發(fā)動機(jī)整體薄壁鋁合金精鑄件真空差壓鑄造

（中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002）

隨著新型航空發(fā)動機(jī)的要求不斷提高，發(fā)動機(jī)部件產(chǎn)品急需提升性能水平。粒子分離器、壓氣機(jī)部件等使用的鋁合金鑄件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對鑄件的表面質(zhì)量和內(nèi)部組織的冶金質(zhì)量也提出了更高要求，傳統(tǒng)的鑄造方法和加工能力已經(jīng)滿足不了新一代渦軸航空發(fā)動機(jī)的需求。

目前，國外鋁合金鑄造方法主要有金屬型鑄造和真空高壓鑄造。由于工藝成熟、準(zhǔn)備周期短，國內(nèi)大多數(shù)鋁合金鑄造采用金屬型重力鑄造。由于鋁合金金屬型重力鑄造是利用金屬液自身的重量充型和補(bǔ)縮的一種鑄造工藝，金屬液澆注及充型過程中容易產(chǎn)生紊流，使合金液易卷氣和氧化，因此在鋁合金鑄件中容易產(chǎn)生針孔、氣孔及夾雜等缺陷。重力鑄造通過冒口內(nèi)金屬液自身壓力來對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，效果較差，鑄件容易產(chǎn)生收縮缺陷[1]。

某渦軸發(fā)動機(jī)整體復(fù)雜薄壁鋁合金精鑄件，屬于異形薄壁鋁合金鑄件的精密鑄造，采用傳統(tǒng)的重力鑄造方法無法實現(xiàn)，技術(shù)人員嘗試采用反重力鑄造技術(shù)。目前國內(nèi)的反重力鑄造技術(shù)主要有低壓鑄造、真空差壓鑄造兩種工藝技術(shù)。試驗初期采用低壓鑄造方法，鑄件的充型問題可基本解決，但鑄件內(nèi)部質(zhì)量不盡如人意，鋁合金鑄件經(jīng)常出現(xiàn)疏松、氣孔、熱裂、氧化夾雜等問題[2-3]。因此，對于這類航空發(fā)動機(jī)整體復(fù)雜薄壁鋁合金精鑄件，必須采用先進(jìn)的反重力鑄造技術(shù)——真空差壓鑄造[4]。

以發(fā)動機(jī)排氣端殼體這一有代表性的精鑄件為例，本文利用真空差壓鑄造設(shè)備，研究了澆筑系統(tǒng)、澆注溫度等整體薄壁鋁合金精鑄件真空差壓鑄造生產(chǎn)工藝及控制要點，并對排氣端殼體生產(chǎn)中存在的技術(shù)問題提出了解決途徑和控制手段。

1 整體薄壁鋁合金精鑄件結(jié)構(gòu)特點

某航空發(fā)動機(jī)排氣端殼體為典型的整體薄壁鋁合金精鑄件，選用鋁合金鑄造成形，對設(shè)備、澆注方式等提出了更高的要求。與鋁合金砂鑄件不同，鋁合金整體精鑄件具有以下特點：

（1）鑄件壁厚波動大，結(jié)構(gòu)上存在多處突變。如排氣端殼體內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)，有13片異形散熱片，最薄處只有1mm，內(nèi)腔環(huán)上帶有呈倒鉤結(jié)構(gòu)的溝槽，外部有2個厚大安裝邊，因而鋁合金整體精鑄件工藝性差，冶金質(zhì)量和尺寸精度都很難保證。

（2）采用重力澆注方式成形時，因合金液流動性很差，極易欠鑄，鑄件成形非常困難，甚至無法成形。因工藝需要提高澆注溫度和澆注速度后，鑄件極易產(chǎn)生氣窩和夾雜缺陷及針孔超標(biāo)等，嚴(yán)重影響鑄件冶金質(zhì)量。

2 真空差壓鑄造工藝原理及控制難點

2.1 真空差壓鑄造工藝原理

工藝對設(shè)備提出了要求，而設(shè)備又對操作者提出了要求。只有掌握了真空差壓鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)原理，才能熟練操作設(shè)備，滿足工藝需要。設(shè)備原理圖見圖1。

