張海龍，蔣 明，趙 輝，雷四雄，趙彥杰，李 飛，王國祥

(1. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000；2. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

K447A鎳基高溫合金具有良好的鑄造性能，優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、耐熱腐蝕性能，可靠性高，成本低，其開發(fā)與應(yīng)用填補(bǔ)了我國在1 000℃以上工作的多種定向/細(xì)晶等高溫構(gòu)件材料的空白。該合金中主要加入了Cr， Co， W， Mo等元素，其目的是為了獲得更好的組織穩(wěn)定性和更高的使用溫度，可用于制作1 050℃下的航空發(fā)動機(jī)渦輪盤、導(dǎo)向器等關(guān)鍵熱端部件[1-5]。某型號中小航空發(fā)動機(jī)用K447A高溫合金鑄件的最大輪廓直徑為366 mm，高度為210 mm。除具有大面積薄壁和較多的變截面結(jié)構(gòu)外，該鑄件的正面和反面還各有一個V形的環(huán)狀窄槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間分布有5個空心支板，壁厚僅為1.5 mm，在外環(huán)斜面上還分布有多個大小不一的圓形凸臺，是典型的多環(huán)多支板復(fù)雜薄壁構(gòu)件。在實際鑄造過程中發(fā)現(xiàn)： 鑄件易出現(xiàn)嚴(yán)重的疏松缺陷。由于K447A的補(bǔ)焊性能較差，上述缺陷使鑄件的成品率很低，嚴(yán)重阻礙了航空發(fā)動機(jī)的研制進(jìn)程。

傳統(tǒng)熔模鑄造工藝通常采用模具制備蠟?zāi)＃蚰＞咧圃鞎r間長且需要修模，導(dǎo)致復(fù)雜鑄件制造周期大幅度增加，對航空發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)進(jìn)度造成了很大的影響。日新月異的3D打印技術(shù)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密成型帶來了新的契機(jī)，其中光固化3D打印(SLA)技術(shù)的應(yīng)用最為突出[6-9]。以光敏樹脂為原料，通過SLA設(shè)備可以制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜且表面粗糙度與強(qiáng)度均符合鑄造要求的熔模，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蠟?zāi)＃糜趶?fù)雜鑄件的精密鑄造。近年來，SLA設(shè)備的精度控制水平和工作臺尺寸均獲得了大幅度的提升，已經(jīng)可以用于各種復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件精密鑄造熔模的制備，省去了模具制造與蠟?zāi)褐骗h(huán)節(jié)，大大縮短了復(fù)雜鑄件的制造周期。

本文根據(jù)設(shè)計部門和主機(jī)廠提出的要求，以某航空發(fā)動機(jī)中使用的K447A高溫合金鑄件作為應(yīng)用研究對象，設(shè)計了重力鑄造澆注系統(tǒng)，對其充型凝固過程進(jìn)行了模擬仿真，并進(jìn)行了鑄件樣件的實際澆注，考察了鑄件的冶金質(zhì)量與表面質(zhì)量，為鑄件的后續(xù)批量制造與合格率的提升提供了技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

K447A鎳基高溫合金的化學(xué)成分如表1所示?；阼T件的結(jié)構(gòu)以及合金的理化性能，進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計，并采用ProCAST軟件對鑄造過程進(jìn)行模擬仿真。本研究以光敏樹脂為原料，采用SLA技術(shù)制備了鑄件鑄造用熔模，其表面粗糙度(Ra)為1.2 μm。圖1(a)， 1(b)分別給出了光敏樹脂熔模內(nèi)部的抽空結(jié)構(gòu)與3D打印的鑄件樹脂熔模照片。所采用的陶瓷型殼以硅溶膠為黏結(jié)劑，面層耐火材料為鋯英粉/鋯英砂(添加鋁酸鈷作為晶粒細(xì)化劑)，過渡層與背層為燒結(jié)莫來石粉/莫來石砂(30～60μm，用于過渡層；10～30μm，用于背層)。型殼由1層面層、1層過渡層、8層背層及1層封漿層組成，經(jīng)干燥后，在閃燒爐中于850℃下預(yù)焙燒2 h，燒除樹脂，獲得可用于澆注的陶瓷型殼。

表1 K447A母合金主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

(a) 內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

(b) 整體熔模照片圖1 光敏樹脂熔模

采用真空重力鑄造爐進(jìn)行鑄件的鑄造成型。K447A高溫合金的熔煉澆注溫度為1 550℃，型殼預(yù)熱溫度為1 050℃。待澆注完畢后，進(jìn)行型殼的清除，澆冒口的切割、打磨，以及鑄件的噴砂，之后進(jìn)行無損檢驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計與邊界條件設(shè)定

