一種薄芯冷卻葉片熔鑄工藝的研究

李 波，劉 艷，李 雪，尚 偉，周君華，潘國志，孫長波

(沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043)

某發(fā)動機(jī)低壓渦輪工作葉片鑄件為空心帶冠無余量等軸晶鑄造葉片，由于型芯細(xì)薄長的結(jié)構(gòu)使型芯易斷，造成鑄造工藝極大的難度.先期的研制工作中已先后解決了型芯壓制充型、型芯燒結(jié)變形，型芯在外型模中定位，蠟?zāi)褐茢嘈九c壁厚均勻等技術(shù)難題，但在鑄件澆注工序中大量鑄件因斷漏芯而報廢，同時，在為避免斷芯采取技術(shù)措施過程中出現(xiàn)了疏松、裂紋等缺陷.

1 鑄件簡介

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

本文研究載體是K465合金空心渦輪工作葉片(圖1)，葉身薄、窄弦、倒梯形榫頭、葉冠為平行四邊形，需無余量等軸晶鑄造，其形成內(nèi)腔的陶瓷型芯為細(xì)薄葉狀(圖2)，最厚處1.5 mm，型面有18條橫凹，最薄處0.5 mm，鑄件兩個內(nèi)腔將型芯分割成薄弱的兩部份，葉冠出口處型芯細(xì)小，約1.5 mm×3 mm.

圖1 低壓渦輪工作葉片

圖2 低壓渦輪工作葉片陶瓷型芯

1.2 難點(diǎn)分析

熔模鑄造過程型殼透氣性差、散熱較快，鑄件易產(chǎn)生宏/微觀縮孔縮松和粗大晶粒等缺陷影響質(zhì)量［1］.鑄件材料為K465合金，并要求表面晶粒細(xì)化，該合金高溫性能對凝固組織的敏感性很強(qiáng)，所以晶粒細(xì)化效果相當(dāng)重要［2-5］;由于型芯的結(jié)構(gòu)，形成了二個型芯強(qiáng)度薄弱點(diǎn):第一處在形成葉冠出口的1.5 mm×3 mm小芯頭根部.此處不僅型芯尺寸細(xì)小，還因為截面突變造成應(yīng)力集中，型芯易斷;第二處在型芯排氣邊一側(cè)的靠近葉尖處的橫凹處.由于型芯除榫頭處與葉尖處以外的葉身部位分為進(jìn)氣與排氣二個部分，且排氣一側(cè)窄而薄，靠近葉尖處的橫凹最薄弱，70%的鑄件斷芯部位在此處.

鑄件為無余量鑄造，同時對表面晶粒尺寸有嚴(yán)格要求，所以在設(shè)計工藝方案解決斷芯、疏松等缺陷的同時，必須考慮到對晶粒尺寸的影響.

2 試驗

2.1 晶粒度試驗

本葉片要求表面晶粒細(xì)化，在制殼工藝中已經(jīng)采取了鋁酸鈷孕育劑細(xì)化鑄件表面晶粒的措施，但在澆注工序還需采取合適的工藝即熱控法［6-7］，否則會造成晶粒粗大.在試驗過程中分別針對不同的熔鑄設(shè)備和保溫材料設(shè)計了6種方式，其晶粒度試驗結(jié)果見表1.

表1 晶粒度試驗結(jié)果

從表1結(jié)果看，除第1種方式有柱狀晶外，其余方式都可滿足晶粒要求.而6種方式的差別主要在于型殼熱量損失速度越來越小，澆注溫度逐漸降低，結(jié)果不好的第1種方式澆注溫度最高.這說明即便型殼溫度較高，只要澆注溫度降低到適當(dāng)?shù)臄?shù)值，就可實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化.

等軸晶葉片鑄件表面細(xì)化的要素在于表面孕育劑的使用和控制鑄件澆注后晶粒長大的時間.而晶粒長大的時間取決于鑄件冷卻的速度，也就是和澆注溫度、型殼溫度、冷卻速度、澆注速度等因素有關(guān)［6-7］.晶粒試驗中，4種型殼預(yù)熱工藝，按保持型殼不降溫或降溫速度較慢的順序排列為加熱器→保溫氈→煤矸石砂→石英砂，所以，在使用保溫效果好的材料時應(yīng)適當(dāng)降低澆注溫度，縮短晶粒長大時間.低溫澆注細(xì)化晶粒是精密鑄造的一般原則，東北大學(xué)和墨爾本大學(xué)提出低溫液相線鑄造，己經(jīng)成功制造出細(xì)小的非枝晶組織A7075、AZ168、A356 等半固態(tài)合金錠坯［8-9］.但同時為了不產(chǎn)生冷隔或欠鑄就要提高型殼溫度或選擇保溫效果好的材料，達(dá)到從型殼離開加熱源到澆注時型殼熱量損失盡量少的目的.而澆注速度較慢有利于晶粒細(xì)化，有時可以起到鋼水沖刷鑄型壁從而使剛剛結(jié)晶的固體顆粒充當(dāng)細(xì)小晶核的效果.同時，對于本次研究對象來說，低溫慢速澆注可以降低細(xì)薄型芯的斷芯率，所以，在保證晶粒尺寸合格的前提下，為實(shí)現(xiàn)低溫慢速澆注就必須選擇保溫效果好的方式.

