燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜鋁合金殼體鑄造技術(shù)

■ 楊立新 毛娜 王江云 盧書勇 王勇 / 中國(guó)航發(fā)西控

燃油調(diào)節(jié)器殼體是商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主燃油控制裝置的核心部件，具有外形高度鏤空、內(nèi)腔油路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高承壓、高尺寸精度、薄壁等復(fù)雜燃油控制系統(tǒng)殼體鑄件的典型特征。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過開展研究，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜鋁合金殼體鑄件的快速研制，為此類典型燃油控制系統(tǒng)鑄件的研制及生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

伴隨航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，燃油控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高，提高其功能的集成程度、減輕質(zhì)量的需求也更加迫切。作為整個(gè)燃油控制系統(tǒng)裝配及功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，鋁合金復(fù)雜殼體的使用性能要求提高、復(fù)雜程度也急劇增加，高集成度、輕質(zhì)量、多油路、高強(qiáng)度、高清潔度要求是燃油控制系統(tǒng)復(fù)雜鋁合金殼體的五大要素,直接導(dǎo)致鑄造工藝難度成倍增加，復(fù)雜鋁合金殼體的鑄造是制約商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)及生產(chǎn)的一大技術(shù)難題。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及要求

本項(xiàng)目中的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)器殼體為多數(shù)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)同類功能殼體體積的4倍，外形呈高度鏤空，各類凸起結(jié)構(gòu)密布，內(nèi)部油路多達(dá)百余條（同類復(fù)雜殼體內(nèi)腔油路不超過50條），油路細(xì)長(zhǎng)且不規(guī)則。

該殼體鑄件將進(jìn)行百分之百的X射線無損檢測(cè)，加工完成后還會(huì)進(jìn)行0.5～0.6MPa的氣壓密封性檢測(cè)及20～20.1MPa的高壓油路強(qiáng)度性能檢測(cè)（一般軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)同類殼體試驗(yàn)壓力為12～12.1MPa），因此，殼體鑄件的組織致密性要求極高。

由于殼體承擔(dān)了調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)供油的關(guān)鍵性能，其內(nèi)部鑄造油路清潔度要求極高，不允許有鑄造型砂殘留，所以，對(duì)該殼體的鑄造流道要進(jìn)行百分之百內(nèi)窺鏡檢查。

鑄造工藝方案設(shè)計(jì)

綜合考慮鑄件尺寸精度、殼體內(nèi)部質(zhì)量以及耐高壓性能，傳統(tǒng)鑄造工藝方案生產(chǎn)的鑄件已無法保證殼體完全滿足以上要求。因此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)選擇尺寸精度高、鑄件組織致密性高的金屬模鑄造作為殼體的基本工藝方案；鏤空形狀及內(nèi)腔采用砂芯成形，因?yàn)殍T件較大，傳統(tǒng)澆注方式的澆注速度及充型過程難以控制，加之成形內(nèi)腔油路及外形的砂芯數(shù)量非常多，澆注卷氣及砂芯發(fā)氣較多，所以選擇充型較為平穩(wěn)且排氣效果良好的傾轉(zhuǎn)鑄造作為澆注方案。

為了提前預(yù)測(cè)鑄件可能產(chǎn)生的各類缺陷并提高鑄件工藝方案的可靠性，中國(guó)航發(fā)西控的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在研制初期增加了鑄造模擬仿真手段。對(duì)不同的鑄造工藝方案從溫度場(chǎng)分布和最終鑄造缺陷等方面進(jìn)行多次迭代仿真分析，選取最優(yōu)工藝方案。最后，應(yīng)用仿真分析對(duì)最終工藝方案進(jìn)行工藝改進(jìn)及優(yōu)化。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

高集成度殼體分區(qū)工藝設(shè)計(jì)技術(shù)

圖1 調(diào)節(jié)器殼體不同區(qū)腔體

圖2 調(diào)節(jié)器殼體不同腔體成形工藝

以往航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件殼體為單功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無結(jié)構(gòu)及功能的集成，且結(jié)構(gòu)比較規(guī)則統(tǒng)一，而調(diào)節(jié)器殼體功能集成較多（如圖1所示），殼體各區(qū)域性能要求差異較大。上部分電磁閥殼體部分，最薄壁厚僅2mm，下部分壓力腔體有非常高的抗壓能力要求，組織致密性要求極高。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)對(duì)性能需求的不同，按照砂型成形、金屬型成形工藝特點(diǎn)，分區(qū)域設(shè)計(jì)砂型成形工藝和金屬型成形工藝（如圖2所示）。將壁薄、冶金質(zhì)量要求較低的電磁閥部分采用砂型成形工藝，并將2mm的壁厚部位采用冒口正對(duì)、直接補(bǔ)縮的方式。壓力腔體采用金屬型模具成形，保證高壓腔體冶金質(zhì)量，從而滿足使用性能要求。

