航空發(fā)動(dòng)機(jī)異形構(gòu)件精密鑄造技術(shù)

■ 張龍飛 郭釗 譚詩薪 蔣明 / 中國航發(fā)南方

精密鑄造廣泛應(yīng)用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械加工困難的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣、導(dǎo)向器和葉片等熱端部件。中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件因結(jié)構(gòu)集成化程度較高、異形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)顯著，給精密鑄造技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

精密鑄造又稱熔模精密鑄造、失蠟鑄造，通常指通過蠟料復(fù)制零件，然后在蠟料表面涂覆耐火材料形成型殼，再熔化脫除蠟料，最后向型殼中注入金屬液形成鑄件的工藝過程，如圖1所示。我國早在春秋時(shí)期就采用精密鑄造工藝制造出了各種精美的青銅器皿、鐘鼎及各類藝術(shù)品。20世紀(jì)40年代，精密鑄造工藝開始用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金渦輪葉片，并展現(xiàn)出了優(yōu)良的工藝優(yōu)勢，此后逐漸廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)制造領(lǐng)域。

圖1 精密鑄造主要工藝過程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件精密鑄造工藝具有相當(dāng)高的技術(shù)難度。一方面

精密鑄造工藝過程涉及的工序繁多，生產(chǎn)周期長，且各工序均存在不同程度上影響精鑄件冶金質(zhì)量和尺寸形狀的技術(shù)因素；另一方面為保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役安全，精鑄件的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目多，并且各項(xiàng)目的技術(shù)條件十分嚴(yán)苛，任何化學(xué)成分、力學(xué)性能、晶粒度、顯微組織、表面質(zhì)量、內(nèi)部冶金質(zhì)量或尺寸外形等因素的不合格都將導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。

在中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，精密鑄造技術(shù)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這類發(fā)動(dòng)機(jī)由于輕量化和整體化的設(shè)計(jì)需求，大量精鑄件結(jié)構(gòu)高度集成化。例如，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的級間導(dǎo)向器整體鑄件集成了渦輪級間機(jī)匣、動(dòng)力渦輪一級導(dǎo)向器和級間軸承座；渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)承力機(jī)匣前段由承力部件、噴射滑油部件、空氣管路和油管等構(gòu)成；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)子由渦輪盤和渦輪葉片整體鑄造，如圖2所示。

圖2 典型異形構(gòu)件精鑄件

這類形狀不規(guī)則、空間結(jié)構(gòu)緊湊且厚度不均的異形構(gòu)件顯著增加了陶瓷型芯、蠟?zāi)３尚巍驳老到y(tǒng)設(shè)計(jì)、型殼制備和熔煉澆注等過程的技術(shù)難度，導(dǎo)致精鑄件冶金質(zhì)量和尺寸精度控制難度升級，本文主要從陶瓷型芯技術(shù)、蠟?zāi)Ｖ苽浼夹g(shù)、型殼制備技術(shù)、晶粒組織控制技術(shù)和鑄造模擬仿真技術(shù)等方面來闡述異形構(gòu)件精密鑄造技術(shù)。

環(huán)狀薄壁陶瓷型芯技術(shù)

復(fù)雜薄壁整體結(jié)構(gòu)件往往帶有復(fù)雜內(nèi)腔、管路、油路和氣腔等，這些半封閉復(fù)雜結(jié)構(gòu)無法在蠟?zāi)３尚螘r(shí)通過模具直接成形，在制殼階段也無法被耐火材料充分覆蓋或填實(shí)。在蠟?zāi)Ｖ蓄A(yù)置陶瓷型芯是解決該類問題的重要技術(shù)手段，其中承力機(jī)匣前段、后段和軸承座主體等結(jié)構(gòu)件則必須采用環(huán)狀薄壁陶瓷型芯，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 環(huán)狀復(fù)雜薄壁型芯

