中国报告大厅网讯，在航空航天领域快速发展的当下，精密化、整体化、轻质化、高性能、低成本及短周期已成为行业产品的核心发展方向，铝合金凭借轻量化、耐高温、耐腐蚀等优异性能，成为该领域首选材料体系之一。铸造工艺作为液态成形法，在大型、复杂、薄壁铝合金构件的成形方面具备不可替代的优势，不仅能通过整体铸造成形提升产品整体精度和刚度，还能将材料利用率提高至 60%~90%，显著减少机械加工量、降低成本并缩短生产周期。目前，国内采用铸造工艺生产的典型高性能铝合金铸件，尺寸轮廓范围涵盖 400~2500mm，在航空航天领域应用广泛。本文将围绕大型铝合金铸件生产瓶颈、应用现状、核心技术及未来展望展开分析，结合相关数据呈现 2025 年铝合金行业技术发展态势。
一、铝合金大型复杂铸件生产的核心瓶颈问题
中小型、简单回转体类铝合金铸件的研制技术已相对成熟，但其本体力学性能、内部质量及尺寸精度控制难度较低。而随着航空航天技术的跨越式发展，轮廓尺寸 2000mm 以上、采用异形薄壁复杂结构设计的铝合金铸件需求激增，这类铸件需满足内部质量达到 QJ 3185A-2018 I 类、本体力学性能达到 QJ 3185A-2018 II 级以上、尺寸精度不低于 CT8 级的要求，生产控制难度极大。目前国内大型铝合金铸件多采用砂型反重力铸造方法，在生产过程中面临三大核心瓶颈。
尺寸精度控制方面，砂型铸造大型铸件尺寸精度仅为 CT10-CT12 级，与 CT8 级要求存在明显差距。2000mm 左右轮廓尺寸的大型铸件，其模具制造、铸型组合、热处理等关键工序的尺寸累积公差较大;同时，铸件内腔存在凸台、筋条等复杂结构，导致热节复杂，凝固过程中收缩不一致，而当前收缩率设计依赖经验判断，需多次调整模具尺寸验证，仍难以达到精度要求。
内部质量控制方面，现有铸造工艺下大型铝合金复杂铸件内部质量仅能达到 QJ 3185A-2018 II 类。复杂内腔结构使得部分区域薄壁与厚壁壁厚差达 1:5 以上，热节区域增多;精密成型铸件内腔多为非加工面，部分狭小位置存在加工盲区，冷却系统设计受限，凝固顺序调整困难;此外，Al-Cu 系合金结晶温度范围宽、铸造性能差，复杂薄壁结构又限制了铸造工艺措施的实施，易产生各类铸造缺陷，进一步增加内部质量控制难度。
本体力学性能控制方面，部分复杂薄壁铝合金铸件采用 ZL114A 等 Al-Si 系合金以实现良好充填，其本体性能指标平均值为抗拉强度 Rm≥300-320MPa、屈服强度 Rp0.2≥240-260MPa、伸长率 A≥3%-6%，但仍无法稳定达到 II 级性能要求(Rm≥320MPa、Rp0.2≥280MPa、A≥4.5%)。ZL114A 合金的变质细化处理及铸造凝固速率对组织性能影响显著，而大型复杂铸件内腔热节多、结构限制冷却系统设置，导致局部晶粒粗大，薄壁与厚壁区域力学性能差异较大;同时，现有 ZL114A 合金元素配比较宽泛，大熔体晶粒细化工艺不够成熟，进一步加大了力学性能控制难度。
二、铝合金大型复杂铸件国内外应用发展现状
复杂薄壁铝合金精密铸件的主要铸造方法包括砂型铸造和熔模铸造(陶瓷型、石膏型)，国内外在这两种工艺的应用上均取得了显著成果，推动了铝合金铸件在航空航天及军工领域的广泛应用。
砂型铸造领域，国外企业技术成熟，美国 Hitchcock 公司采用砂型铸造生产出 635mm×1650mm、质量 106kg 的大型优质铝合金近净形铸件，Wellman 公司则通过低压铸造实现该类铸件批量生产，两种方法生产的铸件内部质量均满足美军标 Mil-21180B 级要求。CFI 公司曾生产出高 1.8288m、底盘直径 1.905m、质量约 566.99kg 的大型铝合金炮塔铸件，成为当时行业标杆。国内方面，中国航天科技集团、沈阳铸造研究所、中国船舶重工集团等企业已具备大型铝合金铸件砂型铸造能力，成功实现轮廓 2500mm 左右铝合金壳体近净形铸造，将壁厚尺寸精度由 GB/T 6414-1999 CT12 级提升至 CT10 级，内部质量达到 II 类，本体性能满足 III 级要求，但砂型铸造工艺在尺寸精度提升方面仍存在局限。
