基于SLS 的葉輪精密鑄造工藝及性能

李彬，廖慧敏*，鄭雨杭，陳亞欣，曾 明*，吳勤明，楊 勇

（1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610039；2.成都新航工業(yè)科技有限公司,四川 成都 611730）

葉輪是離心泵、壓縮機(jī)等的核心工作部件，工況環(huán)境復(fù)雜，具有高精度、無(wú)缺陷等高質(zhì)量要求，同時(shí)還需具備良好的機(jī)械性能[1-3]，但其往往具有復(fù)雜曲面的葉片和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，鑄造難度大，如通過(guò)傳統(tǒng)的模具成型模樣，會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、制造成本高等問(wèn)題，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)模具的開(kāi)模。3D 打印技術(shù)作為一項(xiàng)增材制造技術(shù)，通過(guò)三維建?？扇我獯蛴∧?，不受形狀限制，效率高、周期短，對(duì)復(fù)雜鑄件制備模樣提供了巨大幫助[4]。

本文將3D 打印技術(shù)與石膏型精密鑄造相結(jié)合，利用選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）制備葉輪模樣，通過(guò)ProCAST 軟件對(duì)鑄件鑄造工藝進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證鑄造工藝的合理性，再利用真空加壓澆注獲得合格葉輪鑄件，并研究熱處理對(duì)鑄件性能的影響。

1 零件分析

本文研究的石膏型精密鑄件為某發(fā)動(dòng)機(jī)用于輸送燃油的葉輪，由葉片、輪盤(pán)和輪蓋組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。零件材質(zhì)為ZL105A，最大外徑φ127 mm，最小內(nèi)徑φ60 mm，高50 mm，零件壁厚不均，最小壁厚僅為1.5 mm，屬于上下厚中間薄的結(jié)構(gòu)，零件不允許出現(xiàn)縮孔、縮松等缺陷，其余需按照HB 963-2005 Ⅱ類鑄件進(jìn)行驗(yàn)收。

圖1 葉輪零件三維圖Fig.1 Three dimensional diagram of impeller parts

由于葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)模需耗費(fèi)大量時(shí)間及經(jīng)濟(jì)成本，并且葉輪的葉片具有復(fù)雜的幾何曲面，傳統(tǒng)的模壓成型很難制備出這種曲面結(jié)構(gòu)。葉片的數(shù)量更是多達(dá)11個(gè)，如要利用模具成型，則需設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的抽芯機(jī)構(gòu)，如此復(fù)雜的模具顯然不可能實(shí)現(xiàn)。因此，葉輪的模樣只能利用3D 打印技術(shù)制備。

2 葉輪SLS 工藝

2.1 打印工藝分析

SLS 打印精度高、成型速度快，其原理如圖2所示。打印時(shí)，激光按照特定路徑對(duì)成型粉末進(jìn)行掃描，使其熔融并黏接在一起，待當(dāng)層薄層燒結(jié)完畢后，工作缸下沉，推板送入一層新粉末覆蓋在燒結(jié)好的片層上，激光繼續(xù)掃描，逐步打印出模型[4]。

圖2 SLS 原理圖[4]Fig.2 The schematic diagram of SLS[4]

由于SLS 是以點(diǎn)的形式進(jìn)行掃描，受到激光功率、鋪粉層厚和掃描速度等的綜合影響[4]，SLS制品通常表面質(zhì)量較差，內(nèi)部存在較多的孔洞，并且各打印層之間的黏接相對(duì)薄弱，力學(xué)性能較差[5]。為提升鑄造模樣的性能，滿足石膏型鑄造的要求，試驗(yàn)對(duì)模樣的成型位置及浸蠟工藝進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了試樣的3 種成型位置，如圖3 所示。

圖3 試樣成型位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the sample molding position

2.2 打印工藝

本文采用AMA-620Ⅱ型號(hào)的SLS 打印機(jī)進(jìn)行打印，選取激光功率40 W，打印層厚0.15 mm，以3 000 mm/s 的速度進(jìn)行掃描。打印材料選擇為PS 粉末，浸蠟選擇半精煉石蠟，蠟溫控制在72 ℃左右，待模樣浸入石蠟液中不再產(chǎn)生氣泡時(shí)，即完成浸蠟處理。對(duì)浸蠟前后的試樣分別按照GB/T 9341—2008 和GB/T 1843—2008 進(jìn)行抗彎試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示。

