雷益宇，葉文，陳博文，何博，王軍，賈文靜（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201600；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 高溫合金精密成型研究中心，上海 201600；.上海萬(wàn)澤精密鑄造有限公司，上海 201400）

0 引言

近20年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展航空航天先進(jìn)制造技術(shù)，零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜、制造精度日益提升[1]。由于可以獲得復(fù)雜、精細(xì)的氣動(dòng)外形，航空航天關(guān)鍵部件的批量化生產(chǎn)通常采用熔模鑄造技術(shù)，對(duì)于熔模鑄件，尺寸精度能達(dá)到公稱尺寸的5‰，粗糙度為Ra0.8～3.2 μm，可獲得幾乎無(wú)需機(jī)加工的近凈形鑄件[2-5]。但是針對(duì)尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，熔模精密鑄造技術(shù)系統(tǒng)性的復(fù)雜熱場(chǎng)容易導(dǎo)致鑄件內(nèi)部和薄壁部位產(chǎn)生缺陷，通常需要經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝，提升合格率[6]。

由于鑄造試驗(yàn)成本高，數(shù)值模擬技術(shù)近年來(lái)快速推廣，在工藝確定之前獲得多輪優(yōu)化，有助于降低材料、人力、時(shí)間成本[7]。在熔煉參數(shù)的確定過(guò)程中，利用數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)[8]，當(dāng)輸入電流一定時(shí)，增加輸入頻率會(huì)減弱電磁攪拌作用，但是對(duì)熔體的溫度影響不大；當(dāng)輸入頻率一定時(shí)，增加輸入電流會(huì)提高熔體溫度，且會(huì)加快熔體流動(dòng)，生產(chǎn)過(guò)程中可以控制輸入頻率和輸入電流，制定良好的熔煉工藝。蠟?zāi)５淖冃我彩侨勰ｈT造中影響鑄件尺寸的重要因素，從數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，基于蠟?zāi)Ｗ冃晤A(yù)測(cè)的縮孔率僅比試驗(yàn)結(jié)果小0.32%，對(duì)預(yù)測(cè)熔模鑄件的收縮具有重要意義[9]。通過(guò)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)熔模鑄件縮松縮孔進(jìn)行預(yù)測(cè)[10]，將實(shí)測(cè)溫度與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，可以驗(yàn)證溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，并據(jù)此設(shè)計(jì)更為優(yōu)化的工藝方案。數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中還可以采用熱力耦合的方法，得到鑄件的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化及分布規(guī)律，如參考文獻(xiàn)[10]對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)差壓鑄造-空冷-淬火過(guò)程進(jìn)行的模擬。學(xué)者們通過(guò)數(shù)值模擬替代工藝試錯(cuò)的方式對(duì)鑄造工藝進(jìn)行改善，使用模擬計(jì)算設(shè)計(jì)復(fù)雜精密零部件的制造方案，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)和指導(dǎo)[11,12]。

渦輪導(dǎo)向器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件，其結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造復(fù)雜，是航空航天零件的典型代表。針對(duì)渦輪導(dǎo)向器在實(shí)際鑄造過(guò)程中的鑄造缺陷，建立其鑄造過(guò)程的物理模型和數(shù)值模型，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析以及縮松縮孔預(yù)測(cè)，并通過(guò)X光無(wú)損探傷進(jìn)行驗(yàn)證，獲得了優(yōu)化的生產(chǎn)工藝。

1 鑄件結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

研究的渦輪導(dǎo)向器由內(nèi)環(huán)、葉片、外環(huán)構(gòu)成，整體呈復(fù)雜框架結(jié)構(gòu),其葉片最薄處僅為1 mm，渦輪葉片的幾何形狀及剖視結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)向器中含有38個(gè)葉片，外環(huán)直徑為φ512.80 mm，厚度為54.87 mm，內(nèi)圈直徑為φ334.00 mm。從剖視結(jié)構(gòu)可以看出，鑄件壁薄且厚度不均，最薄壁厚為3.28 mm，最厚壁厚為21.05 mm，且存在厚度漸變區(qū)。導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是內(nèi)部葉片的徑向和軸向扭轉(zhuǎn)。導(dǎo)葉片排氣邊緣的厚度一般較薄，可能導(dǎo)致排氣邊緣存在澆注不足的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，在凝固和冷卻過(guò)程中，容易形成垂直于導(dǎo)葉片排氣邊緣的粗大柱狀晶，這是由于葉片薄的排氣邊緣與厚前緣之間的溫度梯度所致。葉片內(nèi)的粗大柱狀晶縮短了鑄件的疲勞壽命[13]。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析可知，此零件鑄造最大的難點(diǎn)是壁厚不均勻、截面變化幅度大、合金熔體匯流點(diǎn)多，因此，需要合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向器澆注系統(tǒng)以有效控制凝固順序。

