设备报修服务中心

新闻资讯

news information

首页

2024

高温合金环形件整体铸造工艺设计优化

摘要：以某航空发动机环形件的整体精铸为例，使用数值模拟技术分析整体精铸工艺的熔体充型、铸件凝固缺陷和尺寸变形等关键问题，为工艺设计和优化提供理论依据。模拟和试验结果表明：通过整体浇注既满足了铸件成形需求又保证了铸件尺寸精度。通过冒口保温，有效控制了铸件缩松缺陷。最后获得了合格铸件。

一、数值模拟方案及参数设置

针对某航空发动机环形件（图1a）的结构特点，设计相应的整体精铸工艺，并通过数值模拟技术分析整体精铸工艺的相关问题及解决办法。根据经验设计了该零件的浇注系统及熔模铸造工艺参数。根据铸件和浇注系统模型，建立仿真模型，铸件和型壳的网格划分结果分别见图1b、c。该铸件材料为镍基高温合金Inconel 718，其液相线1 343.5 ℃，固相线1 262.5 ℃，基体组织为γ-Ni，弥散强化相为γ′相和γ″相^[1]。陶瓷型壳厚度为10 mm。对冒口进行保温处理以减少铸件凝固缺陷，具体是在冒口处施加绝热边界条件。模型的整体网格尺寸为2 mm。其他模拟参数设置见表1。合金的化学成分见表2。

表1 熔模铸造工艺参数
Table 1 Parameters of the investment casting process

pagenumber_ebook=103,pagenumber_book=1043

表2 Inconel 718高温合金化学成分
Table 2 Chemical composition of Inconel 718 superalloy w_B/%

pagenumber_ebook=103,pagenumber_book=1043

pagenumber_ebook=102,pagenumber_book=1042

图1 铸件结构及网格图
Fig.1 Casting structure and grid diagram

二、模拟结果与分析

2.1 整体浇注的充型效果分析

通过模拟可知，该环形件的充型时间为4.259 s，最终获得完整成形的铸件，见图2。由于采用了整体浇注，即浇注合金通过浇注系统快速对铸件进行同时充型，铸件在充型过程中各部位的温度场和速度场的分布相对均匀。该方法的目的是为了减小铸件中的温度梯度、缩短铸件的凝固时间、减少铸件变形。该设计中，内浇嘴在铸件两侧分布，避开了熔体对冲造成的紊乱流动。

pagenumber_ebook=104,pagenumber_book=1044

图2 铸件充型过程的速度场分布
Fig.2 Velocity field distribution in filling process of the casting

2.2 冒口保温条件下的凝固缺陷统计分析

冒口在凝固至670 ℃时所需的凝固时间为340 s，铸件的平均温度降为500 ℃左右时所需的凝固时间约为190 s，其温度分布和凝固时间分别见图3a、b。可见，铸件凝固完毕150 s后冒口才凝固完毕，这保证了铸件顶部的补缩。通过冒口保温使局部高温区在冒口中心而非顶部，实际可根据需要调整浇注合金的质量，以调整冒口中心高温区到铸件的距离，进而调整冒口的补缩并避免内浇嘴处出现大体积缩松。冒口保温时型壳的温度分布见图3c，可见在铸件凝固结束时，冒口仍保持较高温度。

pagenumber_ebook=104,pagenumber_book=1044

图3 凝固过程设置及结果
Fig.3 Setting and result of solidification process

凝固后缩松区域主要存在于冒口中，见图3d。对缩松区域进行统计，结果表明：缩松区域总体积为63.792 cm³，其中孔洞为5.932 cm³，因此孔洞占缩松区域体积的8.279%。除了冒口的大尺寸缩松，实际铸件还会存在显微疏松孔洞。

2.3 高温合金精密铸件关键部位变形分析

整体精铸虽然避免了拼焊和机械拼接产生的残余应力和尺寸变形，但由于航空发动机铸件结构复杂、尺寸大，导致整体精铸件的热应力和收缩变形也增大。为了解决这个问题，本研究采用了前文提到的整体浇注和保温冒口两项措施，并合理设计工艺参数，以保证铸件关键部位的尺寸精度。

图4为铸件的等效应力分布，等效应力最大值为94.57 MPa，位于冒口与铸件连接处的圆角。由于铸件基体的应力较小，因此铸件的应力集中水平较低，这有利于减小铸件变形。由于冒口上端为自由端，因此在热应力作用下冒口上端变形量最大（图5a）。铸件关键部位（叶片）的变形量在0.02 mm以内（图5b）。铸件最大变形量位于铸件和冒口的连接部位（图5c、d）。由上可见，通过整体浇注降低了浇注系统变形不均匀对铸件精度的影响。

pagenumber_ebook=104,pagenumber_book=1044

图4 铸件等效应力云图
Fig.4 Effective stress contour of the casting

pagenumber_ebook=105,pagenumber_book=1045

图5 总位移
Fig.5 Total displacement

2.4 生产验证和产品验收

根据该高温合金环形件的工艺分析结果，制定其整体精铸工艺，主要的措施包括：（1）采用整体浇注控制铸件的温度梯度，进而控制降低铸件的缩松倾向和尺寸变形倾向，同时达到缩短铸件制造周期的目的；（2）采用保温冒口方式，控制铸件的冷却顺序，将缩松控制在冒口中央，避免铸件产生严重的缩松缺陷，以达到提高铸件性能的目的。此外，整体精铸成形实现了该环形件的整体一次成形，使铸件微观组织和力学性能相对拼焊和机械拼接件更均匀。实际生产的高温合金环形铸件实物见图6，其金相观察表明铸件微观组织致密（图7）。该铸件各项指标合格。

pagenumber_ebook=105,pagenumber_book=1045