真空差壓鑄造機(jī)有上、下兩室（最大承壓1.0MPa），氣壓分別控制，鑄型組裝在上室，保溫爐及坩堝在下室，澆注時合金液在壓差作用下通過升液管自下而上反重力充型，充型后上下室在壓差不變的情況下同時加壓，合金液在較高壓力下結(jié)晶凝固。

真空差壓鑄造具有真空下充型、壓力下結(jié)晶等特點，尤其適用于薄壁復(fù)雜整體鋁鑄件的澆注成形。其主要優(yōu)點有：

（1）在充型前抽真空（極限真空度可達(dá)0.005MPa），合金液在真空下充型，減少夾雜、氣窩、針孔等鑄造缺陷，并顯著提高充型能力；

（2）合金液充型后在較高壓力下結(jié)晶凝固（最大壓力可達(dá)1.0MPa），鑄件組織致密，提高內(nèi)部質(zhì)量。

2.2 真空差壓鑄造工藝控制難點

（1）澆注時需防止跑水。

充型時罐內(nèi)幾乎抽為真空，合金液流動性增強(qiáng)，當(dāng)壓差太大或鑄型排氣槽較深，尤其是鑄型上下兩側(cè)結(jié)合面不平整影響到密封性能時，可能發(fā)生跑水。因設(shè)備整體密封，難以發(fā)現(xiàn)，并導(dǎo)致澆注后打開上罐困難，無法繼續(xù)生產(chǎn)。由于精鑄殼型一般是不規(guī)則的，除了造型時控制鑄型上下兩側(cè)是否平齊外，澆注前還需要再次檢測，否則需刮平。實踐中發(fā)現(xiàn)，上下兩側(cè)各墊一塊石棉板效果很好，上部的石棉板還將冒口與金屬壓板隔開，增強(qiáng)了補(bǔ)縮效果。此外兩壓桿壓緊鑄型時，兩邊用力不均勻，壓板會傾斜，沒旋緊的一邊縫隙會大，將發(fā)生跑水。

（2）需防止殼型漲裂。

殼型漲裂雖然發(fā)生在澆注工序，但往往在清砂后才能發(fā)現(xiàn)，其形成原因主要取決于前面的制殼和造型工序。要多走訪前后工序，及時反饋質(zhì)量信息，在后續(xù)改進(jìn)。如果漲裂發(fā)生在殼型內(nèi)腔，則是制殼時未完全干燥，殼型強(qiáng)度不夠；如果發(fā)生在殼型外側(cè)平面薄壁部位，則是造型時填充不到位，澆注時殼型單側(cè)受壓漲裂。此外，還需檢查通氣孔是否完全暢通，否則殼型也會受到過高壓力漲裂。

（3）需防止漏氣。

圖1 真空差壓鑄造結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Principle of vacuum differential pressure casting

鑄件澆注后，如果觀察到真空差壓鑄造工藝曲線不正常，需檢查上下壓室是否有漏氣現(xiàn)象。如果上壓室漏氣，上壓室不穩(wěn)定，下壓室壓力會偏高；如果下壓室漏氣，也就是中間隔板漏氣，不能建立壓力差或者不穩(wěn)定，會影響到充型，都需拆開上壓室、中隔板和升液管檢查。通常情況，上下壓室O型密封圈接口處截面不平整，密封圈凹槽受熱膨脹，與密封圈形成間隙造成上下壓室漏氣，此外密封圈凹槽沒有清理干凈，以及升液管安裝孔處有鐵銹、石棉板破損等原因，也會造成下壓室漏氣，尤其是石棉板較薄，澆注過程中，石棉板在持續(xù)高溫下變脆而破損，會影響到密封效果。

為防止上下壓室漏氣，需將O型密封圈加長1cm，強(qiáng)力壓入凹槽內(nèi)，形成預(yù)緊力，并清除凹槽內(nèi)的鐵銹、砂子等雜物，檢查硅橡膠O型密封圈是否完好；需銼平中隔板上的鐵銹和多余物，安裝中隔板時螺栓要對稱擰緊，兩邊用力均勻；為防止石棉板破損，將石棉墊子做成兩層，使用前要仔細(xì)檢查是否有折痕、破損，墊子的內(nèi)外邊要切割平整。

