K424合金中空盲管薄壁件精密铸造

 杨曼利  吴亚夫  谢秋峰  薛  鑫  王  倩  李俊涛

 （北京钢铁研究总院高温材料研究所）

摘要研究了K424合金X型拉杆前段的精铸工艺。该铸件为大尺寸中空盲管薄壁件，在试制过程中，陶芯的断裂和脱除、铸件的收缩控制和冶金质量都存在一定难度；针对这些问题，对X型拉杆前段从模具收缩设计、蜡模制备方案、浇注系统设计和铸造工艺优化等方面进行了系统的研究，试制出的K424合金X型拉杆前段铸件冶金质量优良、尺寸精确，满足了设计和使用要求。

关键词  K424合金；薄壁件；精密铸造

中图分类号  TG132. 312；TG249.5DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 019

 K424合金X型拉杆前段为某先进航空发动机尾喷口的核心部件，采用无余量精密铸造工艺整体铸造而成。该部件呈中空盲管状结构，长约400 mm，大部分区域壁厚为2. 5～3.0 mm，属于整体薄壁结构件。由于铸件的结构特殊性，决定了铸件生产必需使用大尺寸整体陶芯的蜡模成型方案；因为过大的陶芯尺寸导致该铸件在生产过程中陶芯极易断裂，同时陶芯的脱除、铸件的收缩控制和冶金质量都存在一定难度。本课题对该铸件的模具收缩设计，蜡模制备方案、浇注系统设计和铸造工艺优化等方面进行了研究，试制出了满足设计和使用要求的铸件，并为进一步开展中空薄壁复杂件的精密铸造生产提供参考。

1  试验材料及方法

 K424合金是镍基沉淀硬化型等轴晶铸造高温合金，Al和Ti含量高，密度小，主要化学成分见表1。该合金具有较高的高温强度和塑性、良好的铸造性能，适用于制作航天、航空发动机用涡轮叶片、尾喷口调节片、整铸涡轮转子及导向器等部件。

  试验用K424母合金，采用ZGO.5型真空感应炉熔炼，母合金的化学成分及力学性能满足技术条件。在MPI55压蜡机上压制蜡模。蜡模与浇注系统组合后，经涂料、撒砂、干燥后脱蜡、焙烧制备出型壳。采用ZG0. 025真空感应炉重熔合金并浇注成形。铸件经切割、打磨、脱芯后，进行目视、荧光、X射线探伤及尺寸检验。

2  精密铸造工艺

2.1模具缩尺设计及熔模制备

 X型拉杆前段铸件结构见图1，型腔内部为三角形整体空腔，铸件整体仅有5处开孔，管道内部空腔截面尺寸为10 mm×8 mm。在蜡模制备时若采用一次成型工艺方案压制蜡模，型腔内部工装是难以实现的；若采用可溶型芯的二次成型工艺方案压制蜡模，制壳过程难度很大，因此采用陶瓷型芯的二次成型工艺，但陶芯长度达到340 mm左右，因此，对陶芯模具的设计和陶瓷型芯性能要求是试制此铸件的难点之一。

2.2型壳制备

 X型拉杆前段型壳分面层和加固层两部分。面层采用硅溶胶十锆英粉涂料，撒刚玉砂。加固层涂料采用硅溶胶十煤矸石粉，撒煤矸石。涂挂层数为6～7层。脱模过程产生的型壳微裂纹，通过氧化铝十硅溶胶的混合物进行修补。

 在实际生产中为避免因焙烧热膨胀所造成的陶芯断裂，应设置陶芯固定端和自由端。型壳焙烧时，由于型芯和型壳的温度变化速率不同，必须采用合理的升温速率和降温速率，减小因热膨胀系数不同而产生的热应力。经过设置合理的自由端和采用正确的焙烧工艺，型壳焙烧后陶芯断芯率由最初的70%降低到10%，大大提高了型壳合格率。

2.3浇注系统设计

 在试制过程中，采用整体侧注式浇注系统，内浇道分布在管壁同一侧，管壁的其他裸露面可方便增加强化冷却措施，增大温度梯度，达到顺序凝固和降低缩松倾向的目的；设计较大尺寸的浇口杯和直浇道，以提高铸件的充型速度，避免冷隔和裂纹缺陷的产生，浇注系统见图3。实际浇注结果表明，铸件能够获得良好的充型，但在靠近浇道一侧的吊耳与内壁的转接部位容易出现缩松，见图4。

 在浇注过程中，吊耳的另一侧为厚约5 mm的截面内壁，高温合金液的过流导致此处产生热节。由于增大横浇道，浇注后浇杯中的熔融合金量增大，成为有效的热源，有利于实现自下而上的顺序凝固，也利于浇道对铸件的充分补缩，使裂纹和缩松形成的倾向降低。经改进后的浇注系统见图5，结果表明，采用增加内浇道尺寸的方法解决了铸件缩松倾向。

2.4铸造工艺对铸件质量的影响

 复杂、薄壁铸件所选择的型壳温度和浇注温度相对较高。较高的型壳温度可以有效地减小合金熔体与铸型的温差，减缓合金熔体温度并降低速度，提高合金液充型能力。采用较高的浇注温度和较高的型壳温度进行试浇，结果表明，浇注温度过高，铸件凝固收缩大，超过了陶芯退让性极限，铸件受到拉应力而导致铸件裂纹，见图6。降低浇注温度、提高型壳温度可使铸件相邻部位凝固时的温差减小，使得相邻部位收缩牵制减小、应力减小，从而减小铸件裂纹产生的倾向。因此采用降低浇注温度，保持型壳温度不变的工艺进行试浇，结果表明，当采用适中的浇注温度和较高的型壳温度，可生产出冶金质量合格的X型拉杆前段铸件。

2.5陶芯脱除

 采用陶瓷型芯的铸件的生产过程，型芯清除的难度与陶瓷的材质和铸件内腔结构的复杂程度有关。该铸件脱除型芯是在压力釜中进行，以浓度为30%～40%的KOH水溶液为介质，在0.1～0.2 M Pa压力下，加热不高于220℃。由于X型拉杆前段铸件前端存在一个封死的空腔，此处陶芯与碱液得不到充分接触，且脱芯过程中生成的沉淀物、水和气体不能及时离开腔体而阻碍了新鲜的碱液与未脱除的型芯相接触。为此，在不影响铸件使用性能前提下，在铸件上增设两个脱芯工艺孔，位置见图7。增加工艺孔后的铸件脱芯周期大大缩短，不但降低了脱芯和检测的成本，还提高了铸件生产效率。

3  结  论  

 (1)采用整体陶芯成型的蜡模制备方案和精准的模具收缩设计，提高了蜡模压制成品率。

 (2)设计合理的陶芯自由端和型壳预焙烧制度，降低了陶芯断芯率，提高了型壳合格率。

 (3)设计合理的浇注系统，避免了铸件热节，同时采用适中的浇注温度和较高的型壳温度，生产出了合格的铸件，并且铸件的冶金质量和成品率得到保证。

 (4)增设脱芯工艺孔缩短了脱芯周期及难度，降低了生产成本，避免了型芯残余现象。