熔模精密铸造领域，欧美日等发达国家较早开展新工艺、新材料的研发应用，形成了完善的成形理论基础，利用型壳法可生产尺寸达 1000mm 的航空航天及军工用大型薄壁整体结构铝合金壳体精密铸件，显著提升了铸件服役寿命、整体结构刚度，实现产品轻量化并缩短生产周期。国外在航空航天和军工装备领域广泛采用熔模精密铸造工艺生产铝镁合金产品，如美国战斧巡航导弹、BAT 导弹的壳体，波音 767 飞机的发动机燃油增压泵壳体(采用 22 个分体蜡模组合 + 12 个不同型芯 + 石膏型精密铸造法生产 A356 铝合金整体精铸件)，以及 F-16、F-18、F-22、F-35 战斗机和鹰眼 E-2C 预警机的多种零部件。
国内熔模精密铸造技术随航空航天事业发展快速推进，成功试制了光学仪器罩壳、波导管零件、四维或五维空间尺寸的整体铝合金开式和闭式叶轮等高技术难度产品。目前已实现多种铝合金精密铸件的稳定生产，包括外形尺寸 98mm×160mm、平均壁厚 5mm 的电子壳体铝合金铸件，以及 320mm×250mm、平均壁厚 3mm 的蜗壳铝合金精密铸件(采用陶瓷型壳制造);西北工业大学采用高压铸造工艺生产出 2930mm×1250mm×420mm 的 ZL114A 薄壁框架类结构件，通过优化浇注系统和工艺参数解决了大尺寸薄壁铝合金铸件充型难题。
需要注意的是，陶瓷型和石膏型熔模精密铸造虽能获得较高表面质量和尺寸精度的铝合金铸件，但型壳或铸型导热性差，热型浇注结合部分合金宽结晶间隔的特性，导致铸件结晶凝固时间长，易产生气孔、针孔、疏松、缩孔等缺陷，存在组织致密度和力学性能较低的问题，单一铸造方法难以满足更高性能要求，制约了其在多层复杂整体结构件、大型整体铝合金结构件及高性能铝合金结构件整体铸造中的应用。为此，国内开展了复合铸型工艺研究，通过熔模铸造型壳与金属型或树脂砂型复合的方式，成功实现了叶片厚度 1.5mm、流道和叶片无余量设计的发动机铝合金叶轮铸件一次性完整成形，以及壁厚 1.2mm 的 GE 某型燃气轮机叶轮铸件整体成形;针对直径 390mm、高 440mm、两侧 26 个散热片(长 275mm、宽 3mm、间距 6mm)的电子仪表壳体等结构功能一体化复杂铝合金精密件，采用树脂砂型与熔模精密壳型复合铸型工艺，既保证了整体成形，又确保了内部冶金质量。
三、铝合金大型复杂铸造核心技术研究进展
铝合金大型复杂铸造技术的发展离不开材料研发、熔体处理、热处理组织调控及生产装备等关键领域的技术突破，这些核心技术的进步直接决定了铝合金铸件的性能、质量和生产效率。
(一)铝合金铸造材料研发与性能优化
目前，大型铝合金铸件常用材料主要为 Al-Si 系和 Al-Cu 系合金，同时铝锂合金等新型材料的研发应用成为行业热点，为铝合金铸件高性能化、轻量化提供了重要支撑。
Al-Si 系合金中，ZL114A 是航天装备高负荷零件的核心材料，其含镁量为 0.4%-0.7%，凝固时形成 MgSi 相，通过热处理实现固溶强化和沉淀强化。国外同类合金 A357(美国军标 Al-7Si-0.6Mg)的砂型铸件本体抗拉强度可达 360MPa，伸长率大于 6%，而国内企业生产的 ZL114A 合金砂型铸件(内外放置冷铁)抗拉强度为 320MPa，伸长率 4%，与国外存在一定差距。为提升 ZL114A 合金力学性能，需从铸造工艺顺序凝固设计、合金成分优化、熔体精炼、变质处理及微合金化等多方面开展研究。