圖1 渦輪導(dǎo)向器的幾何形狀及葉片局部結(jié)構(gòu)

1.2 材料成分及性能

鑄件材料K438是廣泛應(yīng)用于航空航天的鎳基高溫合金，具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能，合金化學(xué)成分如表1所示。K438合金含有大量鎢、鉬、鈮和鉭4種難熔金屬元素，熔煉工藝復(fù)雜，合金會(huì)在一定結(jié)晶溫度范圍內(nèi)凝固，存在固-液兩相區(qū)，如果凝固收縮引起的體積減小沒(méi)有得到液態(tài)金屬的及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)在鑄件中形成縮松縮孔缺陷。而且由于鑄造冷卻速度不同，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相變過(guò)程，形成不同的鑄態(tài)組織。鑄件的晶粒度影響材料強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能[14]，實(shí)際生產(chǎn)中薄的葉片部位易形成細(xì)晶，不能滿足金屬高溫強(qiáng)度要求，而厚的輪盤(pán)部位則形成粗晶，無(wú)法滿足屈服強(qiáng)度和疲勞性能等要求[15]，降低產(chǎn)品合格率。通過(guò)改變?nèi)蹮掃^(guò)熱度、澆注溫度、鑄型預(yù)熱溫度、鑄件尺寸及設(shè)置冷鐵等措施，調(diào)整鑄造冷卻速度，可以調(diào)控晶粒尺寸并改善合金的性能[16-20]。

表1 K438鎳基高溫合金化學(xué)成分表 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

研究采用ProCAST模擬軟件預(yù)測(cè)縮松縮孔。為確保輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，分別通過(guò)ProCAST、JMat-Pro對(duì)K438合金的熱物理性能進(jìn)行計(jì)算，并與高溫合金手冊(cè)中的熱物理性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。ProCAST可以用3種不同的固體擴(kuò)散模型計(jì)算材料的性質(zhì)，即Scheil、Lever、Back Diffusion，其中Scheil和Lever對(duì)應(yīng)2種不同的微偏析模型，2種模型都考慮了在熔體中的完全混合或無(wú)限擴(kuò)散，而B(niǎo)ack Diffusion（反擴(kuò)散模型）則考慮在固體中的一些擴(kuò)散。通常當(dāng)冷卻速率在0.01 K/s以下時(shí)，選用前2種固體擴(kuò)散模型，而具有較高冷卻速率的合金使用“反擴(kuò)散模型”。研究將ProCAST中合金的冷卻速率設(shè)置為1℃/s（通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量獲得），采用反擴(kuò)散模型估算了材料的性能。利用JMatPro軟件模擬了K438合金在20～1 480℃凝固過(guò)程的熱物理性能。將預(yù)測(cè)的材料性能數(shù)據(jù)與高溫合金手冊(cè)中K438合金性能數(shù)據(jù)隨溫度的變化分別繪制成折線圖，并觀察各種參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)以及相互之間的誤差范圍，如圖2所示。將各類(lèi)熱物理性能參數(shù)數(shù)據(jù)匯總，分別擬合為一條曲線，選取材料熱物理性能的有效溫度區(qū)間100～1 480℃（其中1 480℃為合金材料的澆注溫度），為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在該溫度區(qū)間的曲線上以每100℃為間隔，選取熱物理性能參數(shù)數(shù)據(jù)并繪制成最優(yōu)熱物理性能折線圖，如圖3所示，分別將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ProCAST，模擬K438鎳基高溫合金的澆注過(guò)程。

