2016年，适逢中国机械工程学会成立80周年（1936—2016），中国机械工程学会以出版《中国机械工程技术路线图》（第二版）和8个分技术领域《路线图》的形式，即“1+8”工程的形式向成立80周年献礼。

《中国机械工程技术路线图》（第二版）由中国机械工程学会编著，中国科学技术出版社于2016年11月出版发行。内容包括“机械工程技术发展环境与需求”、“机械工程技术五大发展趋势”、“成形制造”等十五章内容。第四章“成形制造”包括“铸造技术”、“塑性成形技术”、“焊接技术”、“热处理与表层改性技术”、“粉末冶金成形技术”五节内容，第一节是“铸造技术”，本文提供的是由中国机械工程学会铸造分会组织有关铸造专家、学者完成的技术路线图内容。

《中国机械工程技术路线图》（第二版）是对第一版（2011版）的修订完善，在继承第一版制定原则的基础上，着重考虑新一轮科技革命和产业变革对机械工程技术可能产生的影响和带来的变化；服务《中国制造2025》，支撑制造强国战略；时间跨度为2015—2030年。

一、概述

铸造是将液态金属注入型腔后凝固成形获得金属铸件的过程，是获得机械产品毛坯和零部件的主要方法之一。

铸造行业是航空、航天、汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织等产业的基础， 是制造业的重要组成部分。铸件在航空发动机、火箭发动机、燃气轮机、汽车发动机、大型轻金属及黑色金属结构装备等各类装备中占有相当大的比例，对提高装备主机性能至关重要。我国在某些高端铸件铸造技术上的落后，是我国相关高端装备发展滞后的主要原因之一。

近三十多年，世界铸造技术发生了很大的变化，一方面是由于计算机技术的发展；另一方面是由于人类对生活环境的要求越来越高，这些因素促进了制造业和世界铸造技术的进步。当前世界铸造技术的发展趋势主要表现在以下四个方面：

（1）优质：铸件品质得到不断提升，复杂化、高性能、全周期寿命等成为发展趋势。高温合金定向凝固、轻合金半固态铸造、金属基复合材料铸造及大型钢锭熔铸等成形技术得到发展和应用，铸件性能显著改善。

（2）高效：体现在企业的规模化、专业化、人均产量增加方面。铸造企业的设备系统自动化水平日益提高，从单机自动化发展到单元自动化，直到全系统自动化以及机器人的应用，显著提高了铸件生产效率和铸件质量的稳定性和可靠性。

（3）智能：计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成计算材料工程、快速原型制造技术、网络技术、物联网技术、传感- 检测 - 控制技术等数字化、网络化和智能化制造技术在铸造企业各工序获得普遍应用，使铸造新产品开发周期显著缩短，铸造工艺设计和实施更趋科学合理。

（4）绿色：铸造是机械制造行业中高能耗、高污染的行业，发达国家十分重视开发新的节能、清洁、低排放、低污染的铸造材料并投入生产使用，在生产全过程中以循环经济的减量化、再利用、再循环、再回收为行业准则，重视在企业的全体员工中树立“环境- 健康 - 安全”的意识，强调“以人为本”，同时加大对企业中环境保护和节能减排的设备投入。

当前我国铸造技术的发展目标是，大幅度提高我国装备制造业发展所需高端铸件自主设计和制造的创新能力，在先进铸造技术、重大工程特大型及关键零部件的铸造成形技术、数字化智能化铸造技术、绿色铸造技术等方面形成一批世界一流的创新成果，为我国国民经济重要部门的装备制造提供强有力的技术支持，使我国从世界铸造大国发展成为世界铸造强国。

二、未来市场需求及产品

（一）需求与环境

高温合金铸造技术方面，获得稳定可靠的高温合金柱晶 / 单晶叶片定向凝固等铸造成形技术是目前我国发展先进航空发动机和先进地面燃气轮机的瓶颈。铝、镁合金铸造技术方面，高端装备配套零部件发展将扩大对于具有薄壁、复杂、优质、精密、高强等特征的铝、镁合金铸件的市场需求。钛合金铸造技术方面，航空、航天和海洋工程领域将大量采用大型、整体、高精度、高性能钛合金精密铸件［3-4］。黑色金属铸造技术方面，发电设备、石油化工、海工装备等行业所用高、低温和核辐射环境下服役的高性能大型黑色金属铸件仍有很大市场需求。铸造过程数字化、网络化、智能化技术是铸造学科发展前沿，是我国铸造行业由大变强的重要途径之一。我国铸造行业为数众多的中小企业以生产黑色铸件特别是铸铁件为主，生产工艺落后，生产效能低下，大量废砂、废渣、废气不经处理直接排放，因此发展绿色铸造技术，从源头扭转生态环境恶化趋势也是重要任务。