Al-Cu 系高强铸造铝合金分为高强度和耐热两大类，主要包括 ZL201、ZL201A、ZL204A、ZL205A、ZL209A 等国内牌号，以及美国 A2010(KO-1)、2060 和俄罗斯 BA10 等国外牌号。其中，ZL205A 合金是目前强度最高的铸造铝合金，含有 Cu、Mn、Zr、V、Cd、Ti、B 等 7 种合金化元素，T6 状态下抗拉强度达 490MPa，T5 状态下强韧性最佳，伸长率可达 10%。与国外同类合金相比，ZL205A(T5)抗拉强度≥440MPa、伸长率 7.0%，优于俄罗斯 BAJ14(T5：≥400MPa、7.0%)和美国 KO-1(T6：≥420MPa、5.0%)等产品，已被纳入部标、国标，成为军品及重要民品承力结构材料。但该合金铸造工艺性差，疏松、偏析等缺陷倾向严重，限制了其在大型复杂薄壁构件中的应用，需进一步优化合金配比、熔体均匀化处理及铸造工艺。
铝锂合金作为新一代轻量化高承载结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高的特点，其刚度为传统轻质镁、铝合金的 1.3 倍以上，可实现结构减重 10%~20%，能部分替代 2XXX、7XXX 系列铝合金，在航空航天领域具有重要技术经济意义。铸造铝锂合金不存在各向异性问题，Li 含量可更高，密度更低，适用于难以通过变形加工成形的大型复杂薄壁铸件。目前国内外已研发多种铸造铝锂合金，如 8090 铝锂合金，其化学成分(质量分数)为 Li 2.2%~2.7%、Mg 0.6%~1.3%、Cu 1.0%~1.6%、Zr 0.04%~0.16%，其余为 Al 及少量杂质，物理及力学性能表现为密度 2.55~2.56g/cm³、弹性模量 81000N/mm²、热膨胀系数(20~100℃)22×10⁻⁶/℃、热导率(40℃)0.80W・cm⁻¹・℃⁻¹、电阻 10.4μΩ・cm、抗拉强度 480~550MPa。金属型铸造 Al-2Li-2Cu-0.5Mg-0.2Sc-0.2Zr 合金密度 2.7g/cm³、弹性模量 79N/mm²、抗拉强度 480MPa;砂型铸造该合金密度 2.7g/cm³、弹性模量 79N/mm²、抗拉强度 458MPa、伸长率 4.1%。铸造 Al-4Cu-2Li 合金(Li 1.26%、Cu 4.62%、Zr 0.17%)的屈服强度 350~491MPa、抗拉强度 443~573MPa、伸长率 12.1%~12.5%，添加 0.275% Cd 后，屈服强度提升至 469~560MPa，抗拉强度达 545~616MPa，伸长率为 7.2%~12.6%。
但铝锂合金制备面临诸多挑战，Li 元素活泼，大气环境下熔炼易氧化、偏析产生夹渣，真空条件下易挥发导致含量不准，且 Li、Mg 等元素会增大合金熔体与铸型界面作用，增加粘砂、氧化、裂纹等缺陷风险。目前工业化生产多采用真空熔炼、高纯惰性气体保护法、快速凝固法、粉末冶金法等，通过缩短凝固时间、降低反应温度减少 Li 氧化物产生;熔炼坩埚及炉底材料避免使用 Al₂O₃、SiO₂等易与 Li 反应的物质，减少熔体接触面积。近年来，“低真空熔炼 + 旋转除气精炼” 相结合的新技术有效弥补了非真空条件下除气效果差、时间长的缺点，避免了铝锂合金烧损;外场辅助技术(超声波、电磁波)的应用则显著细化了晶粒，改善了成分偏析。
(二)铝合金熔体处理工艺技术创新