圖2 K438合金各種熱物理性能對(duì)比

圖3 K438合金最優(yōu)熱物理性能

1.3 澆注工藝分析

根據(jù)渦輪導(dǎo)向器結(jié)構(gòu)、尺寸要求及K438合金的特點(diǎn)，選擇真空熔模鑄造進(jìn)行澆注研制，其中真空度＜3 Pa。選用真空熔煉、真空澆注凝固可有效避免澆注過(guò)程中的卷氣[21]。頂注式澆注系統(tǒng)能直接對(duì)型腔進(jìn)行充型，為避免排氣邊緣欠鑄缺陷的產(chǎn)生，選擇頂注式澆注系統(tǒng)。

澆口杯主要承接來(lái)自澆包的金屬液，防止金屬液飛濺和溢出，減輕液流對(duì)型腔壁的沖刷并具有擋渣作用。池形澆口杯由于內(nèi)部液體深度深，消耗的金屬熔體也較多，對(duì)于大多數(shù)鑄件的成型不利于出品率，因此選用漏斗形澆口杯。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用圓形橫澆道可以減少金屬熔體在澆注系統(tǒng)中散失的熱量，并通過(guò)設(shè)置合適的澆注速度，使金屬熔體充滿導(dǎo)向器整個(gè)型腔。內(nèi)澆道引導(dǎo)金屬液平穩(wěn)地流入型腔，控制充型速度和方向，調(diào)節(jié)鑄件各部位的溫差和凝固順序，為了避免金屬液流入型腔時(shí)噴射嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)內(nèi)澆道時(shí)需要調(diào)整澆口比使橫澆道作為阻流截面，使?jié)沧⑦^(guò)程中金屬液充型平穩(wěn)，澆注系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)

設(shè)計(jì)完成的澆注系統(tǒng)和鑄件采用ProCAST進(jìn)行充型及凝固模擬分析。在模擬軟件中，鑄件材質(zhì)選用K438合金，鑄型材料選用材料庫(kù)中自帶的REFRACTORY_Mullite（莫來(lái)石），厚度定義為10.5 mm。鑄件和模殼一共劃分約10萬(wàn)個(gè)三角形面網(wǎng)格，約70萬(wàn)個(gè)四面體體網(wǎng)格。鑄件的仿真參數(shù)如表2所示。

表2 K438合金熔模鑄造的模擬參數(shù)

2 模擬與結(jié)果分析

2.1 初始澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬與缺陷分析

鑄件的凝固過(guò)程如圖5（a）所示，熔體在澆注后8.5 s開(kāi)始凝固。當(dāng)澆注時(shí)間達(dá)到148 s時(shí)，鑄件和內(nèi)澆道交叉部位的固相率升高，比鑄件的金屬液率先凝固，這表明內(nèi)澆道中填充型腔的通道已經(jīng)斷開(kāi)，內(nèi)澆道的金屬液無(wú)法補(bǔ)縮型腔，如圖5（b）所示，因此在鑄件的內(nèi)外環(huán)頂部出現(xiàn)縮松缺陷。

渦輪導(dǎo)向器中的縮松缺陷如圖5（c）所示，其中邊界值的設(shè)置為0.01，呈現(xiàn)的部位縮松率皆為1%以上，這種原因大概率是由于凝固過(guò)程中鑄件和內(nèi)澆道交叉部位率先凝固，導(dǎo)致金屬液無(wú)法對(duì)型腔進(jìn)行有效補(bǔ)縮。

圖5 鑄件凝固過(guò)程及縮松缺陷

2.2 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)充型和凝固分析

初始澆注系統(tǒng)中內(nèi)澆道與鑄件交叉部位的過(guò)早凝固，可以通過(guò)在澆注系統(tǒng)部位增加保溫棉減緩金屬液溫度的散失，其次對(duì)于內(nèi)外環(huán)頂部位置的縮松缺陷，通過(guò)在內(nèi)澆道的頂部設(shè)置補(bǔ)縮冒口，增加內(nèi)澆道的補(bǔ)縮能力。根據(jù)頂注式澆注系統(tǒng)的缺陷，在相應(yīng)熱節(jié)部位合理設(shè)置了冒口，并在澆注系統(tǒng)外側(cè)包裹10 mm厚的保溫棉，最終優(yōu)化的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