2.2 工藝試驗的深入

生產(chǎn)設(shè)備的選擇原則之一是低成本.在鑄件研制試驗初期首選了單室真空爐，在晶粒度試驗中已經(jīng)得到了低溫慢速澆注有利于晶粒細(xì)化和防止斷芯的結(jié)論，而由于型殼入爐后單室爐在抽真空的過程中溫度會降低很多，不能滿足鑄件對型殼溫度的要求，所以工藝試驗第一步從三室爐澆注開始.

步驟一:三室爐澆注鑄件試驗.

在三室爐澆注工藝試驗中設(shè)計了二種澆注工藝方案，澆注系統(tǒng)如圖3所示，并在方案2的澆注溫度設(shè)計時，采納了K465合金相對應(yīng)俄羅斯牌號ЖС6У的最佳澆注溫度1 480℃.

方案1:澆注溫度1 520℃;型殼預(yù)熱為980℃;填砂材料為四周保溫氈，中間煤矸石砂;澆注速度5 s.

方案2:澆注溫度:1 480℃;型殼預(yù)熱為1 120℃;填砂材料為保溫氈;澆注速度5 s.試驗結(jié)果見表2.

圖3 澆注系統(tǒng)設(shè)計方案

表2 三室爐澆注試驗結(jié)果

從表2可以看出，鑄件的主要廢品原因是斷漏芯，斷芯部位集中在排氣邊靠邊葉冠部，前邊已經(jīng)交待過，此處是型芯最薄弱處，還有一部份在葉冠出口的型芯小端處.從試驗結(jié)果看，采用方案1時斷芯率相對低，但晶粒細(xì)化效果遠(yuǎn)不如方案2.分析認(rèn)為:

1)榫頭朝上的方案斷芯率太高，在后續(xù)的試驗中不予考慮，榫頭朝下的底注方式有利于減少斷芯;

2)1 480℃的澆注溫度可以滿足充型要求，晶粒細(xì)化效果好;

3)斷芯的原因是受到金屬液的沖擊，如采用爐內(nèi)加熱器加熱型殼并保溫可提高型殼溫度，從而減緩澆注速度降低斷芯率;

4)如通過調(diào)整澆注系統(tǒng)使金屬平穩(wěn)上升，可減小對型芯的沖擊力，從而降低斷芯率.

步驟二:定向爐澆注工藝.

試驗:

澆注溫度1 480℃;

型殼預(yù)熱1 180℃;

澆注速度7 s;

澆注設(shè)備為D3/A定向爐;

型殼預(yù)熱方式為爐內(nèi)加熱器;

澆注系統(tǒng)設(shè)計分為方案3、4、5，見圖4.

圖4 澆注系統(tǒng)設(shè)計方案

試驗結(jié)果如下:

方案3澆注5組20件，晶粒度1～3級，斷芯4件，斷芯率20%，但在葉冠下葉身1/3處發(fā)現(xiàn)疏松，因超標(biāo)而報廢的11件，占X檢驗提交總數(shù)19件的69%.

方案4澆注5組20件，1～3級，斷芯7件，斷芯率35%，X檢驗未發(fā)現(xiàn)疏松，經(jīng)解剖檢查為顯微疏松1～2級，符合標(biāo)準(zhǔn).

方案5澆注5組20件，1～3級，斷芯4件，斷芯率20%，X檢驗未發(fā)現(xiàn)疏松，經(jīng)解剖檢查為顯微疏松1～2級，符合標(biāo)準(zhǔn).

結(jié)果分析:圖5的方案去掉了由直澆道引向葉冠處的橫澆道，改為在葉冠頂增加暗冒口的方式，目的是使液態(tài)金屬由葉片鑄件底部平穩(wěn)上升，使型芯不受到來自葉冠處金屬液的沖擊，降低了斷芯率，但暗冒口的金屬液是經(jīng)葉片由下向上推進(jìn)的，到達(dá)的金屬液是先進(jìn)入鑄型的，比后續(xù)到達(dá)鑄型的已經(jīng)損失了熱量，降低了溫度，補(bǔ)縮能力下降;同時，這種U型式的液體連通使暗冒口不能得到來自澆口杯及直澆道的自上而下的壓力補(bǔ)充;而通過葉片向暗冒口輸送高溫液體使葉片在葉冠下的1/3處更易過熱.綜合以上因素，在葉冠下的1/3處產(chǎn)生了疏松缺陷.

