马晓峰
（西安航空动力股份有限公司海军装备部）
摘要某燃机涡轮工作叶片由于结构复杂，技术要求高，断漏芯、柱状晶、冶金夹杂等缺陷导致报废率很高。通过优化陶芯制造和自由端制作工艺，降低了断漏芯率；采用晶粒细化剂、包裹陶瓷棉等方法消除了排气边柱状晶缺陷；通过改变过滤网位置及控制浮渣，降低了冶金夹杂废品率，提高了该涡轮工作叶片的精铸品质。
关键词 涡轮工作叶片；燃气轮机；复杂型腔；精密铸造
中图分类号 TG249.6；TG113 文献标志码 A DOI:10. 15980/j．tzzz. 2015. 12. 018
某燃机涡轮工作叶片是舰用发动机中的核心零件，采用进口材料，叶片结构复杂，外廓尺寸大，前缘和后缘通道之间根部为U型悬臂连接，扭度大且具有复杂的内腔，叶片内腔网状交错，弦宽长、扭度大，叶盆、叶背表面有很多横、纵向肋交叉，陶芯壁厚相差悬殊，陶芯排气边翘曲，最薄处仅(0. 70±0.10) mm。叶片上缘板封严齿壁薄，型面公差为±0.3 mm，其型腔结构精细复杂，对冶金质量和尺寸精度要求较高，采用无余量整体精密铸造工艺生产，试制工艺难度比较大。本公司经过研发，成功铸出合格的燃机涡轮工作叶片。
1 技术难点分析
根据涡轮工作叶片精铸件的毛坯图、技术要求及其结构特点，以及质量管理体系的要求，将该精铸件生产工序进行了分解。工序流程如下：制造陶瓷型芯→陶芯检验→压制浇注系统及蜡模→蜡模内陶芯X光检验→修整检验蜡模→组合模组→模组除油→检验模组→制壳→脱蜡→型壳预焙烧→型壳准备→型壳终焙烧→熔化与浇注→脱壳→切割与震刻标记→化学成分检查→化学除芯→初检→打磨修整→表面检验→晶粒度腐蚀→晶粒度检查→热处理→力学性能检查→显微缩松检查→荧光检查→X光检查→外观检查→尺寸检验→超声波测壁厚→最后外观检验→震刻标记→最后审定。
1.1 陶瓷型芯成型、焙烧难度大
由于该燃机涡轮叶片的冷却气体通道为双层、交叉式结构，而且排气边处的陶芯较薄，最薄处为0.6 mm，各个通道的尺寸又小，仅为1 mm，陶瓷浆料在压制过程中的行程太长，给陶芯的充型带来极大的困难。常出现陶芯冷隔、流线、裂纹。产生原因是：陶芯模具复杂，虽有一定的起模斜度，错综复杂的陶芯结构，增加了取型难度；同时由于叶片扭度较大，陶芯焙烧前翘曲变形量过大导致报废，焙烧合格率较低[1]。
在浇注时．由于陶芯排气边最薄处强度较弱，承受不住金属液的热冲击力而频繁断裂，从而造成叶片排气边冷却气体通道堵死，导致叶片报废（最差时断、漏芯率达56%）。
1.2 晶粒度、夹杂等冶金缺陷控制较难
对涡轮工作叶片而言，排气边大角度的柱状晶是涡轮叶片致命的缺陷。叶片工作温度高，要求寿命又长，转速高、离心力大，柱状晶的晶界强度较弱，容易使叶片从柱状晶晶界处开裂。冶金夹杂也是影响叶片缺陷超标的原因之一，所以控制柱状晶的存在及其角度和冶金夹杂非常重要[2]。
1.3其他
燃机涡轮工作叶片的外形尺寸为152 mm×70 mm（见图1），进气边相对位置公差为0.10 mm。叶片最厚处为3. 05 mm，最薄处为0.60 mm，而陶瓷型芯的密度仅为叶片材料的1／4，X射线检验难以断定脱芯是否干净。
2 解决措施
2.1 陶瓷型芯制造
为提高陶瓷浆料流动性，从3个方面进行了试验。一是提高浆料和模具的温度，增大注射压力，降低陶瓷浆料中增塑剂的粘度，提高流动性，但温度升高的同时，整体陶瓷浆料的膨胀也会增大，浆料在模具中冷却时收缩也增大。由于模具退让性非常差会产生裂纹；当提高陶瓷浆料和模具温度的同时增大注射压力也是这样，只是在卸压之前，陶瓷浆料中颗粒与颗粒之间已经存在的弹性力和注射压力是一对平衡力，卸压之后，弹性力发生作用，由于模具结构复杂、退让性差也产生裂纹。二是在陶芯模具适当的位置开设排气槽和溢流槽，可减少憋气，避免产生冷隔（或浇不足），而对流线、白印、裂纹问题效果一般。三是调整增塑剂种类，通过更换增塑剂的原材料和配比，也未能消除冷隔、流线、白印、裂纹问题。