大型复杂铝合金铸件熔炼量大、处理时间长，熔体质量直接决定铸件性能，熔体处理工艺主要包括净化、孕育处理和均匀化三大核心环节，各环节技术的创新优化对提升铝合金铸件质量至关重要。
熔体净化方面，主要分为吸附净化(化学方法)和非吸附净化(物理方法)，旨在去除熔体中的气体、夹杂物及金属杂质，减少铸件缩松、缩孔、裂纹、气孔等缺陷。吸附净化中，旋转喷吹熔剂法应用广泛，通过旋转喷吹除气与熔剂添加相结合实现除气除杂;旋转脉冲喷吹除气新工艺采用脉冲进气方式，可产生微米级气泡，提升净化效果;铝合金熔体旋转喷吹除气净化设备通过在转杆内部安装进气管道降低温度，避免熔剂高温软化堵塞喷头，配套的铝合金熔体覆盖保护和化学净化原理，利用可析出净化原子的熔剂，摆脱了分子除氢中气泡大小对除氢效率的影响。非吸附净化领域，超声处理利用空化作用促使气泡聚集析出，高频交变磁场净化技术表现突出，可使 6μm Al₂O₃夹杂物分离率超过 95%，且方形分离器通道分离效率高于圆形;连续交流磁场净化工艺在电流密度 400A/cm² 时，10s 内即可除去 95% 的夹杂物。目前，铝熔体净化技术可将夹杂物控制在微米级，但氢含量仅能达到 0.1mL/100gAl，仍是制约铝合金性能提升的关键因素。
熔体孕育处理包括晶粒细化和变质处理，对改善铝合金组织、提高综合性能具有重要作用。晶粒细化剂以 Al-Ti-B 或 Al-Ti-C 中间合金应用最广，研究表明，向 A357 合金中添加 1.5% 的 Al-5Ti-1B 或 Al-3Ti-3B 中间合金时细化效果最佳，且 Al-3Ti-3B 中间合金细化效果优于 Al-5Ti-1B。变质处理方面，Al-Si 系合金中粗大共晶硅相呈树枝状，会割裂 α-Al 基体，Sr 变质可有效细化共晶硅，提升合金力学性能;在 Al-Cu 系合金中添加 Yb、Ce、Er、La、Pr 等稀土元素，能提高析出相稳定性并形成析出强化相，增强合金室温和高温性能。
熔体均匀化方面，Al-Cu 系合金合金化程度高、凝固区间宽、偏析严重，熔体处理不均匀易导致铸件出现热裂、缩松、缩孔等缺陷。目前大型铝合金铸件熔体均匀化主要依赖人工搅拌，为实现机械自动化，相关研究取得积极进展：脉冲超声工艺对 ZL205A 合金微观组织和偏析现象改善显著，最佳工艺参数为脉冲超声功率 1200W、施振时间 120s、频率 1.67kHz，可通过改变 Cu 元素分布曲线和溶质再分配行为改善微观偏析;行波磁场的应用能使 ZL205A 合金中 Cu 元素分布更均匀，细化颗粒相迁移并均匀分布，提高试样上部形核率、减小晶粒尺寸;相比单一超声场，超声和压力耦合方法可促使熔体形成均匀温度场，消除铸锭内部晶粒细化差异，使微观组织分布更均匀。
当前，熔体处理技术多数仍处于试验阶段或仅应用于小型铝合金铸件，且研究因素较为单一。对于大型铝合金复杂铸件，熔体量大、处理时间长、各因素相互影响，现有技术难以满足工程应用对熔体质量的要求，尤其在航空航天领域，需深入研究各因素交互作用机理，不断提升熔体质量及铸件本体性能。
(三)铝合金热处理与组织调控技术发展
热处理通过固溶强化和析出强化的双重作用，显著提升铝合金铸件性能，合理选择热处理参数及工艺对优化铝合金微观组织、发挥材料潜力至关重要。
固溶处理方面，不同铝合金的适宜固溶参数存在差异。对 ZL114A 合金进行热处理时，固溶温度达到 550℃会导致晶粒粗大、出现过烧现象，最合适的热处理工艺参数为 535℃/12h+155℃/6h;Al-Cu-Mn 系铸造铝合金在 550℃×10h(固溶)+170℃×5h(时效)工艺下性能最佳。多级固溶方式相比单级固溶，能使第二相粒子更充分地溶入基体，提升固溶效果;新型高温固溶强化制度通过在临界过烧温度下进行短时高温固溶处理，有效解决了高含量合金在常规固溶制度下第二相粒子固溶不充分的问题，结合不同时效温度下合金析出相的种类和形貌分布分析，可为不同服役条件下的热处理工艺选择提供理论支撑。