澆注系統(tǒng)的充型過(guò)程如圖7所示，在重力作用下，金屬液首先通過(guò)澆口杯流向5個(gè)橫澆道，然后通過(guò)位于橫澆道下方的內(nèi)澆道對(duì)內(nèi)外環(huán)進(jìn)行填充，內(nèi)外環(huán)又將金屬液引入內(nèi)部葉片成型區(qū)域，整個(gè)填充過(guò)程較為平穩(wěn)、無(wú)飛濺、無(wú)明顯湍流。充型模擬時(shí)間為5 s，選擇不同充型時(shí)間（0.32、0.53、1.89、5 s）觀察熔體充型情況，可以看到：充型時(shí)間到達(dá)0.32 s時(shí)，金屬液通過(guò)澆口杯進(jìn)入橫澆道，色帶整體均勻，沒(méi)有出現(xiàn)飛濺等現(xiàn)象；充型時(shí)間到達(dá)0.53 s時(shí)，金屬液開(kāi)始從橫澆道向內(nèi)澆道流動(dòng)，橫澆道和內(nèi)澆道交叉部位可能由于溫度差會(huì)引起體積收縮不均，造成縮松縮孔等缺陷；充型時(shí)間為1.89 s時(shí)，金屬液已經(jīng)開(kāi)始填充完整個(gè)型腔，最終充型時(shí)間為5 s，金屬液完全充滿型腔，充型效果較好。在2種內(nèi)澆道的共同作用下，通過(guò)內(nèi)外環(huán)的金屬液可以填充整個(gè)型腔。

圖7 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)的充型過(guò)程

渦輪導(dǎo)向器鑄件充型過(guò)程如圖8所示，金屬液首先從距離橫澆道較近的內(nèi)澆道向待成型鑄件內(nèi)環(huán)流動(dòng)，而后從內(nèi)環(huán)部位平穩(wěn)的向葉片成型區(qū)域填充，隨后距離橫澆道較遠(yuǎn)部位的內(nèi)澆道分別向內(nèi)環(huán)、外環(huán)填充金屬液直至內(nèi)環(huán)部位填充完畢，此時(shí)內(nèi)環(huán)部位的金屬熔體并未凝固，向葉片成型區(qū)域尚未填充的部位繼續(xù)流動(dòng)直至內(nèi)外環(huán)中的金屬液為葉片成型區(qū)域補(bǔ)縮完畢，外環(huán)部位是熔體最后填充完畢的位置，隨后整個(gè)型腔充型完成，充型過(guò)程平穩(wěn)無(wú)飛濺。上述充型模擬分析結(jié)果表明，此澆注工藝可消除渦輪導(dǎo)葉湍流的現(xiàn)象。

圖6優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)

圖8 渦輪導(dǎo)向器鑄件的充型過(guò)程

圖9 所示為鑄件凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分布模擬結(jié)果。從圖9（a）可以看出，澆注方案可以從鑄件的葉片端開(kāi)始凝固，在圖9（b）中，鑄件的內(nèi)外環(huán)中的金屬液可以保證葉片中的補(bǔ)縮，然后內(nèi)外環(huán)開(kāi)始凝固，通過(guò)內(nèi)澆道進(jìn)行補(bǔ)縮，最后內(nèi)澆道和橫澆道開(kāi)始凝固，從圖9（c）可以看出，橫澆道和內(nèi)澆道的交叉部位凝固時(shí)間比較晚，壁厚區(qū)域溫度較高，易產(chǎn)生熱節(jié)，并生成縮松縮孔，但凝固過(guò)程澆注系統(tǒng)對(duì)型腔的補(bǔ)縮充分。鑄件凝固呈現(xiàn)從內(nèi)到外的順序凝固過(guò)程，凝固最先開(kāi)始于鑄件內(nèi)部薄壁部位，逐漸向中厚部位推進(jìn)，與內(nèi)澆道連接的部位最后凝固。對(duì)比左側(cè)溫度色帶可知，鑄件在凝固過(guò)程中，鑄型內(nèi)最高處液體的溫度和最低處的溫度差超過(guò)了100℃，這主要是由于鑄件壁厚不均勻引起，如果補(bǔ)縮不及時(shí)或不充分，則會(huì)產(chǎn)生疏松類(lèi)或澆注不足等缺陷。整個(gè)澆注系統(tǒng)凝固溫度場(chǎng)最終凝固時(shí)間為3.65 h，如圖9（d）所示。