（二）典型装备或产品

为了满足上述需求和环境，在高温合金定向凝固铸造成形技术领域重点发展：

①液态金属冷却定向凝固设备 / 新型和大尺寸柱晶和单晶高温合金叶片；②在新型陶瓷超高温结构材料技术进步推动下可能出现的熔融生长共晶陶瓷超高温结构材料定向凝固设备/ 燃气轮机涡轮叶片、高温防护板等高性能精密铸件［5］。在铝、镁合金精密铸造成形技术领域重点发展：①反重力铸造成形装备、新型挤压铸造装备、大型真空压铸装备以及新型半固态铝合金流变成形装备；②航空发动机复杂铝合金和镁合金机匣类铸件、汽车底盘承力铝合金铸件、汽车车身大型薄壁框架类铝合金铸件等。在钛合金精密铸造成形技术领域重点发展：①适用于大型钛合金精密铸件的真空自耗凝壳熔铸炉和热等静压装备；②轮廓尺寸2.5m 以上整体骨架、异形舱体等钛合金铸件以及航空发动机耐高温钛合金铸件的精密铸造技术。在高端大型黑色金属铸件的铸造技术领域重点发展：①纯净、致密、均质特大型合金钢铸锭技术；②海工装备耐海水腐蚀双相不锈钢铸件及其他高性能配套铸钢件；③发电设备用新型蒸汽轮机高合金耐热钢铸件、电渣熔铸异形件、第三代核电技术常规岛汽轮机组高合金钢铸件以及百吨级球墨铸铁核废料储罐。在铸造过程数字化、网络化、智能化技术领域重点发展：①精确铸造成形过程建模与仿真软件以及工艺分析系统；②铸造过程建模与仿真的网络化服务与分析系统；③铸造过程的数据库与服务系统；④快速砂型制造装备与工艺系统；⑤铸造生产过程智能监控系统和智能操作设备。在铸造过程节能减排技术领域重点发展：①高效熔炼、热处理设备/ 余热利用技术；②铸造固体废弃物资源化利用技术和装备；③环保型铸造原辅材料。

三、关键技术

（一）高温合金定向凝固铸造成形技术

1.现状

目前我国高温合金定向凝固铸造成形技术主要向新型航发单晶叶片和大型燃机柱晶 / 单晶叶片铸造技术方向发展。国际上先进航空发动机于20 世纪 70 年代开始普遍采用单晶涡轮叶片，发达国家精密铸造企业已拥有大批量生产单晶叶片的能力，航发复杂单晶叶片合格率在 80％以上，并且第三代单晶叶片已获得应用，第四代和第五代正在预研中，地面重型燃气轮机大尺寸柱晶/ 单晶叶片得到应用；我国于 20 世纪80 年代开始研发航空发动机高温合金单晶叶片铸造技术，目前已具备小批量生产的能力，但复杂单晶叶片的合格率不足60％，第三代航发单晶叶片铸造技术尚处于预研阶段，燃气轮机用大型柱晶 / 单晶叶片处于实验室研究阶段，高性能工业化定向凝固设备尚主要依赖进口。

2.挑战

现阶段仍需跟踪国际技术前沿，加强工艺应用基础研究，突出工程应用。发展新型航空发动机高温合金单晶叶片和地面重型燃气轮机大尺寸高温合金柱晶/ 单晶叶片的定向凝固技术和高性能装备是该领域面临的主要挑战。

3.目标

经过 10 ～ 15 年的努力，完成国产高性能工业化定向凝固设备研发和升级，开发出国产先进柱晶/ 单晶高温合金定向凝固过程控制新工艺，建立型壳、型芯等配套和辅助材料的专业化生产基地，实现复杂、优质高温合金柱晶 / 单晶叶片的大批量稳定生产，使我国柱晶/ 单晶叶片制造技术接近或达到世界先进水平。

（二）轻合金精密铸造成形技术

1.铝、镁合金精密铸造成形技术

（1）现状

在铝、镁合金精密铸造成形技术方面，汽车轻量化所需底盘安保铸件和车身大型

框架铸件的相关铸造技术仍掌握在少数外资企业手中［6］。航空类薄壁复杂铝、镁合金铸件充型凝固及尺寸精度控制等关键技术仍有待突破［7］，部分铸件无法自主制造。在铝基和镁基复合材料的制备方面，国内外的研究水平差距不大，但国内在应用研究方面仍未得到充分开展，尚未得到广泛应用。

（2）挑战

现阶段仍需加强工艺应用基础研究，面临的挑战包括：发展航空、航天等领域用薄壁复杂铝、镁合金铸件精密铸造成形技术；发展汽车底盘安保铸件和车身大型框架铸件等高性能产品的精密铸造成形技术；发展铝基和镁基复合材料的高效制备和铸造成形技术，并在相关行业得到应用。