表1 試樣力學(xué)性能對(duì)比Tab.1 Comparison of mechanical properties of samples

據(jù)表1 可知：試樣的成型位置會(huì)對(duì)成型后的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，其中平放試樣的抗彎強(qiáng)度最高，側(cè)放次之，立放最低；抗沖擊強(qiáng)度大小順序?yàn)閭?cè)放>平放>立放。以抗彎強(qiáng)度為例，如圖4(a)所示，平放試樣在進(jìn)行抗彎試驗(yàn)時(shí)，壓頭所施加的力垂直于打印面，PS 顆粒黏接較好，故抗彎強(qiáng)度相對(duì)較高。對(duì)于側(cè)放和立放試樣而言，其是黏接較弱的打印層接觸面受到彎矩的作用，如圖4(b)和(c)所示，因此強(qiáng)度較弱。由于立放試樣的掃描截面最小，造成黏接薄弱的打印層接觸面積進(jìn)一步減小，受力時(shí)更易被破壞，故強(qiáng)度最弱。分析可知，試樣力學(xué)性能強(qiáng)弱取決于受力面是否為打印面。

圖4 抗彎試樣受力示意圖Fig.4 Force diagram of bending specimen

通過(guò)表1 對(duì)比試樣浸蠟前后的力學(xué)性能可以發(fā)現(xiàn)，與未浸蠟的試樣相比，浸蠟后的平放、側(cè)放和立放試樣的抗彎強(qiáng)度分別提高了約112%、94%和49%，抗沖擊強(qiáng)度分別提高了約38%、30%和34%，說(shuō)明浸蠟工藝能夠明顯改善試樣的力學(xué)性能。進(jìn)一步利用掃描電鏡對(duì)SLS 試樣內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行分析，所得試樣微觀形貌如圖5 所示。從圖5(a)可知，試樣內(nèi)PS 顆粒間的接觸點(diǎn)較多，但燒結(jié)頸較小，內(nèi)部存在較多的孔洞，試樣不致密是導(dǎo)致其強(qiáng)度較低的主要原因。浸蠟后的試樣如圖5(b)所示，試樣內(nèi)部的孔洞被石蠟充填，試樣致密度提高，因此其強(qiáng)度得以提升。

圖5 試樣微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of the sample

為研究浸蠟的效果，試驗(yàn)對(duì)正方體的SLS 未浸蠟試樣進(jìn)行密度計(jì)算，得到未浸蠟試樣的密度約為0.416 g/cm3，而PS 材料的密度為1.05 g/cm3，計(jì)算可知試樣內(nèi)部的孔隙率達(dá)到了60.38%。石蠟填充率的計(jì)算式如下：

式中：D為石蠟填充率；ρ浸為浸蠟試樣密度，g/cm3；ρ未為未浸蠟試樣的密度，g/cm3；ρ蠟為石蠟密度，取0.9 g/cm3；n為試樣孔隙率。利用排水法對(duì)浸蠟試樣密度進(jìn)行測(cè)量，得到浸蠟試樣密度為0.921 g/cm3，代入式（1）可得石蠟的填充率為92.93%。

2.3 模樣打印

基于上述分析，由于葉輪的葉片形狀復(fù)雜、整體較薄，在搬運(yùn)、灌漿等過(guò)程中最容易被破壞，因此打印時(shí)應(yīng)使葉片保持豎直方向的堆疊，以保證葉片在灌漿時(shí)可較好地抵御石膏漿料豎直方向的沖擊，避免灌漿時(shí)破壞模樣。其次，為保證石膏型鑄造的表面精度，進(jìn)一步提升模樣性能，葉輪模樣在打印后同樣需要進(jìn)行浸蠟處理，最終經(jīng)修整后得到的PS 葉輪模樣如圖6 所示。由圖可見(jiàn)模樣形狀完整，內(nèi)腔細(xì)小臺(tái)階及復(fù)雜形狀的導(dǎo)葉片均完整成型。利用TR200S 型便攜式表面粗糙度儀進(jìn)行模樣粗糙度檢測(cè)，葉輪模樣平均表面粗糙度可達(dá)2.3 μm，表面質(zhì)量較高。

