■ 張龍飛 郭釗 譚詩薪 蔣明 / 中國航發(fā)南方

精密鑄造廣泛應用于制造結構復雜、機械加工困難的航空發(fā)動機渦輪機匣、導向器和葉片等熱端部件。中小型航空發(fā)動機熱端部件因結構集成化程度較高、異形結構特點顯著，給精密鑄造技術帶來了巨大挑戰(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、鐘鼎及各類藝術品。20世紀40年代，精密鑄造工藝開始用于生產航空發(fā)動機高溫合金渦輪葉片，并展現出了優(yōu)良的工藝優(yōu)勢，此后逐漸廣泛應用于航空工業(yè)制造領域。

圖1 精密鑄造主要工藝過程

航空發(fā)動機結構件精密鑄造工藝具有相當高的技術難度。一方面

精密鑄造工藝過程涉及的工序繁多，生產周期長，且各工序均存在不同程度上影響精鑄件冶金質量和尺寸形狀的技術因素；另一方面為保障航空發(fā)動機的服役安全，精鑄件的質量檢驗項目多，并且各項目的技術條件十分嚴苛，任何化學成分、力學性能、晶粒度、顯微組織、表面質量、內部冶金質量或尺寸外形等因素的不合格都將導致鑄件報廢。

在中小型航空發(fā)動機領域，精密鑄造技術面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)。這類發(fā)動機由于輕量化和整體化的設計需求，大量精鑄件結構高度集成化。例如，渦槳發(fā)動機的級間導向器整體鑄件集成了渦輪級間機匣、動力渦輪一級導向器和級間軸承座；渦軸發(fā)動機承力機匣前段由承力部件、噴射滑油部件、空氣管路和油管等構成；渦扇發(fā)動機燃氣渦輪轉子由渦輪盤和渦輪葉片整體鑄造，如圖2所示。

圖2 典型異形構件精鑄件

這類形狀不規(guī)則、空間結構緊湊且厚度不均的異形構件顯著增加了陶瓷型芯、蠟模成形、澆道系統(tǒng)設計、型殼制備和熔煉澆注等過程的技術難度，導致精鑄件冶金質量和尺寸精度控制難度升級，本文主要從陶瓷型芯技術、蠟模制備技術、型殼制備技術、晶粒組織控制技術和鑄造模擬仿真技術等方面來闡述異形構件精密鑄造技術。

環(huán)狀薄壁陶瓷型芯技術

復雜薄壁整體結構件往往帶有復雜內腔、管路、油路和氣腔等，這些半封閉復雜結構無法在蠟模成形時通過模具直接成形，在制殼階段也無法被耐火材料充分覆蓋或填實。在蠟模中預置陶瓷型芯是解決該類問題的重要技術手段，其中承力機匣前段、后段和軸承座主體等結構件則必須采用環(huán)狀薄壁陶瓷型芯，其結構如圖3所示。

圖3 環(huán)狀復雜薄壁型芯

環(huán)狀薄壁陶瓷型芯的主要技術難點在于尺寸較大且壁厚薄，導致型芯在焙燒過程中容易變形或斷裂，在蠟模注射成形時容易被蠟料擠壓斷裂，并且在熔煉澆注時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性和充型能力；改進陶瓷型芯漿料配方，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貼，防止焙燒時各向異性收縮導致陶瓷型芯內應力不均勻而斷裂，焙燒后再將補貼打磨去除。

整體蠟模制備技術

在成形過程中，蠟模的表面質量和尺寸精度控制十分關鍵，因為這直接影響到精鑄件的最終表面質量及尺寸。對于結構復雜的整體件，由于模具的分型面難以設定，行業(yè)內通常采用先拆分再拼裝的蠟模成形方式，即先將整體件拆分成多個容易注射成形的分體結構，然后再借助定位工裝將其拼裝并焊接成整體。

拼裝成形蠟模主要存在的技術問題有：尺寸一致性差，拼裝與焊接均由手工完成，無法穩(wěn)定控制每次拼裝時分體蠟模與工裝基準的貼合程度以及焊接時蠟模的受熱變形程度，導致整體蠟模尺寸波動；表面質量難以保證，焊接處由手工填蠟、熔焊和修整，導致焊縫及周邊區(qū)域的蠟模表面質量易受損，并且手工焊接容易出現虛焊和漏焊，導致焊縫區(qū)域在熱應力作用下容易開裂，最終影響型殼質量，導致鑄件表面質量不合格或形成夾渣缺陷。

整體蠟模技術是指采用高精度模具單次壓制整體蠟模成形，無須進行手工拼裝和修整，從而達到穩(wěn)定控制蠟模尺寸精度并提升表面質量的目的。然而，整體蠟模目前面臨的主要技術問題有：整體結構差異造成蠟料各向異性收縮，導致蠟模變形；整體模具涉及活塊多，方案設計困難。對此，一方面需要基于大量基礎數據來預測整體蠟模的收縮變形規(guī)律，從而在模具設計時預置合理的蠟模變形補償量；另一方面需要開發(fā)仿真技術來優(yōu)化模具設計方案，同時還需開發(fā)優(yōu)質水溶芯來解決整體蠟模開合模問題和保證蠟模表面質量。通過上述措施，目前部分渦輪導向器、轉子和多聯(lián)導向葉片已經可以實現整體蠟模成形。

高性能型殼制備技術

型殼質量是影響精鑄件質量最顯著的因素。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，大部分都歸因于型殼表面裂紋、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等。統(tǒng)計表明，由型殼質量不良造成的精鑄件返修或報廢比例高達60%～70%。

