航空发动机复杂薄壁件精密铸造技术研究

张海龙，蒋 明，赵 辉，雷四雄，赵彦杰，李 飞，王国祥

(1. 中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412000；2. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240)

0 引言

K447A镍基高温合金具有良好的铸造性能，优异的高温强度、耐热腐蚀性能，可靠性高，成本低，其开发与应用填补了我国在1 000℃以上工作的多种定向/细晶等高温构件材料的空白。该合金中主要加入了Cr， Co， W， Mo等元素，其目的是为了获得更好的组织稳定性和更高的使用温度，可用于制作1 050℃下的航空发动机涡轮盘、导向器等关键热端部件[1-5]。某型号中小航空发动机用K447A高温合金铸件的最大轮廓直径为366 mm，高度为210 mm。除具有大面积薄壁和较多的变截面结构外，该铸件的正面和反面还各有一个V形的环状窄槽结构，内环与外环之间分布有5个空心支板，壁厚仅为1.5 mm，在外环斜面上还分布有多个大小不一的圆形凸台，是典型的多环多支板复杂薄壁构件。在实际铸造过程中发现： 铸件易出现严重的疏松缺陷。由于K447A的补焊性能较差，上述缺陷使铸件的成品率很低，严重阻碍了航空发动机的研制进程。

传统熔模铸造工艺通常采用模具制备蜡模，但因模具制造时间长且需要修模，导致复杂铸件制造周期大幅度增加，对航空发动机的研制和生产进度造成了很大的影响。日新月异的3D打印技术为复杂结构件的精密成型带来了新的契机，其中光固化3D打印(SLA)技术的应用最为突出[6-9]。以光敏树脂为原料，通过SLA设备可以制造出结构复杂且表面粗糙度与强度均符合铸造要求的熔模，从而代替传统的蜡模，用于复杂铸件的精密铸造。近年来，SLA设备的精度控制水平和工作台尺寸均获得了大幅度的提升，已经可以用于各种复杂薄壁结构件精密铸造熔模的制备，省去了模具制造与蜡模压制环节，大大缩短了复杂铸件的制造周期。

本文根据设计部门和主机厂提出的要求，以某航空发动机中使用的K447A高温合金铸件作为应用研究对象，设计了重力铸造浇注系统，对其充型凝固过程进行了模拟仿真，并进行了铸件样件的实际浇注，考察了铸件的冶金质量与表面质量，为铸件的后续批量制造与合格率的提升提供了技术支持。

1 试验材料与方法

K447A镍基高温合金的化学成分如表1所示。基于铸件的结构以及合金的理化性能，进行浇注系统的设计，并采用ProCAST软件对铸造过程进行模拟仿真。本研究以光敏树脂为原料，采用SLA技术制备了铸件铸造用熔模，其表面粗糙度(Ra)为1.2 μm。图1(a)， 1(b)分别给出了光敏树脂熔模内部的抽空结构与3D打印的铸件树脂熔模照片。所采用的陶瓷型壳以硅溶胶为黏结剂，面层耐火材料为锆英粉/锆英砂(添加铝酸钴作为晶粒细化剂)，过渡层与背层为烧结莫来石粉/莫来石砂(30～60μm，用于过渡层；10～30μm，用于背层)。型壳由1层面层、1层过渡层、8层背层及1层封浆层组成，经干燥后，在闪烧炉中于850℃下预焙烧2 h，烧除树脂，获得可用于浇注的陶瓷型壳。

表1 K447A母合金主要化学成分质量分数 %

(a) 内部微观结构

(b) 整体熔模照片图1 光敏树脂熔模

采用真空重力铸造炉进行铸件的铸造成型。K447A高温合金的熔炼浇注温度为1 550℃，型壳预热温度为1 050℃。待浇注完毕后，进行型壳的清除，浇冒口的切割、打磨，以及铸件的喷砂，之后进行无损检验。

2 试验结果与分析

2.1 铸件浇注系统设计与边界条件设定

在铸件冶金质量和表面质量检验标准中，要求铸件不能有裂纹、冷隔、欠铸和穿透性的缺陷，空心支板内腔不允许有残留型芯和多余物，铸件表面晶粒度应细小均匀，不允许有垂直进、排气边缘的柱状晶存在。K447A合金铸件中的多层薄壁环与空心支板形成了复杂结构，且截面变化较大，金属液在充型过程中的流向，铸件的补缩与凝固直接受到浇注系统的影响，因此浇注系统设计的合理程度决定了铸件的冶金质量与力学性能[5]。

本研究设计了2种浇注系统，分别为顶注式(方案1)和顶-侧-底注式(方案2)。在此基础上，对铸件重力铸造过程进行了数值模拟。利用ProCAST的前处理模块将模组的三维模型整体划分为四面体网格。浇道与浇盘的网格边长为4 mm，随后对铸件本体区域进行包壳操作，包壳操作将自动按照铸件轮廓包裹三维型壳，型壳厚度设置为10 mm，包壳时会自动对型壳划分网格。网格划分示意图如图2所示。型壳与高温合金的界面换热系数采用随温度变化的数据，如图3所示。本研究选取的铸件浇注温度为1 550℃，型壳预热温度为1 050℃，该铸件浇注质量依据浇注系统的区别，分别为66.6 kg(方案1)和49.6 kg(方案2)，根据实际工况统一设定浇注时间t为5 s。