圖6 葉輪模樣Fig.6 The pattern of the impeller

3 葉輪鑄造工藝

3.1 工藝設(shè)計(jì)

石膏型的澆注系統(tǒng)必須保證排氣優(yōu)良且要能調(diào)整鑄件的凝固順序，故本文利用澆口杯補(bǔ)縮容量法對(duì)澆道尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。根據(jù)葉輪上下厚中間薄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取頂注式的橫澆道-內(nèi)澆道式澆注系統(tǒng)。內(nèi)澆道共設(shè)計(jì)4根，其中輪蓋頂部?jī)筛?，輪盤(pán)側(cè)壁兩根，截面尺寸為14 mm×11 mm，橫澆道的布置及尺寸如圖7 所示。

圖7 澆注系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of gating system

由于底部輪盤(pán)較厚，為保證橫澆道的良好補(bǔ)縮，在輪盤(pán)底部遠(yuǎn)離內(nèi)澆道的兩側(cè)設(shè)置了30 mm×20 mm×15 mm 的鑄鋼冷鐵。

3.2 數(shù)值模擬分析

將葉輪工藝模型以.stp 格式導(dǎo)入ProCAST 軟件的MeshCAST 板塊，劃分出面網(wǎng)格數(shù)約15.57 萬(wàn)個(gè)、體網(wǎng)格數(shù)約345.04 萬(wàn)個(gè)，模擬參數(shù)設(shè)置如表2所示[7]。最終，模擬得到的充型及凝固過(guò)程分別如圖8 和圖9 所示。

圖9 凝固過(guò)程模擬Fig.9 Simulation of solidification process

表2 模擬參數(shù)設(shè)置Tab.2 Setting of simulation parameters

由圖8(a)可知：由于頂內(nèi)澆道的分配橫澆道開(kāi)設(shè)在豎放的底內(nèi)澆道的分配澆道上，鋁液流經(jīng)該處時(shí)在重力的作用下會(huì)直接向下流，而不會(huì)先流向頂部的分配橫澆道；澆注后約4.255 s時(shí)，鋁液開(kāi)始通過(guò)頂部?jī)?nèi)澆道充填鑄型，此時(shí)金屬液面與頂部澆口的高度落差較小，因此頂部進(jìn)入的金屬液并未激起較大的擾動(dòng)；澆注后約7.436 s，金屬液充滿鑄型。整個(gè)過(guò)程充型效果良好，證明澆注系統(tǒng)能夠保證鋁液的充型。

從圖9 可知：澆注后11.599 s 左右，在冷鐵的作用下輪盤(pán)底部率先冷卻，葉片的壁厚較薄，其溫度也已開(kāi)始下降；在后續(xù)的凝固過(guò)程中，冷鐵起到了良好的激冷效果，使輪盤(pán)先于底部?jī)?nèi)澆道凝固，發(fā)揮澆道的補(bǔ)縮作用，形成了良好的順序凝固；在凝固后期，由于輪蓋和輪盤(pán)的熱量疊加，葉片冷卻速度減緩，進(jìn)而呈現(xiàn)出階梯式的溫度分布。模擬預(yù)測(cè)的鑄件缺陷分布如圖9(d)所示。由圖可見(jiàn)：縮孔縮松都集中在澆口杯處，并且在整個(gè)凝固過(guò)程中溫度最高的部位都在澆口杯處，證明利用澆口杯補(bǔ)縮容量法設(shè)計(jì)的澆道尺寸合理；同時(shí)在鑄件上未發(fā)現(xiàn)缺陷，證明優(yōu)化方案能夠保證葉輪的凝固質(zhì)量。

