鈦鋁低壓渦輪葉片熔模鑄造精確成形及冶金缺陷分析

朱郎平，李建崇，張美娟，魏戰(zhàn)雷，黃東，南海

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京市鈦合金精密成形工程技術研究中心，北京 100095）

TiAl合金具有密度低(3.8～4.1 g/cm3)、彈性模量高(160～170 GPa)、高溫性能好（室溫至800 ℃高溫強度保持率達80%）等優(yōu)點[1—2]，是非常具有發(fā)展前途的輕質耐高溫結構材料。采用液態(tài)凝固精確成形技術可實現(xiàn)薄壁復雜構件近凈成形，提高整體剛性，降低TiAl合金構件制造難度。美國PCC公司和中科院沈陽金屬所采用熔模精鑄技術制造出的 TiAl低壓渦輪葉片[3—4]，取代鎳基高溫合金，分別用于波音787客機GEnx發(fā)動機和空客380客機TRENT XWB97發(fā)動機，都取得了良好的減重和節(jié)能減排效果[5—6]。盡管采用熔模精鑄技術可得到無余量或近無余量的精確復雜制件，大幅減少金屬損耗，減少機加工，降低制造成本，然而由于目前的技術在冶金缺陷等質量控制方面投入大量的工序和裝備，工藝與成本之間的矛盾問題仍然突出，如采用離心澆注容易引入湍流[7—9]，引起卷氣、夾砂等缺陷[10—11]，降低產品質量及成品率，各國還在探索和嘗試降低制造成本的途徑，更好地滿足商業(yè)化應用需求。

文中基于重力澆注的 TiAl低壓渦輪葉片熔模精鑄技術，通過開展不同澆冒口系統(tǒng)設置的澆注實驗，分析了其對葉片的充型能力以及冶金質量的影響。

1 實驗

實驗用材料名義成分為Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B（原子數(shù)分數(shù)），采用質量分數(shù)為 99.5%的海綿鈦、質量分數(shù)為 99.99%的鋁豆和質量分數(shù)為 99.9%的AlNb60、質量分數(shù)為99.9%的AlMn50及無定型B粉為原材料，經兩次真空自耗熔煉和一次真空自耗凝殼爐澆注，制備出20 kg母合金錠，合金名義化學成分和實測結果見表1，各主元素與名義成分符合較好。葉片長301 mm，排氣邊最小壁厚1 mm，見圖1a。澆注系統(tǒng)采用頂注方式設計，單模組4支葉片，榫頭朝上，排氣邊朝外，見圖 1b，每支葉片設置不同數(shù)量和類型的輔助階梯澆口，排氣邊等間距均勻設置排氣孔，具體見表 2。采用 SLM激光快速機制備樹脂基葉片模型，浸入70 ℃石蠟，冷卻后刮除表面多余的石蠟，得到葉片熔模，制殼涂料以醋酸鋯為粘結劑，氧化釔為粉料，面層和臨面層耐火材料選用氧化釔，背層砂為鋁礬土，背層涂8層，最后一層涂料后掛漿，干燥后在電爐中脫蠟，并隨爐升溫至1000 ℃，保溫焙燒5 h，隨爐冷卻獲得型殼，用酒精清洗內腔后備用。采用ISM 20 kg水冷銅坩堝真空感應爐進行葉片澆注實驗，澆注前型殼裝入砂箱，在臺車爐中900 ℃預熱保溫2 h，然后在2 min內迅速轉移至感應爐內進行熔煉澆注，極限真空度 10–2Pa，感應熔煉功率500 kW，精煉時間5 min。

分別采用目視和 X射線檢驗分析葉片鑄件表面及內部缺陷，采用ICP方法檢測合金化學成分。在葉片本體制取金相試樣，經Kroll腐蝕液（按體積分數(shù)5% HF+10% HNO3+85% H2O）腐蝕后，在Olympus BH2-UMA光學顯微鏡上觀察低倍顯微組織。

表1 Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金的化學成分（質量分數(shù)）Tab.1 Chemical composition of Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B alloy (mass fraction) %