(a) 方案1

(b) 方案2图2 铸件网格划分示意

图3 K447A高温合金与型壳的界面换热系数

2.2 金属液充型过程分析

在铸件浇注时，金属液的流动速度、流动方向及温度对铸件的充型结果有着重要影响。图4和图5分别显示了2种浇注系统的金属液充型过程。在方案1中： 金属液自浇口注入后，首先充满下部冲击包处，并向上回流，逐步充满横浇道部分[见图4(a)，t=1.16 s]，然后经横浇道流入内外环的内冒口中[见图4(b)，t=1.68 s]，之后金属液自下而上充满型壳，直至浇注系统部分[见图4(c)，t=3.42 s]，最后充满整个型腔，完成浇注过程[见图4(d)，t=7.12 s]。由图4(a)和4(b)可知： 由于铸件的外环相对于内环表面积较大，在充型过程中，金属液会优先对外环进行充型，这在后续的凝固过程中可能会对内环的充型产生影响，并在内环表面堆积铸造缺陷。在方案2中： 当浇注时间t为0.72 s时，金属液开始对铸件内环进行充型[见图5(a)，t=0.72 s]，然后经横浇道对铸件的外环进行充型[见图5(b)，t=2.20 s]，随后不断向上“蔓延”，逐步充满上部浇注系统部分[见图5(c)，t=3.60 s]，最后充满整个型腔，浇注过程完成[见图5(d)，t=4.60 s]。通过模拟发现： 采用浇注方案2比方案1的充型时间短，这说明方案2的流场设计更为合理，有利于铸件冶金质量的提高。

(a) t=1.16 s

(b) t=1.68 s

(c) t=3.42 s

(d) t=7.12 s图4 铸件的金属液充型过程(方案1)

(a) t=0.72 s

(b) t=2.20 s

(c) t=3.60 s

(d) t=4.60 s图5 铸件的金属液充型过程(方案2)

2.3 铸件凝固与疏松缺陷分析

对方案1与方案2的铸件凝固过程中的固相体积分数进行了分析。图6为方案1中的固相体积分数变化。由图6(a)可知： 在凝固开始时，铸件内环的固相体积分数较高，充型较为饱满，但外环的固相体积分数并不高，只有0.4左右。随着凝固过程的继续进行，铸件外环及横浇道固相体积分数也开始升高，但整个铸件本体仍然保持着较低的固相率，如图6(b)所示，说明铸件会对浇注系统进行反补缩，这很容易造成铸件本体内疏松缺陷的产生。图7为方案2中的固相体积分数变化，在整个充型过程中，铸件本体的固相分体积数始终高于浇注系统，表明浇注系统可以对铸件进行有效的充型，达到了顺序凝固的技术要求，从而避免铸件内部疏松缺陷的产生。

(a) 凝固初期

(b) 凝固后期图6 铸件铸造过程中的固相体积分数分布(方案1)

疏松等铸造缺陷主要出现于铸件最后凝固的部位，通常是由金属液在冷却和凝固过程中产生的收缩得不到补偿引起的。图8为采用2种方案浇注的铸件在凝固完成后的疏松缺陷分布图。由图8(a)可知： 当疏松判据为2%时(孔隙率大于2%视为有缺陷)，缺陷几乎覆盖了整个铸件内环及上部的浇冒系统，如此大范围的缺陷分布只能是由于K447A合金本身较大的收缩率造成的，在重力的作用下内环对横浇道进行了反补缩，同时由于内环的固相体积分数要高于外环，内环金属液过早失去了流动性，加之在糊状区时，横浇道产生的巨大收缩效应，最终导致缺陷集中于铸件内环。由图8(b)可知： 采用方案2浇注的铸件中的所有缺陷都位于浇冒系统内，整个铸件呈现出了良好的浇铸状态，表明采用浇注方案2可以获得冶金质量良好的铸件。

(a) 凝固初期

(b) 凝固后期图7 铸件铸造过程中的固相体积分数分布(方案2)

2.4 涡轮铸件浇注验证

采用真空重力浇注炉来实现多环多支板复杂薄壁铸件样件的铸造，采用了方案2的浇注系统。将铸件切割、打磨、喷砂处理之后，放置在腐蚀工装上，然后浸入腐蚀液，按照工艺卡完成腐蚀后，进行拍照观察。图9为重力铸造铸件的整体与局部照片。由图9(a)可知： 采用方案2可浇注出完整的铸件，经X射线检测，除V形窄槽底部还有少量的疏松缺陷外，其外环、内环与支板均无明显的疏松，冶金质量较好。由图9(b)可知： 铸件表面晶粒为等轴晶，其尺寸为毫米级。由图9(c)和9(d)可知： 铸件的V形窄槽与支板内腔成型性较好，无肉眼可见跑火现象。上述结果说明，采用方案2的浇注系统以及浇注工艺，可以获得冶金质量较好的完整铸件。

(a) 整体铸件

(b) 表面晶粒

(c) V形窄槽

(d) 支板空腔图9 采用方案2浇注的铸件示意

3 结论

设计了多环多支板复杂薄壁铸件精密铸造用顶注式(方案1)和顶-侧-底注式(方案2)浇注系统，并对两种浇注系统下的金属液充型过程进行了模拟仿真，预测了缺陷分布。结果表明： 采用方案2的浇注系统，金属液的充型时间较短，其凝固方式为顺序凝固，疏松缺陷较少，更适合于复杂结构铸件的铸造。

采用光固化3D打印工艺制备了铸件精密铸造用熔模，并进行了型壳的制备与铸件样件的实际浇注。无损检测结果表明： 结合3D打印与熔模铸造技术制备的K447A高温合金铸件，除V形窄槽底部有少量的疏松缺陷外，其外环、内环与支板均无明显的疏松显示，表明其冶金质量较好。铸件表面晶粒为等轴晶，其尺寸为毫米级，且V形窄槽与支板内腔成型性较好，无肉眼可见跑火现象。