金屬型鑄造復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)成形技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的減輕，殼體的結(jié)構(gòu)須呈高度鏤空。對(duì)于金屬型鑄造模具無法直接成形的鏤空結(jié)構(gòu)，分解成不同的砂芯后組裝定位于金屬型模具。采用金屬型鑄造及砂芯鏤空結(jié)構(gòu)組合成形的工藝方案，順利保證了調(diào)節(jié)器殼體鑄件不同結(jié)構(gòu)特征的鑄造成形工藝。

鑄造油路內(nèi)腔清潔度控制技術(shù)

鑄造粘砂在鑄造生產(chǎn)中非常常見，但其作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)三大危害之一，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)使用的安全性，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)閥門卡死等故障，造成安全事故。調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)部油路數(shù)量有百余條，單條最長(zhǎng)油路達(dá)到300mm，且油路形狀極不規(guī)則，最細(xì)油路直徑僅為3.5mm，最薄油路壁厚僅2mm。目前，燃油附件殼體內(nèi)腔油路鑄造主要采用材料為覆膜砂的砂芯工藝。該工藝對(duì)于內(nèi)腔清潔度的影響主要來自內(nèi)腔殘留的鑄造型砂及涂料，而覆膜砂的材料性能、砂芯表面涂料工藝、除芯工藝、檢查方法是控制砂芯在型腔內(nèi)的殘留的核心要素。針對(duì)在不同形貌下鑄件粘砂的形成原理特點(diǎn)，從覆膜砂材料的性能指標(biāo)選取、砂芯涂料涂覆、高頻振動(dòng)清砂、高壓水沖洗工藝展開研究，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種鑄造油路內(nèi)腔清潔度控制的組合工藝。另外，采用了內(nèi)窺鏡對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行20倍放大檢測(cè)，達(dá)到了無型砂殘留。通過上述措施，成功解決了燃油調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)腔油路型砂殘留問題，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜殼體內(nèi)腔清潔度的嚴(yán)格有效控制。

傾轉(zhuǎn)鑄造及晶粒細(xì)化技術(shù)

調(diào)節(jié)器殼體是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油附件中的大尺寸鋁合金殼體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在充型、凝固過程中極易形成氣孔缺陷的特殊結(jié)構(gòu)鑄件。團(tuán)隊(duì)采用傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，并在傾轉(zhuǎn)澆注過程中過濾金屬液使其平穩(wěn)流動(dòng)，減少氧化夾雜及氣孔缺陷的產(chǎn)生，提高了鑄造殼體的內(nèi)部質(zhì)量。另外，殼體材料為ZL101A，屬于鋁-硅（Al-Si）系合金，硅含量7%左右，在鑄態(tài)下初生α枝晶較粗大，且分布不均勻，共晶硅呈現(xiàn)針狀及片狀形態(tài)，如不經(jīng)變質(zhì)處理，強(qiáng)度和塑性很低。而細(xì)化共晶組織及晶?？梢燥@著提高材料性能。合金熔煉時(shí)的精煉變質(zhì)處理是改善鋁-硅合金組織、性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用行業(yè)中的常規(guī)處理工藝，雖力學(xué)性能、硬度等能滿足要求，但在重力條件下，合金液澆注充型過程中，合金液的流動(dòng)性和補(bǔ)縮性能較差，鑄件產(chǎn)生熱裂紋傾向增大。

針對(duì)常規(guī)精煉變質(zhì)技術(shù)中暴露出的不足，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了熔體“熔體凈化+晶粒細(xì)化+變質(zhì)處理”的復(fù)合工藝方案。通過對(duì)合金液進(jìn)行凈化處理，可對(duì)鋁-硅合金鑄態(tài)晶粒進(jìn)行細(xì)化，增加鑄造充型過程中合金液的流動(dòng)性，減少鑄件形成熱裂紋的傾向。采用不易揮發(fā)、不易燒損、不易重熔失效和不易吸潮的長(zhǎng)效變質(zhì)劑，適用于調(diào)節(jié)器殼體澆注時(shí)間較長(zhǎng)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，且更能使初生α相更細(xì)小、均勻，共晶硅由長(zhǎng)纖維狀變成短珊瑚狀，而且共晶硅端部圓鈍化，從而改善了鑄件材料的力學(xué)性能，尤其是抗拉強(qiáng)度和延伸率。

結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)燃油調(diào)節(jié)器殼體鑄件的鑄造工藝技術(shù)研究，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了高氣密性、高強(qiáng)度要求、鏤空結(jié)構(gòu)、薄壁鑄件的制造成形，為該類型殼體的鑄造開發(fā)了一套優(yōu)良的鑄造工藝，解決了相關(guān)的技術(shù)難題，并在民用發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)鋁合金殼體的生產(chǎn)和研制中進(jìn)行推廣。