圖1 葉片三維模型及澆注系統(tǒng)Fig.1 3D model of blade and pouring system

表2 澆注系統(tǒng)中澆冒口設置列表Tab.2 List for setting of sprue and risers in pouring system

2 結果與分析

澆注獲得葉片鑄件實物見圖2，從照片看出，葉片成形完成，未出現(xiàn)大面積欠鑄，說明該工藝達到葉片的完整充型條件。通過對葉片進行目視檢查，存在以下缺陷：2#和4#葉片葉身斷裂，2#葉片葉身排氣邊存在1 cm2的欠鑄，1#葉片葉身局部區(qū)域有皮下氣孔，葉片葉冠封嚴槽內出現(xiàn)不同程度的表面夾渣，葉片表面存在鑄瘤。通過對1#和3#葉片的X射線檢驗結果表明，1#葉片葉身與輔助階梯澆道連接部位存在孔徑5 mm左右的縮孔缺陷。

圖2 鑄造葉片實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of cast blade

圖3 葉片斷裂截面照片F(xiàn)ig.3 Photo of fracture section

2#和4#葉片的葉身開裂斷口形貌見圖3，可以看出，葉片斷裂部位都處于葉身上端階梯輔澆道根部，澆道截面呈方形。排氣端靠近澆口，斷面呈灰色，有熔體凝固前沿糊狀特征，見圖 4a，因此為完全凝固前的熱裂，而進氣邊離澆口較遠，斷面呈金屬色，凹凸不平，有解理斷裂特征，呈冷裂特征，見圖 4b，2#葉片開裂位置處于兩個澆口之間，而4#葉片開裂位置的另一端至葉冠沒有澆道，從澆注系統(tǒng)結構上屬于自由收縮，因此分析斷裂原因為：葉片充型完成凝固過程中，在型殼對葉身收縮形成造成制約，葉身與方形澆口連接處成為厚大熱節(jié)，處于固液兩相共存狀態(tài)時，在長度方向收縮導致的拉應力作用下，該熱節(jié)部位開裂[12]，此后拉應力得以釋放，冷卻并出爐后，熱裂區(qū)成為裂紋源，并在搬運及清殼過程振動作用下，葉身完全斷裂。2#葉片斷裂原因類似，但同時其拉應力的形成還可能受到了開裂位置上下兩方形截面階梯輔澆道的作用。

圖4 葉片斷口形貌Fig.4 Fractograph of cracked blades

葉片表面的皮下氣孔見圖 5，可以看出，1#葉片上端存在皮下氣孔，集中分布于葉身靠近葉冠部位。一般來說，皮下氣孔形成的應用有兩種，一是鑄型內存在氣體，或水分含量過高，高溫熔體作用下出現(xiàn)在界面，未能排出，凝固后在鑄件表面形成氣孔；二是反應性氣孔，金屬液與鑄型內表面發(fā)生化學反應，加之鑄型透氣性差，產生氣體不能排出，在鑄件表面形成氣孔。本實驗中，型殼在澆注前在900 ℃經過了2 h的預熱，并采用真空熔煉，因此鑄型中不存在氣體或水分，第1種可能性被排除。實驗采用醋酸鋯作為粘結劑，粘結劑組份在高溫焙燒后轉變得到ZrO2[13]；同時采用了樹脂基熔模，在型殼脫蠟過程中樹脂未完全脫除干凈，而在高溫焙燒過程中發(fā)生碳化，形成殘留碳黑，而由于內腔結構復雜，未能清洗干凈而保留在型殼中，在澆注過程面層中的 ZrO2與型殼中殘留的碳黑發(fā)生反應：ZrO2+C→ZrC+CO[14]，從而在內腔壁面熔體中生成CO氣體，凝固冷卻后形成皮下氣孔。在涂掛面層漿料后，漿料沿葉身向下（葉冠方向）流動，導致葉身下端漿料偏厚，從而焙燒后 ZrO2含量較多，對上述反應起到促進作用。

圖5 葉片表面的皮下氣孔照片F(xiàn)ig.5 Subsurface blowhole on blade

圖6 葉片表面鈦豆及相應型殼內腔的表面凹坑Fig.6 Titanium bean on surface of blade and corresponding surface pit on inner cavity of shell