3 鋁合金精鑄件真空差壓鑄造試驗

鋁合金精鑄件在真空差壓鑄造設(shè)備上澆注時，不同于普通的重力澆注鋁合金鑄件，也不同于普通的精鑄件，在澆注系統(tǒng)、鑄型處理和澆注溫度控制上需特殊考慮。

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

曾有技術(shù)人員設(shè)計出“十字型”澆鑄系統(tǒng)[5-6]，有效解決了冷隔等缺陷問題。結(jié)合本項目鑄件結(jié)構(gòu)特點，將真空差壓鑄造澆注系統(tǒng)設(shè)計為上下雙通結(jié)構(gòu)，澆口在鑄型下部，頂部冒口既能補(bǔ)縮，又能排氣、排渣；本系統(tǒng)既不同于一般精鑄件普遍采用的頂注式，也不同于重力澆注鋁合金件較多采用的底注式，不需要用一根直澆道將金屬液引到鑄件底部，是一種更為純粹的底注式。這種充型方式金屬液熱量損失少，充型更為平穩(wěn)，可減少氧化夾渣、冷隔等缺陷的產(chǎn)生。

工藝試驗初期，鑄件冶金缺陷明顯。對排氣端殼體澆注系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。改進(jìn)前后的澆注系統(tǒng)見圖2。改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)為大頭朝下的上下雙通結(jié)構(gòu)。

3.2 鑄型研究

鋁合金精鑄件采用差壓澆注，模殼制備時在壓力作用下極易產(chǎn)生漲裂，因此模殼外部必須設(shè)有加強(qiáng)保護(hù)措施。本研究中，采用在模殼外部增加填充物進(jìn)行保護(hù)。

（1）填充砂制備對比試驗。

采用仿真模擬軟件[7]研究型砂技術(shù)方案，選用了3種常用的鑄造選型材料[8]進(jìn)行填充砂制備工藝對比試驗。

通過3種型砂對比試驗發(fā)現(xiàn)，填充粘土砂和莫來石砂，都不能保證鑄型強(qiáng)度要求，而選用呋喃樹脂砂造型，鑄件達(dá)到滿意效果（表1）。冷凝樹脂砂還有一個好處，便于將鑄型上下兩側(cè)刮平，有利于澆注時配合面密封，防止跑水。

（2）呋喃樹脂砂配方設(shè)計。

為了得到行走機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度、位置和加速度隨時間變化情況，仿真分析時采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動，由于行走機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的慣量較大，且啟動和制動頻繁，為了保證其運(yùn)動的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用SCCA形式定義伺服電機(jī)。SCCA是指一條包含正弦、常數(shù)和余弦的復(fù)合曲線，僅用于加速度的設(shè)置，若機(jī)構(gòu)的運(yùn)動時間為t，則加速度函數(shù)y的表達(dá)式如式(1)：

通過工藝試驗，確定的呋喃樹脂砂配方見表2。

（3）混砂工藝試驗。

采用球形混砂機(jī)進(jìn)行混制?；焐肮に嚾缦拢涸啊尤牍袒瘎┗臁?min→加入樹脂混≤4min→出砂。

在實際操作中，為了降低鑄型強(qiáng)度，增加透氣性，將樹脂和固化劑取配比下限，效果較好。配完砂后應(yīng)在短時間內(nèi)造型，因樹脂砂配制完成后與空氣接觸即開始固化，時間越長樹脂砂流動性越差，模殼死角處樹脂砂不能填充到位，在澆注過程中會漲殼。為了保證充型時合金液純凈，造型時需在澆口杯上安放陶瓷過濾網(wǎng)。造型完成后需在烘房中對鑄型進(jìn)行烘干，烘干溫度200～300℃，保溫時間不少于2h。這樣能除去殘留水分，并降低鑄型強(qiáng)度，便于清砂。