圖9 優(yōu)化后鑄件凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)分布

2.3 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)固相分?jǐn)?shù)和縮松縮孔分析

圖10所示為澆注系統(tǒng)的固相分?jǐn)?shù)和縮松縮孔分布，其中縮松閾值設(shè)置為0.01。從鑄件的凝固過(guò)程分析，基本上能夠遵照順序凝固原則進(jìn)行凝固，與鑄件凝固溫度場(chǎng)相似。從圖10（a）、（b）可以看出，鑄件內(nèi)部的薄壁葉片處率先凝固，而后逐漸向鑄件內(nèi)外環(huán)部位推進(jìn)，橫澆道和內(nèi)澆道的交叉部位凝固時(shí)間比較晚。從圖10（c）看出，橫澆道和內(nèi)澆道交叉部位的壁厚位置易產(chǎn)生熱節(jié)，凝固時(shí)間較晚，這在較大程度上削弱了冒口對(duì)中間熱節(jié)位置的補(bǔ)縮能力，因此容易產(chǎn)生縮松縮孔等鑄造缺陷，如圖10（d）所示。而澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件補(bǔ)縮充分，且按照順序凝固原則凝固，因此鑄件中未出現(xiàn)縮松縮孔缺陷，如圖10（e）所示。鑄件葉片處和鑄件內(nèi)外環(huán)中不存在縮孔，而縮孔主要出現(xiàn)在澆注系統(tǒng)處。由上述模擬結(jié)果可知，此鑄造工藝可控制熔體的流動(dòng)充型過(guò)程和鑄造缺陷的產(chǎn)生。

圖10 優(yōu)化后澆注系統(tǒng)的固相分?jǐn)?shù)和縮松縮孔分布

2.4 無(wú)損探傷檢測(cè)

圖11所示為利用此澆注系統(tǒng)澆注的鑄件成品，采用X射線探傷機(jī)對(duì)鑄件進(jìn)行X光無(wú)損探傷檢測(cè)。從圖11可以看到，鑄件內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)孔洞或疏松類(lèi)缺陷，葉片的內(nèi)部質(zhì)量也符合渦輪導(dǎo)向器鑄件的工藝要求。與缺陷模擬結(jié)果對(duì)比可知，兩者并沒(méi)有出現(xiàn)較大的偏差，吻合情況良好。因此，實(shí)際檢測(cè)結(jié)果較好地驗(yàn)證了ProCAST工藝模擬的準(zhǔn)確性以及認(rèn)證能力，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)作用。

圖11 鑄件產(chǎn)品及X射線無(wú)損檢測(cè)

3 結(jié)束語(yǔ)

選用重力頂注式澆注工藝，由于渦輪導(dǎo)向器鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在壁厚位置易產(chǎn)生熱節(jié)，導(dǎo)致鑄件中產(chǎn)生縮松缺陷，且鑄件的薄壁位置會(huì)阻礙金屬液的流動(dòng)，導(dǎo)致鑄件有些部位在凝固時(shí)無(wú)法得到補(bǔ)縮，根據(jù)頂注式澆注系統(tǒng)的缺陷，在相應(yīng)熱節(jié)部位合理設(shè)置了冒口，最終通過(guò)充型過(guò)程與凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)分析，澆注系統(tǒng)對(duì)成型鑄件補(bǔ)縮充分，提升了鑄件合格率與成型質(zhì)量。

采用有限元模擬軟件，通過(guò)對(duì)鑄件進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，能夠掌握熔體的充型和凝固狀況。通過(guò)對(duì)鑄件的縮松縮孔狀況及固相分?jǐn)?shù)變化分析，能夠預(yù)判鑄件缺陷產(chǎn)生的位置和原因，通過(guò)在澆注系統(tǒng)處設(shè)置保溫棉，改善渦輪導(dǎo)向器鑄件的凝固順序，消除鑄件的缺陷，以獲得符合要求的產(chǎn)品。采用優(yōu)化工藝方案進(jìn)行試生產(chǎn)，采用X射線探傷機(jī)對(duì)成型完整鑄件進(jìn)行X光無(wú)損探傷檢測(cè)，鑄件內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)孔洞或疏松缺陷，內(nèi)部冶金質(zhì)量符合鑄件標(biāo)準(zhǔn)。