在經(jīng)歷了方案3失敗后，設(shè)計了方案4和5，并進(jìn)行了計算機(jī)數(shù)值模擬，其目的是達(dá)到方案3與方案1的綜合效果，即金屬液由底部平穩(wěn)上升到葉冠時，已經(jīng)避免了對型芯最薄弱處的沖擊，這時來自直澆道的后續(xù)進(jìn)入的高溫金屬液經(jīng)由增加的橫澆道到達(dá)葉冠上部的冒口對葉冠及以下部位進(jìn)行補(bǔ)縮.而實(shí)際結(jié)果是二種方案都實(shí)現(xiàn)了鑄件補(bǔ)縮，避免了疏松缺陷，但方案4斷芯率上升，這說明方案5中的橫澆道截面尺寸與放置的位置恰到好處，而方案4橫澆道截面過大，位置過低，與數(shù)值模擬的充型效果基本一致.

圖5 數(shù)值模擬鑄件充型

3 試驗結(jié)果分析

凝固過程是指金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程.按照鑄件凝固的理論，和宏觀縮孔、宏觀疏松一樣，形成顯微疏松的基本原因是在金屬凝固過程中金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮遠(yuǎn)大于固態(tài)收縮.鑄件首先從最外層開始凝固，中心部分尚處于液態(tài)，二者之間是液固并存的凝固區(qū).樹枝狀晶的樹枝間充滿蝕液，在這部分液體凝固時，雖然形成的孔洞具有毛細(xì)管作用，但是往往由于析出氣體的反壓力，液體金屬本身的粘度及潤濕性差，使尚未凝固的液體不能完全充滿這些孔洞，因而產(chǎn)生顯微疏松［10-14］.

顯微疏松的產(chǎn)生，主要決定于在同一時間內(nèi)沿鑄件截面上凝固區(qū)域的寬度和晶間蝕液收縮時尚未凝固的液體充滿晶間縮孔的能力.鑄造耐熱合金的凝固溫度都較寬，熔模鑄造時采用的又是預(yù)熱至熾熱的鑄型，合金熱量散失緩慢，沿鑄件截面上的溫度分布得比較均勻，因而產(chǎn)生顯微疏松的傾向大［15］.因此，為了減小顯微疏松的總體積，減輕顯微疏松的程度，就必須從改善枝晶間蝕液凝固時的補(bǔ)縮條件著手.圖5的方案在葉冠的上部增加了直澆道對葉片的補(bǔ)縮通道，加強(qiáng)了澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮能力，造成順序凝固的條件，能使葉片得到充分的補(bǔ)縮，并將顯微疏松引入了澆注系統(tǒng).然而，澆注系統(tǒng)的加大也有限度，過大的澆注系統(tǒng)不但增加合金的消耗，而且不利于合金凝固時的散熱，不利于鑄件凝固的熱區(qū)分布，易于造成晶粒粗大，易于產(chǎn)生柱狀晶.提高澆注溫度，增加合金的過熱度，同時，提高鑄型溫度，減少合金的熱量損失，都能降低合金的粘度，增加未凝固的合金充滿晶間縮孔的能力，減輕顯微疏松.但過高的澆注溫度會使晶粒變粗，鑄型溫度受到型殼耐溫能力的限制也不能無限提高.同時，由于該鑄件的易產(chǎn)生澆注斷芯的特點(diǎn)，最后設(shè)計的澆注系統(tǒng)和澆注工藝參數(shù)達(dá)到了高溫合金在高溫液態(tài)下充型時底注液流和頂注液流在鑄件厚大處——葉冠交匯的目的，避開了型芯的薄弱環(huán)節(jié)受到高溫液態(tài)金屬的沖擊，又完成了頂注液流對葉冠部份的充型使鑄件葉冠下的葉身部分的疏松缺陷得以消除.所以方案5工藝參數(shù)與澆注系統(tǒng)設(shè)計配合恰到好處，成為鑄件生產(chǎn)的最終方案.

4 研制批質(zhì)量情況

按方案5進(jìn)行的研制生產(chǎn)質(zhì)量情況見表3.

表3 研制批質(zhì)量情況

5 結(jié)論

1)鑄件晶粒形成尺寸和型殼溫度、澆注溫度的搭配有關(guān)，提高型殼溫度，降低澆注溫度有利于晶粒細(xì)化.

2)榫頭朝下的澆注系統(tǒng)設(shè)計方案有利于降低鑄件斷芯率.

3)細(xì)薄型芯葉片的澆注系統(tǒng)和澆注工藝參數(shù)必須優(yōu)化配合才能實(shí)現(xiàn).

4)定向結(jié)晶爐加熱器的功能可有效提高鑄型溫度，是帶有細(xì)薄型芯空心葉片鑄件優(yōu)于三室爐的設(shè)備選擇.

5)方案5的設(shè)計達(dá)到了低溫澆注細(xì)化晶粒、鑄型慢速充填減少斷芯、冒口有效補(bǔ)縮實(shí)現(xiàn)順序凝固的優(yōu)化組合，并在生產(chǎn)中得到驗證，確定為最終的澆注工藝方案.

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