圖2 排氣端殼體鑄件的澆注系統(tǒng)Fig.2 Casting system of exhaust end housing casting

表1 填充砂對比試驗

3.3 澆注溫度選擇

整體薄壁鋁合金精鑄件對澆注溫度非常敏感。工藝試驗研究發(fā)現(xiàn)，某型發(fā)動機(jī)排氣端殼體低于700℃澆注，易產(chǎn)生欠鑄缺陷。在保證充型前提下，澆注溫度越低，鑄件內(nèi)部質(zhì)量越好，當(dāng)澆注溫度超過750℃時，鑄件會出現(xiàn)疏松等缺陷。所以，澆鑄溫度應(yīng)在700～750℃為宜。

4 生產(chǎn)驗證

4.1 零件生產(chǎn)

4.1.1 加工工藝

發(fā)動機(jī)排氣端殼體采用真空差壓鑄造工藝，選取了改進(jìn)后的雙通結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)生產(chǎn)驗證，采用球形混砂機(jī)對呋喃樹脂砂型砂進(jìn)行混制，在（730±10）℃澆注溫度下進(jìn)行鑄件澆注。

4.1.2 試驗結(jié)果

生產(chǎn)驗證共投入40件，鑄造后分別進(jìn)行了尺寸檢查、無損檢查及金相分析。

（1）尺寸檢查。

對鑄件表面粗糙度檢查，Ra為6.3μm以下；同時工業(yè)CT檢查尺寸，尺寸精度達(dá)到CT7級。

（2）無損檢查。

經(jīng)無損檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、疏松、氣孔、夾雜等冶金缺陷。

（3）金相檢查。

對比分析澆筑系統(tǒng)改進(jìn)前后兩種鋁合金鑄造試件，發(fā)現(xiàn)顯微組織和性能差異較大，結(jié)果見表3。

4.2 分析討論

4.2.1 澆鑄系統(tǒng)的影響分析

真空差壓鑄造利用壓力差，可實現(xiàn)真空下澆注，壓力下結(jié)晶，有利于獲得內(nèi)部組織較為致密的異形薄壁鑄件。由于鑄件壁薄，在優(yōu)化澆注系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，加之設(shè)備抽真空功能，可基本實現(xiàn)鑄件澆注后同時凝固，大大減少鋁合金鑄件的針孔缺陷，從而獲得高質(zhì)量鋁合金鑄件。通過尺寸檢查和金相分析，改進(jìn)后的鑄件冶金質(zhì)量顯著提高。

表2 呋喃樹脂砂配比

表3 生產(chǎn)結(jié)果

通過改進(jìn)前后對比可知，鋁合金整體精鑄件真空差壓鑄造，先填充尺寸較小，相對分散的熱節(jié)，后填充尺寸厚大，相對集中的熱節(jié)，不僅更有利于充型和補(bǔ)縮，也有利于造型操作。改進(jìn)后還有一個優(yōu)點，就是將封閉型腔開口向外，更有利制殼操作，便于保證殼型質(zhì)量。

4.2.2 澆鑄溫度的影響分析

目前，鋁合金鑄造溫度一般在700℃左右[9]。試驗發(fā)現(xiàn)，在實際操作中，設(shè)備溫度選擇與設(shè)備開展溫度能力有一定的關(guān)系，必須嚴(yán)格控制溫度的波動區(qū)間，波動越小越好。本項目采用的真空差壓鑄造機(jī)保溫坩堝中的合金液是通過爐膛電阻絲以熱輻射的方式進(jìn)行加熱，爐膛和合金液的溫度均采用數(shù)顯控溫方式，其儀表指示溫度相對實際溫度有一定的滯后，因而保證合金液溫度穩(wěn)定性有較大難度。工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)合金液剛好到澆注溫度，即使馬上斷電，溫度卻還在不斷上升，溫度過高，會造成整爐合金液報廢。所以，將該薄壁鑄件的澆注溫度確定為（730±10）℃，可以滿足鑄件使用要求。

4.2.3 鑄件組織與性能分析

圖3 82#排氣端殼體金相組織Fig.3 Microstructure morphology of 82# exhaust end housing

圖4 92#排氣端殼體金相組織Fig.4 Microstructure morphology of 92# exhaust end housing

由表3可看出，92#鑄件晶粒細(xì)化、凝固效果較好、組織致密，延伸率可達(dá)3.6%，而82#枝晶粗大。原因可能是前期選用的填充砂為莫來砂且澆注溫度較高，無法實現(xiàn)鑄件的設(shè)想凝固順序，影響到晶粒細(xì)化效果。