时效工艺是改善铝合金微观组织、提高性能的关键，目前行业内工程生产多采用单级时效，但铸造铝合金成分复杂，单一时效处理难以充分发挥高强韧铸造铝合金的优势。双级时效、回归再时效、双峰时效等工艺成为研究热点，有望通过进一步研究实现工程应用，为铝合金铸件性能提升开辟新路径。
(四)铝合金大型复杂铸件生产装备升级迭代
目前，大型复杂铝合金铸件(砂型铸造或熔模精密铸造)均采用反重力浇注成形，主要包括低压铸造、真空吸铸和差压(正压或负压)铸造。反重力铸造装置通常由上罐体、下罐体、中隔板、保温炉和升液管等组成，铸型置于上罐内，金属保温炉位于下罐内，可实现多种铸造方式，国内外相关装备技术相对成熟，基本满足高质量铸件生产需求。
在铸型生产方面，产品研制阶段可采用 3D 打印砂型或蜡模的方法，现有 3D 打印装备技术成熟。但航空航天领域的铝合金铸件质量要求高、铸造工艺设计复杂，且多为单件小批量生产，市场中成熟的铸型批生产自动化装备难以适配，人工操作介入较多，增加了批生产过程质量控制难度。由于生产工艺及产品种类差异较大，企业需根据自身特点针对性开发非标自动化装备，但受产品种类繁多影响，实现完全自动化难度较高。此外，航空航天铸造企业普遍存在生产过程质量基础数据采集不足的问题，不仅影响生产质量稳定性，也限制了大型复杂铝合金铸件性能的进一步提升。
四、铝合金大型复杂铸造技术未来发展展望与总结
铝合金材料正朝着高综合性能、低密度、大规格、高均匀性和材料 / 结构一体化方向发展，为航空航天和高端装备高性能制造提供重要支撑。大型高强韧复杂铝合金铸件是现代航空、航天轻量化发展的基础装备需求，高强韧铝合金材料也是未来科学与工程研究的热点领域。
未来，铝合金大型复杂铸造技术将围绕以下方向突破：一是突破铝合金复合铸型内部质量调控技术、大型复杂构件尺寸稳定化控制技术，解决单一铸型在尺寸精度、力学性能及内部质量方面难以综合兼顾的难题，满足不断提高的铸件性能要求;二是重视铝合金新材料开发应用，以铝锂合金、高强耐热铝合金等为核心，为铸件轻量化、高强化、耐热化提供材料支撑，同时深入研究熔体处理各关键因素交互作用机理及铸件凝固过程中温度场、流动场对合金组织和缺陷的影响，建立高质量铸件制造准则;三是探索新型热处理工艺及强化机理，如多级高固溶温度处理 + 多级时效处理、重固溶 + 多级时效处理、强变形诱导析出相回归后再时效等，提高合金基体高过饱和固溶度和沉淀相体积分数，进一步提升铸件力学性能上限;四是加大自动化装备设计开发力度，结合企业自身特点优化生产工艺，适应装备自动化升级需求，同时重视铸造工艺及质量基础数据采集，为铸件性能提升和质量可靠性改善提供支撑。
中国报告大厅《2025-2030年中国铝合金行业市场调查研究及投资前景分析报告》指出，总结来看，铝合金作为航空航天领域的核心材料，其大型复杂铸件的制造技术水平直接关系到高端装备的性能提升。当前，铝合金大型复杂铸件在生产中面临尺寸精度、内部质量、本体力学性能三大核心瓶颈，国内外通过砂型铸造和熔模铸造工艺的创新应用，已实现多种规格、不同性能要求的铝合金铸件量产，但仍存在技术优化空间。在材料研发、熔体处理、热处理组织调控及生产装备等核心技术领域，一系列创新成果为铝合金铸件质量提升提供了有力支撑，而铝锂合金等新型材料的研发和应用则为行业发展注入新动力。未来，随着复合铸型技术、新型热处理工艺、自动化装备及数据采集技术的不断突破，铝合金大型复杂铸造技术将朝着更高精度、更优性能、更高效生产的方向发展，为航空航天及高端装备制造业的持续进步提供坚实保障。