通过对浆料粒度配比调整，改善了浆料的流动性。采用连续的粒度分布，通过控制磨制粉料时间、筛分时间、筛分时装入量来控制粒度的配比，起到了良好的效果。而且通过粒度分析得出了复杂结构的陶瓷型芯粒度配比规律，有效地避免了陶瓷型芯冷隔（或浇不足）、流线、白印、裂纹等缺陷。
2.2断、漏芯缺陷
叶片的断、漏芯大部分发生在靠近排气边叶背部位，而且是穿透性的。产生原因是陶芯靠近排气边部位较薄，在焙烧型壳或者是在浇注过程中，由于陶瓷型芯的热膨胀速度大于型壳的热膨胀速度，当陶瓷型芯在压制蜡模时，陶瓷型芯自由端与型壳之间的间隙量不足时，会发生断裂；也可能是由于陶瓷型芯的高温强度不足，在浇注过程中，由于浇注系统的不合理，使得陶瓷型芯最薄弱处无法承受金属液的热冲击而断裂[3]。断、漏芯废品率达47. 80%，最严重时达到56%。为提高合格率采取了以下解决措施。
(1)陶瓷型芯自由端制作的改进 在修整蜡模时，根据陶瓷型芯的膨胀率和弦宽尺寸，在陶瓷型芯弦宽方向的自由端面贴蜡纸（陶芯与型壳自由间隙尺寸），在自由端其他尺寸较小的方向，要求刷自由端漆，这样既能有效保证陶瓷型芯在型壳中的定位，又能保证陶瓷型芯在浇注阶段（高温）的自由收缩，减少了因陶瓷型芯自由收缩而产生的阻力。当自由端尺寸太小时，也就是自由间隙尺寸小于陶瓷型芯膨胀量时，陶瓷型芯内部会产生压应力，会使弧形的陶瓷型芯断裂。当自由端尺寸太大时，即自由间隙尺寸大于陶瓷型芯膨胀量时，会产生陶瓷型芯在型壳中的定位不准，造成空心叶片叶盆与叶背壁厚差大，使叶片在发动机工作过程中叶盆与叶背冷却效果不一致而产生热应力。
(2)浇注系统的改进 空心叶片因有陶瓷型芯，采用半闭半开式浇注系统较为合理。在浇注系统的前半部分，要限制流量，减小液流对陶瓷型芯的冲击，起到限流避渣的作用；后半部分要缓冲液流、平稳充型。试制前期浇注系统采用封闭式，其直浇道、横浇道、内浇道比为4：1.3：1，浇注后断漏芯比例达56%。当在浇口杯底部增加过滤网，过滤网以上部分为封闭式，过滤网以下部分至内浇道段为开放式，在同等条件下，浇注后断、漏芯废品率有所下降。
(3)浇注参数的改进一是通过改变浇注温度、浇注时间来减少陶瓷型芯的断、漏芯率。在1 580～1 6000C浇注时，铸件表面明显有陶芯漂移情况，而1 530～1 540℃浇注时，铸件表面也有陶芯漂移情况，程度减轻，但较薄的缘板处有浇不足的现象；二是浇注速度，增加浇注时间可减少断、漏芯状况，浇注时间不大于5 s时，铸件表面明显有陶芯漂移情况（约占25%），而浇注6～10 s时，陶芯漂移情况有所减少（约11. 8%）。如果浇注时间过长，造成叶片排气边下缘板处（角度≤30。）的柱状晶生长发达而报废。
(4)过滤网开设位置的影响 过滤网一般设在直浇道部位或者两个横浇道搭接处，主要作用是避渣。在叶片生产中设置的过滤网主要作用是改变流场，因为在一定的真空熔炼状态下，合金液的含渣量很少，主要是氧化渣很少且尺寸较小，过滤网是很难去除的。设置的过滤网另一个作用是起到一定的冒口作用。过滤网能改变流场是由于过滤网的小孔增加了合金液的流动阻力系数，通过减小流动速度来减小流量，因此，浇注系统设置过滤网尽量靠近叶片，也就是开设在内浇道和冒口之间。这种开设方法对保护陶瓷型芯非常有利。