葉身表面形貌見圖 6a，可以看出，葉片葉身表面存在大量鑄瘤，在葉片表面均勻分布，尺寸在0.5 mm以內，在對未澆注的型殼內腔解剖分析結果發(fā)現(xiàn)，型殼內腔表面存在與鑄瘤形狀、尺寸相仿的凹坑，見圖 6b，因此可以認為鑄瘤是型殼面層涂料的原因，由于樹脂基熔模表面在滲蠟后處理過程中，表面形成許多微細溝槽，而在向熔模涂掛面層漿料時，溝槽中的空氣未能攆出而夾在漿料中，在界面形成氣泡，干燥后在內腔表面出現(xiàn)凹坑。

葉冠封嚴槽內的收縮缺陷見圖 7a，可以看出，葉冠封嚴槽內存在較嚴重的表面疏松缺陷，缺陷位于葉身正上方沿葉身走向規(guī)律分布，沿葉身縱向解剖結果表明，表面缺陷延伸到葉冠內部與內部疏松缺陷連為一體，因此認為該表面缺陷屬于疏松，其相應的縱剖截面見圖 7b。分析認為，葉身與葉冠連接部位為厚大熱節(jié)，最后凝固，而實驗采用重力澆注，葉冠位于底端，最后充型，并無法得到補縮，因此容易出現(xiàn)嚴重的疏松缺陷，并在拐角部位露出表面[15]。

圖7 葉冠封嚴槽內的收縮缺陷及相應的縱剖截面照片F(xiàn)ig.7 Shrinkage defects in sealing groove of blade shrouds and corresponding profile section

圖8 1#和3#葉片X射線底片F(xiàn)ig.8 X-ray film of blade 1# and blade 3#

X射線檢測結果顯示見圖8，2#葉片在葉身與階梯澆道連接部位存在孔徑＞5 mm的縮孔缺陷，葉身的縮孔對后續(xù)熱等靜壓及加工帶來極大困難，其風險主要體現(xiàn)在：后續(xù)熱等靜壓過導致葉身表面出現(xiàn)壓坑，葉身尺寸無法得到保證，或者縮孔通過疏松缺陷與表面連通，導致壓不合，都將造成葉片報廢，所以需要嚴格控制工藝，避免葉身縮孔缺陷的產生，因此葉身不宜設置澆口。對鑄造葉片葉身截面進行解剖，進行金相分析，分析位置見圖9a，1#位于葉身中心部位，存在顯微疏松，結果見圖9b，2#位于葉盆邊沿，存在表面疏松缺陷，結果見圖 9c。分析認為，在充型凝固過程中，熔體接觸內腔后，由于表面較高的熱導率，并在陶瓷型殼的作用下異質形核，沿壁面迅速形成一層很薄的凝固層，隨后的凝固過程中由于凝固合金和鑄型的收縮率不同，葉盆表面與型殼之間分離，并形成空隙[16]，且型殼溫度高，熔體沿橫向的散熱受到阻礙，由于凸面的散熱效果優(yōu)于凹面，葉背→葉盆方向存在正溫度梯度，熔體從葉背向葉盆方向凝固，最后在葉盆近表面由于無法補縮而出現(xiàn)疏松缺陷。

圖9 葉身截面光學顯微組織照片F(xiàn)ig.9 Optical microstructure of blade profile

3 結論

采用頂注式重力澆注，通過合理設置澆口和排氣孔，實現(xiàn) TiAl低壓渦輪葉片完整充型，對葉片冶金缺陷分析，結論如下。

1) 葉冠與葉身端部轉角部位在充型凝固過程中形成熱節(jié)，容易出現(xiàn)貫穿性疏松缺陷。

2) 葉身上的澆口容易引起葉身熱裂，形成縮孔，不建議在葉身設置輔澆口。

3) 樹脂基熔模焙燒后殘留的碳黑在熔體充型凝固過程中，與面層中的ZrO2反應生產CO，導致葉身出現(xiàn)聚集性皮下氣孔。

4) 由于凝固收縮引起葉身與鑄型分離，降低橫向散熱能力，導致葉盆部位出現(xiàn)表面疏松。

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