在鑄件冶金質(zhì)量和表面質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)中，要求鑄件不能有裂紋、冷隔、欠鑄和穿透性的缺陷，空心支板內(nèi)腔不允許有殘留型芯和多余物，鑄件表面晶粒度應(yīng)細(xì)小均勻，不允許有垂直進(jìn)、排氣邊緣的柱狀晶存在。K447A合金鑄件中的多層薄壁環(huán)與空心支板形成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且截面變化較大，金屬液在充型過程中的流向，鑄件的補(bǔ)縮與凝固直接受到澆注系統(tǒng)的影響，因此澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理程度決定了鑄件的冶金質(zhì)量與力學(xué)性能[5]。

本研究設(shè)計了2種澆注系統(tǒng)，分別為頂注式(方案1)和頂-側(cè)-底注式(方案2)。在此基礎(chǔ)上，對鑄件重力鑄造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用ProCAST的前處理模塊將模組的三維模型整體劃分為四面體網(wǎng)格。澆道與澆盤的網(wǎng)格邊長為4 mm，隨后對鑄件本體區(qū)域進(jìn)行包殼操作，包殼操作將自動按照鑄件輪廓包裹三維型殼，型殼厚度設(shè)置為10 mm，包殼時會自動對型殼劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。型殼與高溫合金的界面換熱系數(shù)采用隨溫度變化的數(shù)據(jù)，如圖3所示。本研究選取的鑄件澆注溫度為1 550℃，型殼預(yù)熱溫度為1 050℃，該鑄件澆注質(zhì)量依據(jù)澆注系統(tǒng)的區(qū)別，分別為66.6 kg(方案1)和49.6 kg(方案2)，根據(jù)實際工況統(tǒng)一設(shè)定澆注時間t為5 s。

(a) 方案1

(b) 方案2圖2 鑄件網(wǎng)格劃分示意

圖3 K447A高溫合金與型殼的界面換熱系數(shù)

2.2 金屬液充型過程分析

在鑄件澆注時，金屬液的流動速度、流動方向及溫度對鑄件的充型結(jié)果有著重要影響。圖4和圖5分別顯示了2種澆注系統(tǒng)的金屬液充型過程。在方案1中： 金屬液自澆口注入后，首先充滿下部沖擊包處，并向上回流，逐步充滿橫澆道部分[見圖4(a)，t=1.16 s]，然后經(jīng)橫澆道流入內(nèi)外環(huán)的內(nèi)冒口中[見圖4(b)，t=1.68 s]，之后金屬液自下而上充滿型殼，直至澆注系統(tǒng)部分[見圖4(c)，t=3.42 s]，最后充滿整個型腔，完成澆注過程[見圖4(d)，t=7.12 s]。由圖4(a)和4(b)可知： 由于鑄件的外環(huán)相對于內(nèi)環(huán)表面積較大，在充型過程中，金屬液會優(yōu)先對外環(huán)進(jìn)行充型，這在后續(xù)的凝固過程中可能會對內(nèi)環(huán)的充型產(chǎn)生影響，并在內(nèi)環(huán)表面堆積鑄造缺陷。在方案2中： 當(dāng)澆注時間t為0.72 s時，金屬液開始對鑄件內(nèi)環(huán)進(jìn)行充型[見圖5(a)，t=0.72 s]，然后經(jīng)橫澆道對鑄件的外環(huán)進(jìn)行充型[見圖5(b)，t=2.20 s]，隨后不斷向上“蔓延”，逐步充滿上部澆注系統(tǒng)部分[見圖5(c)，t=3.60 s]，最后充滿整個型腔，澆注過程完成[見圖5(d)，t=4.60 s]。通過模擬發(fā)現(xiàn)： 采用澆注方案2比方案1的充型時間短，這說明方案2的流場設(shè)計更為合理，有利于鑄件冶金質(zhì)量的提高。

(a) t=1.16 s

(b) t=1.68 s

(c) t=3.42 s

(d) t=7.12 s圖4 鑄件的金屬液充型過程(方案1)

(a) t=0.72 s

(b) t=2.20 s

(c) t=3.60 s

(d) t=4.60 s圖5 鑄件的金屬液充型過程(方案2)

2.3 鑄件凝固與疏松缺陷分析

對方案1與方案2的鑄件凝固過程中的固相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了分析。圖6為方案1中的固相體積分?jǐn)?shù)變化。由圖6(a)可知： 在凝固開始時，鑄件內(nèi)環(huán)的固相體積分?jǐn)?shù)較高，充型較為飽滿，但外環(huán)的固相體積分?jǐn)?shù)并不高，只有0.4左右。隨著凝固過程的繼續(xù)進(jìn)行，鑄件外環(huán)及橫澆道固相體積分?jǐn)?shù)也開始升高，但整個鑄件本體仍然保持著較低的固相率，如圖6(b)所示，說明鑄件會對澆注系統(tǒng)進(jìn)行反補(bǔ)縮，這很容易造成鑄件本體內(nèi)疏松缺陷的產(chǎn)生。圖7為方案2中的固相體積分?jǐn)?shù)變化，在整個充型過程中，鑄件本體的固相分體積數(shù)始終高于澆注系統(tǒng)，表明澆注系統(tǒng)可以對鑄件進(jìn)行有效的充型，達(dá)到了順序凝固的技術(shù)要求，從而避免鑄件內(nèi)部疏松缺陷的產(chǎn)生。