（3）目标

经过 10 ～ 15 年努力，升级和完善铝、镁合金反重力铸造、压铸、挤压铸造及半固态铸造等精密铸造成形技术和装备，实现航空、航天等领域应用的薄壁复杂铝、镁合金铸件以及汽车底盘安保铸件和车身大型框架铸件自主稳定生产；经过10 ～ 15 年左右努力，完成铝基和镁基复合材料的高效制备和铸造成形技术研发，并在相关行业得到应用。上述技术和产品达到世界先进水平。

2.钛合金精密铸造成形技术

（1）现状

我国钛合金铸造技术与发达国家相比仍有不足。如在熔铸容量上，欧美等早在20世纪即已具备 2t 钛合金的自耗凝壳熔炼能力，目前我国最大凝壳熔炼能力仅为 1t； 在大型铸件成形方面，GE公司在 20 世纪 80 年代研制的发动机风扇轮毂精铸件最大尺寸达 2 m［8］，我国于近几年才具备1.5 m 铸件的成形能力；在成形手段方面，国外除常规的熔模铸造、石墨型铸造外，还开发了金属型和压力铸造技术［9］，并获得应用，我国此类技术仍十分欠缺；在高温钛合金铸造方面，国外已发展了多个系列的铸造高温钛合金，并成功将TiAl 合金铸件应用于航空和汽车发动机热端部件［10］，我国目前还处于实验室开发阶段。

（2）挑战。

钛合金精密铸造领域目前存在现有成形技术和装备满足不了我国高端装备发展需要的问题，面临的挑战包括：超大尺寸复杂钛合金铸件精密铸造成形技术及专用熔铸炉和热等静压装备；高温钛合金（包括TiAl合金和复合材料）精密铸造成形技术；钛合金金属型和压力铸造高质量成形技术。

（3）目标。

经过 10 年左右发展，全面掌握超大尺寸复杂钛合金结构件熔模精密铸造和石墨型精密铸造技术，实现整体骨架钛合金结构件等大型复杂精密铸件稳定生产；经过 5 ～ 10 年发展，突破特种钛合金铸件的金属型和压力铸造技术难关；经过10 ～ 15 年发展，掌握高温钛合金的精密铸造技术，实现航空发动机热端钛合金精密铸件稳定生产。最终大幅度提高我国钛合金精密铸造成形技术水平，并达到世界先进水平。

（三）高端大型黑色金属铸件的铸造技术

1.现状

国内目前已有百余家铸造企业具备单件重 10t 以上大型铸件的生产能力，自主研发的核电用大型锻件钢锭、汽轮机及燃气轮机［11］超超临界耐热钢及球铁缸体等铸件在质量上与过去相比有较大提高，但与工业发达国家相比，我国大型铸件生产在产品品种、工艺水平、质量等级以及制造装备等整体水平方面尚存在差距，表现在大型铸件内部质量仍不稳定，某些关键技术指标偏低，毛坯加工余量大，工艺出品率低，加工周期长，生产现场特别是铸件清理工部环境恶劣。

2.挑战

现阶段应以高端装备制造市场需求为牵引发展大型铸件铸造技术。面临的挑战包括：大型钢锭高纯净冶炼、夹杂、缩松、裂纹、宏观偏析控制技术［12］和离散化制造技术的发展和应用；耐高温、耐低温、耐腐蚀合金钢材料及铸造技术在发电设备和海工装备等领域的应用；大型耐热铸铁和厚大断面球墨铸铁件［13］铸造技术及在发电设备等高端领域的应用；大型异形电渣熔铸件制造技术及在水电和核电关键高端部件上的应用；高端大型铸件先进制造设备、服役性能评价、检测技术和设备以及配套设备升级换代。

3.目标

掌握及革新高端装备大型关键黑色金属零件铸造核心技术，开发新的拥有自主知识产权的制造方法，降低制造成本，形成高端装备大型关键黑色金属零件稳定铸造生产能力，满足国民经济发展和国防安全保障的需求，推进大型设备成套化，增强创新能力，提升国际竞争力，经过10 ～ 15 年努力，使我国大型黑色金属铸件铸造技术达到工业发达国家先进水平。