環(huán)狀薄壁陶瓷型芯的主要技術(shù)難點(diǎn)在于尺寸較大且壁厚薄，導(dǎo)致型芯在焙燒過程中容易變形或斷裂，在蠟?zāi)Ｗ⑸涑尚螘r(shí)容易被蠟料擠壓斷裂，并且在熔煉澆注時(shí)容易由于高溫金屬液沖擊而變形或斷裂。對此采用的型芯制備技術(shù)手段主要包括：研制高固相漿料用增塑劑，提高型芯料漿的流動(dòng)性和充型能力；改進(jìn)陶瓷型芯漿料配方，從而降低陶瓷型芯的收縮和變形量；優(yōu)化型芯焙燒工藝，減少型芯變形和開裂傾向；在陶瓷型芯上增加補(bǔ)貼，防止焙燒時(shí)各向異性收縮導(dǎo)致陶瓷型芯內(nèi)應(yīng)力不均勻而斷裂，焙燒后再將補(bǔ)貼打磨去除。

整體蠟?zāi)Ｖ苽浼夹g(shù)

在成形過程中，蠟?zāi)５谋砻尜|(zhì)量和尺寸精度控制十分關(guān)鍵，因?yàn)檫@直接影響到精鑄件的最終表面質(zhì)量及尺寸。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的整體件，由于模具的分型面難以設(shè)定，行業(yè)內(nèi)通常采用先拆分再拼裝的蠟?zāi)３尚畏绞剑聪葘⒄w件拆分成多個(gè)容易注射成形的分體結(jié)構(gòu)，然后再借助定位工裝將其拼裝并焊接成整體。

拼裝成形蠟?zāi)Ｖ饕嬖诘募夹g(shù)問題有：尺寸一致性差，拼裝與焊接均由手工完成，無法穩(wěn)定控制每次拼裝時(shí)分體蠟?zāi)Ｅc工裝基準(zhǔn)的貼合程度以及焊接時(shí)蠟?zāi)５氖軣嶙冃纬潭?，?dǎo)致整體蠟?zāi)３叽绮▌?dòng)；表面質(zhì)量難以保證，焊接處由手工填蠟、熔焊和修整，導(dǎo)致焊縫及周邊區(qū)域的蠟?zāi)１砻尜|(zhì)量易受損，并且手工焊接容易出現(xiàn)虛焊和漏焊，導(dǎo)致焊縫區(qū)域在熱應(yīng)力作用下容易開裂，最終影響型殼質(zhì)量，導(dǎo)致鑄件表面質(zhì)量不合格或形成夾渣缺陷。

整體蠟?zāi)＜夹g(shù)是指采用高精度模具單次壓制整體蠟?zāi)３尚?，無須進(jìn)行手工拼裝和修整，從而達(dá)到穩(wěn)定控制蠟?zāi)３叽缇炔⑻嵘砻尜|(zhì)量的目的。然而，整體蠟?zāi)Ｄ壳懊媾R的主要技術(shù)問題有：整體結(jié)構(gòu)差異造成蠟料各向異性收縮，導(dǎo)致蠟?zāi)Ｗ冃?；整體模具涉及活塊多，方案設(shè)計(jì)困難。對此，一方面需要基于大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來預(yù)測整體蠟?zāi)５氖湛s變形規(guī)律，從而在模具設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)置合理的蠟?zāi)Ｗ冃窝a(bǔ)償量；另一方面需要開發(fā)仿真技術(shù)來優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案，同時(shí)還需開發(fā)優(yōu)質(zhì)水溶芯來解決整體蠟?zāi)ｉ_合模問題和保證蠟?zāi)１砻尜|(zhì)量。通過上述措施，目前部分渦輪導(dǎo)向器、轉(zhuǎn)子和多聯(lián)導(dǎo)向葉片已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)整體蠟?zāi)３尚巍?/p>

高性能型殼制備技術(shù)

型殼質(zhì)量是影響精鑄件質(zhì)量最顯著的因素。鑄件常見的表面缺陷如飛翅、流紋、毛刺、鐵瘤、氣孔、針孔、分層、落砂、鼓脹、凹陷、變形和開裂等，大部分都?xì)w因于型殼表面裂紋、蟻孔、氣泡，型殼硬化不徹底或透氣性差，焙燒不完全，高溫吸氣以及型殼與金屬液反應(yīng)等。統(tǒng)計(jì)表明，由型殼質(zhì)量不良造成的精鑄件返修或報(bào)廢比例高達(dá)60%～70%。