(a) 凝固初期

(b) 凝固后期圖6 鑄件鑄造過程中的固相體積分?jǐn)?shù)分布(方案1)

疏松等鑄造缺陷主要出現(xiàn)于鑄件最后凝固的部位，通常是由金屬液在冷卻和凝固過程中產(chǎn)生的收縮得不到補(bǔ)償引起的。圖8為采用2種方案澆注的鑄件在凝固完成后的疏松缺陷分布圖。由圖8(a)可知： 當(dāng)疏松判據(jù)為2%時(孔隙率大于2%視為有缺陷)，缺陷幾乎覆蓋了整個鑄件內(nèi)環(huán)及上部的澆冒系統(tǒng)，如此大范圍的缺陷分布只能是由于K447A合金本身較大的收縮率造成的，在重力的作用下內(nèi)環(huán)對橫澆道進(jìn)行了反補(bǔ)縮，同時由于內(nèi)環(huán)的固相體積分?jǐn)?shù)要高于外環(huán)，內(nèi)環(huán)金屬液過早失去了流動性，加之在糊狀區(qū)時，橫澆道產(chǎn)生的巨大收縮效應(yīng)，最終導(dǎo)致缺陷集中于鑄件內(nèi)環(huán)。由圖8(b)可知： 采用方案2澆注的鑄件中的所有缺陷都位于澆冒系統(tǒng)內(nèi)，整個鑄件呈現(xiàn)出了良好的澆鑄狀態(tài)，表明采用澆注方案2可以獲得冶金質(zhì)量良好的鑄件。

(a) 凝固初期

(b) 凝固后期圖7 鑄件鑄造過程中的固相體積分?jǐn)?shù)分布(方案2)

2.4 渦輪鑄件澆注驗證

采用真空重力澆注爐來實現(xiàn)多環(huán)多支板復(fù)雜薄壁鑄件樣件的鑄造，采用了方案2的澆注系統(tǒng)。將鑄件切割、打磨、噴砂處理之后，放置在腐蝕工裝上，然后浸入腐蝕液，按照工藝卡完成腐蝕后，進(jìn)行拍照觀察。圖9為重力鑄造鑄件的整體與局部照片。由圖9(a)可知： 采用方案2可澆注出完整的鑄件，經(jīng)X射線檢測，除V形窄槽底部還有少量的疏松缺陷外，其外環(huán)、內(nèi)環(huán)與支板均無明顯的疏松，冶金質(zhì)量較好。由圖9(b)可知： 鑄件表面晶粒為等軸晶，其尺寸為毫米級。由圖9(c)和9(d)可知： 鑄件的V形窄槽與支板內(nèi)腔成型性較好，無肉眼可見跑火現(xiàn)象。上述結(jié)果說明，采用方案2的澆注系統(tǒng)以及澆注工藝，可以獲得冶金質(zhì)量較好的完整鑄件。

(a) 整體鑄件

(b) 表面晶粒

(c) V形窄槽

(d) 支板空腔圖9 采用方案2澆注的鑄件示意

3 結(jié)論

設(shè)計了多環(huán)多支板復(fù)雜薄壁鑄件精密鑄造用頂注式(方案1)和頂-側(cè)-底注式(方案2)澆注系統(tǒng)，并對兩種澆注系統(tǒng)下的金屬液充型過程進(jìn)行了模擬仿真，預(yù)測了缺陷分布。結(jié)果表明： 采用方案2的澆注系統(tǒng)，金屬液的充型時間較短，其凝固方式為順序凝固，疏松缺陷較少，更適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的鑄造。

采用光固化3D打印工藝制備了鑄件精密鑄造用熔模，并進(jìn)行了型殼的制備與鑄件樣件的實際澆注。無損檢測結(jié)果表明： 結(jié)合3D打印與熔模鑄造技術(shù)制備的K447A高溫合金鑄件，除V形窄槽底部有少量的疏松缺陷外，其外環(huán)、內(nèi)環(huán)與支板均無明顯的疏松顯示，表明其冶金質(zhì)量較好。鑄件表面晶粒為等軸晶，其尺寸為毫米級，且V形窄槽與支板內(nèi)腔成型性較好，無肉眼可見跑火現(xiàn)象。