杜德喜等[10]的研究也發(fā)現(xiàn)，鋁合金鑄件的枝間間距小、組織致密，延伸率提高了70%。與本項目的研究成果相當(dāng)。

5 結(jié)論

（1）真空差壓鑄造具有真空下充型、壓力下結(jié)晶等特點，尤其適用于整體薄壁鋁合金精鑄件的澆注成形。但因壓力較大，操作者需采取防止跑水、漲殼、漏氣等措施。

（2）整體薄壁鋁合金精鑄件在真空差壓鑄造設(shè)備上澆注時，不同于普通的重力澆注鋁合金鑄件，也不同于普通的精鑄件，在澆注系統(tǒng)、鑄型處理和澆注溫度控制需特殊考慮，各工序密切相關(guān)，實際操作中應(yīng)相互關(guān)注。

（3）生產(chǎn)實踐表明，航空發(fā)動機(jī)復(fù)雜整體薄壁鋁合金精鑄件采用雙通結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)，利用呋喃樹脂砂型砂進(jìn)行混制鑄型，在（730±10）℃澆注溫度下進(jìn)行澆注，鑄件產(chǎn)品無疏松、氣孔等冶金缺陷，組織致密，延伸率可達(dá)3.6%。

[1]代習(xí)彬, 蔣玉珍, 劉志先, 等. 鋁合金薄壁管件金屬型重力鑄造工藝初探[J]. 特種鑄造及有色合金, 2007(S1): 21-22.DAI Xibin. JIANG Yuzhen, LIU Zhixian, et al. Aluminum alloy thin-walled pipe metal mold gravity casting process[J]. Special Casting &Nonferrous Alloys, 2007(S1): 21-22.

[2]張西生, 趙磊, 周正海. 低壓鑄造ZL205A鑄件缺陷分析及工藝優(yōu)化[J]. 金屬加工: 熱加工, 2016(15): 25-27.ZHANG Xisheng, ZHAO Lei, ZHOU Zhenghai. Low pressure casting ZL205A casting defect analysis and process optimization[J]. Metal Working:Hot Working, 2016(15): 25-27.

[3]郭忠民, 陳大勝. 薄壁復(fù)雜鋁合金鑄件低壓鑄造工藝實踐[J]. 鑄造技術(shù), 2007, 28(S1): 62-64.GUO Zhongmin, CHEN Dasheng. Low pressure casting process complicated thin-walled aluminum alloy casting practice[J]. Foundry Technology, 2007, 28(S1): 62-64.

[4]姜不居. 鑄造手冊: 特種鑄造[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.JIANG Buju. Casting manual: special casting process[M]. Beijing:China Machine Press, 2011.

[5]黃天佑. 鑄造手冊: 造型材料[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2012.HUANG Tianyou. Casting manual: modeling material[M]. Beijing:China Machine Press, 2012.

[6]JIANG W M, FAN Z T. Gating system optimization of low pressure casting A356 aluminum alloy intake manifold based numerical simulation[J]. China Foundry, 2014, 11(2): 119-124.

[7]RAWAHI N, TRYGGVASON G. Numerical simulation of dendritic solidification with convection: three-dimensional flow[J]. Journal of Computational Physics, 2004, 194(2): 677-696.

[8]糜海飛. 基于MAGMA的發(fā)動機(jī)缸體砂型鑄造工藝的開發(fā)[J]. 金屬加工: 熱加工, 2016(1): 36-37.MI Haifei. Based on MAGMA of engine cylinder block for the development of sand mold casting process[J]. Metal Working: Hot Working,2016(1): 36-37.

[9]董秀琦. 低壓及差壓鑄造理論與實踐[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.DONG Xiuqi. Theory and practice of low pressure and differential pressure casting[M]. Beijing: China Machine Press, 2003.

[10]杜德喜，于寧. 保壓壓力對鋁車輪低壓鑄造的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2017，37(4): 389-390.DU Dexi, YU Ning. The holding pressure on the influence of low pressure casting aluminum wheels[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys,2017, 37(4): 389-390.