高性能型殼本身應具有優(yōu)異的抗熱震性、高溫強度、導熱性能、內表面高溫穩(wěn)定性和低粗糙度等，以滿足金屬液高溫沖擊、高溫化學反應和凝固散熱等方面的性能需求。對于結構復雜、空間結構緊湊的異形件，型殼制備過程中存在的主要技術難點包括：沾漿時陶瓷料漿容易在蠟模拐角處堆積，難以在蠟模表面形成均勻的料漿層；撒砂時砂粒難以涂覆到被異形結構遮擋的區(qū)域，造成涂覆厚度不均勻；干燥時型殼厚大部位難以徹底硬化；脫蠟時由于蠟料受熱膨脹以及結構導致的排蠟受阻，型殼容易被脹裂；異形結構導致殘留或進入型殼內部的異物難以清理，造成鑄件夾渣。

目前，精鑄件型殼普遍采用硅溶膠為黏結劑，而根據耐火材料的不同，型殼主要分為鋯英砂系、剛玉砂系和莫來石系。其主要制備技術要點包括：嚴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，陶瓷料漿的攪拌時間和黏度等，以穩(wěn)定控制涂料厚度和均勻性；嚴格控制制殼間環(huán)境溫濕度、風速和風量等，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、干燥和焙燒工藝，以獲得表面質量良好、尺寸精度高、高溫強度高且鑄件冷卻過程中潰散性良好的型殼；增設蠟模排蠟口和控制澆道蠟與零件蠟的溫度差異，以獲得可控的蠟模熔化順序，改善機匣和導向器類型殼脫蠟時由于蠟模膨脹而產生裂紋。

晶粒組織控制技術

晶粒組織影響合金的抗疲勞、抗蠕變和抗熱沖擊等關鍵高溫性能，因此是精鑄件冶金質量的重要指標之一。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)域出現的垂直于邊緣的柱狀晶，以及厚大部位出現的粗大晶粒。目前，精鑄件晶粒組織控制技術的主要手段可分為熱控法、化學法和動力學法。

熱控法是指通過控制型殼預熱溫度、金屬液的精煉溫度和時間，來增加金屬在凝固時的過冷度和冷卻速率，從而達到限制晶粒長大和細化晶粒的目的。豪梅特（Howmet）和PCC等公司采用熱控法已經實現了復雜薄壁件內部致密度和晶粒組織的綜合控制，晶粒度等級（ASTM）達到了3級。目前，國內各大高校和科研機構，包括西北工業(yè)大學、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用研究。例如，鋼鐵研究總院已經應用熱控法實現了ASTM 2～3級且充型完整的K4202合金復雜薄壁件。異形構件由于金屬液充型困難，采用熱控法降低澆注溫度后，容易導致鑄件充型不完整，因此熱控法在異形鑄件上的應用受限。目前，在熱控法的基礎上應用離心鑄造技術是解決渦輪導向器和轉子類鑄件充型和晶粒度控制難題的一個研究方向。

化學法是指向金屬液中加入形核劑，或間接在型殼內表面涂覆形核劑，促使金屬液在凝固時形成大量非均質核心，從而使晶粒組織達到整體細化或表面細化的效果。目前，精鑄件普遍采用以鋁酸鈷（CoAl2O4）為孕育劑的表面細化技術。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化涂料和表面細化技術，顯著降低整體導向器、導向葉片和渦輪轉子類精鑄件在葉片排氣邊薄壁區(qū)域出現柱狀晶缺陷的比例。

動力學法是指在金屬液澆注和凝固過程中施加外力，迫使金屬液產生振動或攪動，使已長大的枝晶破碎形成大量晶核，從而獲得晶粒細化的鑄件。中國航發(fā)航材院應用鑄型攪動技術在K492M合金向心葉輪上實現了整體細晶鑄造，平均晶粒等級達到ASTM 1級。中國航發(fā)南方目前正聯(lián)合東北大學開展基于電磁振蕩原理的晶粒細化技術應用研究，用于控制導向器和機匣類結構件的晶粒組織。

鑄造模擬仿真技術

精密鑄造工藝涉及工序繁多并且生產資源昂貴，導致鑄造工藝參數試驗驗證周期漫長且成本高昂。近年來，隨著計算機數值計算技術的快速發(fā)展，鑄造模擬仿真技術取得了長足進步，其基礎和應用研究也越來越受到國內外高校、科研機構和精密鑄造企業(yè)的重視。圖4為葉輪外罩使用Procast仿真工具輔助解決內部疏松的示例，通過分析鑄件實體的熱節(jié)分布和模擬計算冒口的補縮效果，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 借助模擬仿真技術解決葉輪外罩鑄件內部疏松實例

鑄造模擬仿真技術的主要優(yōu)勢在于可以直觀地展現鑄造過程中金屬液的流動模式、鑄件凝固時溫度場、應力場和顯微組織演化過程，從而迅速預測鑄件出現欠鑄、疏松、變形和裂紋等缺陷的傾向，指導工藝優(yōu)化方向，提高精鑄件的研發(fā)效率。然而，鑄造模擬仿真結果強烈依賴于采用的仿真模型、性能參數數據庫和設定的邊界條件等，這要求仿真工具具備成熟的計算模型和完善的材料參數數據庫。因此，仿真技術的開發(fā)需要基于實際的澆注過程持續(xù)采集現場數據，不斷完善材料及工藝參數數據庫，以提高仿真過程與實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算結果。

結束語

中小型航空發(fā)動機異形構件不規(guī)則、復雜和緊湊的結構特點給精鑄件蠟模制備、型殼制備、凝固組織控制和尺寸控制等帶來了獨特的技術挑戰(zhàn)。針對異形構件的材料和結構特點，發(fā)展環(huán)狀薄壁陶瓷型芯技術、整體蠟模技術、高性能型殼制備技術和晶粒組織控制技術和鑄造模擬仿真技術，是提高異形構件冶金質量和尺寸精度的重要技術手段。