（四）铸造过程数字化、网络化、智能化技术

1.现状

数字化、网络化和智能化是提高铸造成形技术水平的重要手段，可实现铸件成形制造过程的工艺优化，确保零件的质量，预测铸件组织、性能与使用寿命，显著缩短产品研发周期，降低生产费用，并大量节约资源与能源［14-15］。建模与仿真、互联网+、人工智能、快速铸型制造、物联网与在线检测等则是铸造成形信息化的核心技术。欧美工业发达国家均将铸造过程数字化、网络化和智能化作为优先资助和发展的领域，相关研究全面而深入，技术开发环境好，资金投入大，软件市场占有率高［16］。国内自主研发软件资金、技术、人员投入较少，自主开发商品化铸造模拟仿真软件能力仍很弱，软件市场占有率不高，更缺乏世界影响力。国内铸造企业应用铸造过程数值模拟软件和快速铸型铸造技术不够普及，应用水平相对较低，机器人应用很少，物联网 + 等技术的应用刚刚开始，与国外先进铸造企业还有很大差距。

2.挑战

该技术领域面临的挑战包括：①以企业需求和技术创新作为驱动力，进一步加强铸造行业“产、学、研、用”结合程度，加强数字化、网络化及智能化技术在铸造生产工艺和设备中的应用；②集中我国数字化、网络化、智能化技术研究和应用的优势单位，重点开展铸造数值模拟的系统化、智能化、集成化以及实验数据支撑等相关技术创新工作。

3.目标

发展高精度和高效率的铸造缺陷定量化预测技术、多物理量耦合数值模拟技术、多尺度耦合数值模拟技术、工艺/ 组织 / 性能耦合数值模拟技术，建立完善的热物性参数数据库以及先进的物理实验平台。开发和完善具有自主知识产权的铸造成形全过程数值模拟软件系统、网络化平台设计与服务系统，使建模与仿真技术在我国铸造企业获得普及应用和发展。

基于互联网 + 技术，在铸造各工序中应用在线检测技术、企业管理信息系统、机器人，实现铸造生产过程的实时、在线控制与管理。结合铸造工艺优化设计技术，在铸造企业生产与新产品研发过程中大量应用快速铸型制造技术和机器人，以提高铸件质量和劳动生产率，显著缩短新产品的研发周期和试制成本。

（五）铸造过程节能减排技术

1.现状［17-18］

据统计，2015 年我国铸造厂家总数约 26 000 家，全年生产各类铸件 4 560 万t， 平均每个厂家年产 1 777t 铸件，单厂平均产量远低于世界第一的德国（8 818t），甚至比不上发展中国家印度（2 227t），在世界铸件产量前十位国家中列倒数第一。为数众多的小企业生产管理水平低、工艺落后、环保投入很少是造成整个行业高能耗、高污染排放的根本原因。

我国铸造行业生产 1t 合格铸铁件的能耗约 500 ～ 700kg 标煤，发达国家为334 ～ 536kg 标煤；我国生产 1t 合格铸钢件的能耗约 800 ～ 1 000kg 标煤，发达国家约 500 ～ 800kg 标煤。

据推算，目前我国铸造行业年排放粉尘 200 多万 t、废渣约 1 400 万 t、废砂4000 万 t 左右、废气 500 亿～ 900 亿 m3。

2.挑战

依据国家环保法、节约能源法、清洁生产法等相关法律法规，研究制定科学、合理、可操作的绿色铸造评价、奖惩体系，对铸造工厂设计、建设、铸件生产过程、铸件全周期寿命等各个环节进行监督评估。以体系为导向，淘汰落后产能，促进企业积极采用节能环保的铸造材料、铸造工艺和铸造装备，提高资源、能源利用效率。

开发、应用各种环保原辅材料，减少有害气体和固体废弃物排放量。开发经济、节能的铸造废砂再生回用技术和设备，实现资源再利用。扩大废渣、废砂、废耐火材料在建材行业的应用，实现固体废弃物循环利用。

采用射压（或静压）造型线、大吨位压铸机、高效节能中频炉、高功率电弧炉等高效率、高精度铸造设备，提高生产效率，降低废品率和加工余量，减少能源消耗。

3.目标

经过十几年努力，到 2030 年，使我国铸造企业厂均年产铸件达到 5 000t 以上， 固体废弃物循环利用率达到90％以上，铸铁件能耗达到每吨铸件 330kg 标煤以下， 铸钢件能耗达到每吨铸件510kg 标煤以下，车间粉尘浓度低于 2mg/m3，厂界粉尘浓度低于0.12mg/m3，噪声和有害气体排放全面达到 JB/T 11995-2014 规定的一级企业标准，使我国铸造行业的能耗和废弃物排放水平达到（部分指标超过）发达国家目前先进水平。

四、技术路线图

第四章 成形制造

编撰组
组　长　 柳百成
成　员　
　　　　第一节 铸造技术

娄延春　黄国甫　熊守美　

孙　逊　许庆彦 方治连

陈　瑞　冯志军　赵　军

周建新　于　波　肖程波

孙晓峰　王铁军　张　军
　　　　　　　 王　磊　刘时兵　李宇飞

田　雨