高性能型殼本身應(yīng)具有優(yōu)異的抗熱震性、高溫強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能、內(nèi)表面高溫穩(wěn)定性和低粗糙度等，以滿足金屬液高溫沖擊、高溫化學(xué)反應(yīng)和凝固散熱等方面的性能需求。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間結(jié)構(gòu)緊湊的異形件，型殼制備過程中存在的主要技術(shù)難點(diǎn)包括：沾漿時(shí)陶瓷料漿容易在蠟?zāi)９战翘幎逊e，難以在蠟?zāi)１砻嫘纬删鶆虻牧蠞{層；撒砂時(shí)砂粒難以涂覆到被異形結(jié)構(gòu)遮擋的區(qū)域，造成涂覆厚度不均勻；干燥時(shí)型殼厚大部位難以徹底硬化；脫蠟時(shí)由于蠟料受熱膨脹以及結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的排蠟受阻，型殼容易被脹裂；異形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致殘留或進(jìn)入型殼內(nèi)部的異物難以清理，造成鑄件夾渣。

目前，精鑄件型殼普遍采用硅溶膠為黏結(jié)劑，而根據(jù)耐火材料的不同，型殼主要分為鋯英砂系、剛玉砂系和莫來石系。其主要制備技術(shù)要點(diǎn)包括：嚴(yán)格控制耐火材料的純度和粒度，硅溶膠的濃度，以及耐火材料、礦化劑和硅溶膠的比例，陶瓷料漿的攪拌時(shí)間和黏度等，以穩(wěn)定控制涂料厚度和均勻性；嚴(yán)格控制制殼間環(huán)境溫濕度、風(fēng)速和風(fēng)量等，以穩(wěn)定控制型殼的干燥速率和干燥程度；制定合理的陶瓷料漿配比、涂覆層數(shù)、干燥和焙燒工藝，以獲得表面質(zhì)量良好、尺寸精度高、高溫強(qiáng)度高且鑄件冷卻過程中潰散性良好的型殼；增設(shè)蠟?zāi)Ｅ畔灴诤涂刂茲驳老炁c零件蠟的溫度差異，以獲得可控的蠟?zāi)Ｈ刍樞?，改善機(jī)匣和導(dǎo)向器類型殼脫蠟時(shí)由于蠟?zāi)Ｅ蛎浂a(chǎn)生裂紋。

晶粒組織控制技術(shù)

晶粒組織影響合金的抗疲勞、抗蠕變和抗熱沖擊等關(guān)鍵高溫性能，因此是精鑄件冶金質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。高溫合金等軸晶精鑄件最常見的晶粒缺陷包括薄壁邊緣區(qū)域出現(xiàn)的垂直于邊緣的柱狀晶，以及厚大部位出現(xiàn)的粗大晶粒。目前，精鑄件晶粒組織控制技術(shù)的主要手段可分為熱控法、化學(xué)法和動(dòng)力學(xué)法。

熱控法是指通過控制型殼預(yù)熱溫度、金屬液的精煉溫度和時(shí)間，來增加金屬在凝固時(shí)的過冷度和冷卻速率，從而達(dá)到限制晶粒長大和細(xì)化晶粒的目的。豪梅特（Howmet）和PCC等公司采用熱控法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜薄壁件內(nèi)部致密度和晶粒組織的綜合控制，晶粒度等級（ASTM）達(dá)到了3級。目前，國內(nèi)各大高校和科研機(jī)構(gòu)，包括西北工業(yè)大學(xué)、鋼鐵研究總院、中國航發(fā)航材院和中科院沈陽金屬研究所等，均已對熱控法開展了廣泛的應(yīng)用研究。例如，鋼鐵研究總院已經(jīng)應(yīng)用熱控法實(shí)現(xiàn)了ASTM 2～3級且充型完整的K4202合金復(fù)雜薄壁件。異形構(gòu)件由于金屬液充型困難，采用熱控法降低澆注溫度后，容易導(dǎo)致鑄件充型不完整，因此熱控法在異形鑄件上的應(yīng)用受限。目前，在熱控法的基礎(chǔ)上應(yīng)用離心鑄造技術(shù)是解決渦輪導(dǎo)向器和轉(zhuǎn)子類鑄件充型和晶粒度控制難題的一個(gè)研究方向。