2.3 晶粒度、夹杂等冶金缺陷
镍基高温合金中稀土元素含量较高，合金易于氧化，加之叶片榫根厚大、排气边较薄，在叶片凝固过程中易于在叶片的排气边与下缘板交接处产生柱状晶。当此柱状晶与叶片主轴夹角大于450时，在叶片工作过程中（很大的离心力与热应力条件下）会沿柱状晶晶界产生裂纹。同时对叶片表面晶粒度等级有一定要求。
在熔模铸造镍基高温合金时，为了提高铸件的高温强度和冷热抗疲劳性能，在制备型壳时，在面层涂料中加入某些高熔点的金属氧化物。这样制好的型壳内表面，即与液态金属接触的表面涂料层中含有晶核形核剂，当液态金属浇入型腔后形成结晶核心，使铸件表面晶粒细化。常用的晶核形核剂有氧化钻、氧化镍、氧化铁和氢氧化铂等，在生产上应用较广的是氧化钴。氧化钴与氧化铝按一定比例制成铝酸钴(CoAl2O4)，细化效果更为明显。
柱状晶的生成主要是由于受到晶核长大速度的影响，而影响晶核长大速度的外在因素是过冷度。解决柱状晶问题实质是解决铸件在凝固过程中的温度梯度问题[2，4]。延缓细薄的排气边散热条件是解决此问题的关键。为此在排气边与下缘板采用包裹多层陶瓷棉的办法，有效改善了晶粒度。
冶金夹渣的消除主要是控制母合金的纯净度(见图 2)和控制熔化浇注炉的真空度。在荧光检验时，叶片表面存在密集的荧光显示（见图3），而且很难消除，此荧光显示为氧化物夹杂。虽然在浇注系统中设置有陶瓷过滤网，但对氧化物夹渣不能完全去除，宏观上叶片表面会有大量针孔存在。一方面严格控制母合金的二次缩孔，另一方面选取在温度及真空度更为稳定的进口ALD三室真空炉上浇注，浇注时间为4～6 s，浮渣>22级，真空度≤1. 33 Pa。较为有效地减少了叶片的氧化夹杂。
2.4脱芯与残芯检测
涡轮叶片内腔均要求渗钴铝涂层不能有任何异物。然而叶片内腔结构复杂，陶瓷型芯脱除困难，叶片壁厚相差较大，最厚处为3. 05 mm，最薄处为0.60 mm，另外陶瓷型芯材料的密度仅为叶片材料的1／4，射线检验难以断定叶片内腔陶瓷型芯是否脱除干净，即使采用双胶片也难以判断脱芯情况。
利用陶瓷型芯密度小的特点，采用粉末填充技术，能较容易地识别脱芯情况。具体操作为：将一定粒度的金属粉末冶金粉边振动边灌入叶片型腔，直至将叶片内腔用粉末冶金粉填实填满，再采用双胶片透视检验，底片中对比度较深的部分为密度较小的陶瓷型芯残余物，从而能轻易地识别叶片脱芯情况。
3 改进效果’
陶瓷型芯采用适用于非定向凝固的硅基陶瓷料浆，细化了粒度配比。在涡轮叶片陶瓷型芯模具叶尖部分开设了溢流槽、排气缝，并在排气边增设了加强筋，通过 提高压制型芯时的料温、模具的温度，增加了浆料的填充能力，避免了陶芯压制过程中的冷隔、对流线、裂纹的问题。使得II级涡轮叶片陶瓷型芯压制合格率提高到70%，焙烧合格率提高到50%左右。
通过自由端制作(自由端漆的厚度约为0．15mm)、浇注系统的优化、浇注参数的调整（较为合理的浇注时间为6～10 s）、过滤网位置的开设以及陶瓷型芯基体材质等方面的改进，明显降低了断、漏芯的比例，取得了较好的改进效果。
参考文 献
[1]李玉观，熔模精密铸造缺陷及对策[M]．北京：化学工业出版社，2012．
[2]方大成．凝固科学基础[M]．北京：科学出版社，2013.
[3]崔康，汪文虎．复杂空心涡轮叶片精铸蜡模陶芯软芯撑定位技术[J]．特种铸造及有色合金,2013,33(1)：56-57．
[4]张琼玉，杨功显．重型燃机叶片熔模铸造过程的数值模拟[J]．特种铸造及有色合金,2012,32(11)：1 136-1 138．
