误差范围是多少?

保罗:在晶体取向方面，我们有几个需要研究的方向。在尺寸要求方面，图纸通常要求我们在所需位置的0.1或0.2毫米以内，所以，我们会检查每个叶片的尺寸。不像某些行业，你可以抽样检查，一旦我们得到一个金属部件，每个部件都要经过每一个检查操作。

保罗:这是一个成品叶片，这实际上是经过了下一阶段的操作，即加工和在内部核心通道中钻入膜冷却孔。它大约有12厘米高，能经受住发动机内部的高温高压和压力。

那块金属现在能忍受什么样的条件呢?

保罗:这个涡轮叶片本身将面对周围的气流，当发动机在金属熔点以上250度的温度下工作时，当它以每分钟10000转的速度旋转时，它所承受的压力相当于在静态情况下悬挂一辆卡车。然后，这个叶片必须从热气流中拿出750马力或更多的马力来为发动机的前部提供动力。所以，每辆车的马力都和一级方程式赛车差不多。这使得这个部件可以持续飞行超过500万英里，这是一个非常艰苦的环境。

Chris - Paul Withey带着Ben Valsler参观位于德比的劳斯莱斯精密铸造工厂。劳斯莱斯估计，在任何时刻，全球至少有20万人被它们的引擎安全地送上高空。换句话说，就是现在。