化學(xué)法是指向金屬液中加入形核劑，或間接在型殼內(nèi)表面涂覆形核劑，促使金屬液在凝固時(shí)形成大量非均質(zhì)核心，從而使晶粒組織達(dá)到整體細(xì)化或表面細(xì)化的效果。目前，精鑄件普遍采用以鋁酸鈷（CoAl2O4）為孕育劑的表面細(xì)化技術(shù)。通過控制鋯英粉與鋁酸鈷的粒度分布，以及陶瓷料漿中鋯英粉、鋁酸鈷與硅溶膠之間的配比，可以獲得匹配熔煉澆注工藝的表面細(xì)化涂料和表面細(xì)化技術(shù)，顯著降低整體導(dǎo)向器、導(dǎo)向葉片和渦輪轉(zhuǎn)子類精鑄件在葉片排氣邊薄壁區(qū)域出現(xiàn)柱狀晶缺陷的比例。

動(dòng)力學(xué)法是指在金屬液澆注和凝固過程中施加外力，迫使金屬液產(chǎn)生振動(dòng)或攪動(dòng)，使已長大的枝晶破碎形成大量晶核，從而獲得晶粒細(xì)化的鑄件。中國航發(fā)航材院應(yīng)用鑄型攪動(dòng)技術(shù)在K492M合金向心葉輪上實(shí)現(xiàn)了整體細(xì)晶鑄造，平均晶粒等級達(dá)到ASTM 1級。中國航發(fā)南方目前正聯(lián)合東北大學(xué)開展基于電磁振蕩原理的晶粒細(xì)化技術(shù)應(yīng)用研究，用于控制導(dǎo)向器和機(jī)匣類結(jié)構(gòu)件的晶粒組織。

鑄造模擬仿真技術(shù)

精密鑄造工藝涉及工序繁多并且生產(chǎn)資源昂貴，導(dǎo)致鑄造工藝參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證周期漫長且成本高昂。近年來，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，鑄造模擬仿真技術(shù)取得了長足進(jìn)步，其基礎(chǔ)和應(yīng)用研究也越來越受到國內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和精密鑄造企業(yè)的重視。圖4為葉輪外罩使用Procast仿真工具輔助解決內(nèi)部疏松的示例，通過分析鑄件實(shí)體的熱節(jié)分布和模擬計(jì)算冒口的補(bǔ)縮效果，選取了合理的澆道冒口系統(tǒng)，使葉輪外罩熱節(jié)處的疏松得以消除。

圖4 借助模擬仿真技術(shù)解決葉輪外罩鑄件內(nèi)部疏松實(shí)例

鑄造模擬仿真技術(shù)的主要優(yōu)勢在于可以直觀地展現(xiàn)鑄造過程中金屬液的流動(dòng)模式、鑄件凝固時(shí)溫度場、應(yīng)力場和顯微組織演化過程，從而迅速預(yù)測鑄件出現(xiàn)欠鑄、疏松、變形和裂紋等缺陷的傾向，指導(dǎo)工藝優(yōu)化方向，提高精鑄件的研發(fā)效率。然而，鑄造模擬仿真結(jié)果強(qiáng)烈依賴于采用的仿真模型、性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫和設(shè)定的邊界條件等，這要求仿真工具具備成熟的計(jì)算模型和完善的材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫。因此，仿真技術(shù)的開發(fā)需要基于實(shí)際的澆注過程持續(xù)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，不斷完善材料及工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以提高仿真過程與實(shí)際工藝過程的匹配度。此外，仿真人員不僅要深刻理解精密鑄造工藝過程，而且要熟知數(shù)值模擬背后的基本原理和算法，這樣才能借助鑄造模擬仿真工具得到具有參考意義的模擬計(jì)算結(jié)果。

結(jié)束語

中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)異形構(gòu)件不規(guī)則、復(fù)雜和緊湊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給精鑄件蠟?zāi)Ｖ苽?、型殼制備、凝固組織控制和尺寸控制等帶來了獨(dú)特的技術(shù)挑戰(zhàn)。針對異形構(gòu)件的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展環(huán)狀薄壁陶瓷型芯技術(shù)、整體蠟?zāi)＜夹g(shù)、高性能型殼制備技術(shù)和晶粒組織控制技術(shù)和鑄造模擬仿真技術(shù)，是提高異形構(gòu)件冶金質(zhì)量和尺寸精度的重要技術(shù)手段。