4 工藝驗(yàn)證及性能分析

4.1 工藝驗(yàn)證

采用石膏型鑄造對(duì)SLS 制備的葉輪PS 模樣進(jìn)行工藝驗(yàn)證。為保證葉片的良好充填，避免氣孔、氧化夾雜等缺陷產(chǎn)生，澆注方式采用真空加壓澆注。澆注時(shí)的真空度為0.04 MPa，澆注后迅速施加壓力，使葉輪在0.6 MPa 的壓力下結(jié)晶，細(xì)化晶粒。澆注后，清理得到鑄件，根據(jù)HB 962—2001的要求，葉輪需進(jìn)行T5 熱處理，以獲得良好的強(qiáng)度和塑性。最終得到的葉輪鑄件如圖10 所示。

圖10 葉輪鑄件Fig.10 Impeller castings obtained by casting

對(duì)鑄件進(jìn)行X 射線探傷，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部質(zhì)量良好，未見(jiàn)明顯的氣孔、縮松等凝固類缺陷。對(duì)鑄件取樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，得到其力學(xué)性能如表3 所示。對(duì)比航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 962—2001 可知，鑄件力學(xué)性能符合要求，證明了在石膏型精密鑄造中，利用SLS 制備模樣并輔以最佳的工藝方案，能夠成功制得合格鑄件。

4.2 熱處理對(duì)鑄件性能的影響

據(jù)表3 可知，經(jīng)T5 熱處理后，鑄件的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度得到了明顯提升。為進(jìn)一步探究T5 熱處理對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響，利用XRD 和OM 對(duì)鑄件組織進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11 和圖12 所示。

圖12 鑄件熱處理前后的金相組織Fig.12 Metallographic diagram of castings

表3 鑄件力學(xué)性能對(duì)比Tab.3 Comparison of mechanical properties of castings

圖11 鑄件熱處理前后的XRD 圖Fig.11 XRD patterns of castings

由圖11 可知，鑄件鑄態(tài)組織主要包括α 相、Si 相和Al2Cu相，T5 態(tài)則只包括α 相和Si相，并未發(fā)現(xiàn)Al2Cu 相。在圖12(a)和(b)所示的鑄態(tài)金相組織中，可見(jiàn)大量的片狀共晶硅分布和較少的花紋狀A(yù)l2Cu 相[8]，局部地區(qū)共晶硅較為集中，會(huì)嚴(yán)重割裂α 固溶體，降低鑄件強(qiáng)度和塑性。在圖12(c)和(d)所示的T5 態(tài)金相組織中，由于Al2Cu 相會(huì)被固溶到α 基體中，殘留較少，故在制備的金相試樣組織中幾乎未發(fā)現(xiàn)Al2Cu相，同時(shí)還可見(jiàn)片狀共晶硅的聚集已明顯減少，共晶硅邊緣鈍化且較為細(xì)小。這是由于在固溶過(guò)程中，Si 溶解到α 相中，α 固溶體的連續(xù)性增加。

5 結(jié)論

1）利用SLS 可制備出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PS 葉輪模樣，其力學(xué)性能受成型位置和浸蠟工藝的影響較大，試樣經(jīng)浸蠟處理且受力面為打印面時(shí)，力學(xué)性能最佳。

2）經(jīng)ProCAST 軟件模擬發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)能夠使金屬液平穩(wěn)充型，保證鋁液的充型質(zhì)量；在鑄件底部設(shè)置的冷鐵配合內(nèi)澆道使用，可使葉輪達(dá)到良好的順序凝固，避免凝固類缺陷的產(chǎn)生。

3）通過(guò)石膏型真空加壓澆注獲得了完整鑄件，經(jīng)X 射線探傷未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，且鑄件力學(xué)性能滿足技術(shù)要求，表明SLS 可與石膏型鑄造良好結(jié)合，進(jìn)而制備出合格鑄件。

4）鑄件經(jīng) T5 熱處理后，抗拉強(qiáng)度由184 MPa上升到330 MPa，布氏硬度由57 HB 上升到109 HB，力學(xué)性能得到顯著提升。其主要原因是固溶處理使片狀的共晶硅熔斷和鈍化，減少了其在α 相中的聚集，分散更為均勻，使α 固溶體的連續(xù)性增加。