某发动机涡轮导向器精密整体叶盘铸造工艺研究

新技术新工艺２０１２年第５期　某发动机涡轮导向器精密整体叶盘铸造工艺研究　黄艳松，马俊文，文柏衡　（海军驻株洲某军事代表室，湖南株洲４１２００２）　摘　要：整体叶盘是现代航空发动机的一种新型结构部件，对于提高航空发动机性能具有重要作用，　因此精密整体叶盘铸造技术是未来航空发动机制造的关键技术。在分析某发动机涡轮导向器整体叶盘　铸造工艺性能的基础上，设计了浇注系统，并经相关的试验验证，解决了叶片欠铸问题，最终确定了铸造　工艺参数，为精密整体叶盘铸造技术的进一步发展积累了经验。　关键词：发动机；整体叶盘；铸造工艺　中图分类号：ＴＧ　２４　文献标志码：Ａ　Ｃａｓｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｌ　Ｗｈｅｅｌ　ｏｆ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｎｏｚｚｌｅ　ｉｎ　ａｎ　Ａｅｒｏ－ｅｎｇｉｎｅ　ＨＵＡＮＧ　Ｙａｎｓｏｎｇ．ＭＡ　Ｊｕｎｗｅｎ．ＷＥＮ　Ｂｏｈｅｎｇ　（Ｃｕｓｔｏｍｅｒ　Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　Ｏｆｆｉｃｅ　ｉｎ　Ｚｈｕｚｈｏｕ　Ａｒｅａ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　４１２００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｗｈｅｅｌ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌ　ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ，ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｎｄ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｗｈｅｅｌ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｆｕｔｕｒｅ　ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｂａｓｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｗｈｅｅｌ　ｏｆ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｉｎ　ａｎ　ａｅｒｏ—ｅｎｇｉｎｅ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｇａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｔｅｓ—　ｔｉｎｇ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ｈａｄ　ｓｏｌｖｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｂｌａｄｅ，ａｎｄ　ｍａｄｅ　ｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｐａｒａｄｉｓｅ　ｏｆ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ　ａｃｃｕ　ｍｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｗｈｅｅｌ　ｃａｓｔｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ，Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｗｈｅｅｌ，Ｃａｓｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　不断提高推重比、延长使用寿命以及降低能耗　一直是现代航空发动机发展的主导方向，这使得在　先进航空发动机设计中，出现了大量新材料、新结　构。在材料上，更多地采用先进复合材料、钛合金和　镍基高温合金；在结构上，更多地采用整体结构　］。　整体叶盘结构是将传统结构的叶片和轮盘设计成为　整体结构，省去传统连接方式中采用的榫头、榫槽和　锁紧装置，使结构质量轻、零件数量少，避免了榫头　的气流损失，发动机整体结构大为简化，推重比和可　靠性明显提高　］。精密整体叶盘铸造技术，生产过　程复杂，技术难度大，废品率高，只适合于铸造合金，　仅少数工业发达国家掌握该项技术，国内尚无成熟　的工艺技术，处于发展阶段。　涡轮导向器是某航空发动机的核心部件，结构　复杂，工作条件苛刻，为简化该涡轮导向器结构，提　高使用性能和寿命，采用了整体结构和精密整体叶　盘铸造技术。该涡轮导向器精密铸造工艺难度大，　在毛坯铸造试制过程中遇到不少困难。本文在分析　涡轮导向器结构的基础上，对铸造工艺难点进行了　评估，通过试验确定了浇注系统设计方案，掌握了浇　注工艺参数对铸件性能、熔炼对合金元素的影响情　况，针对试验中出现的铸件尺寸超差、叶片欠铸等问　题进行了探讨，并提出了改进措施，最终确定了合理　的铸造工艺，加工出了符合要求的铸件。　

Ｅ６］Ｙａｎｇ　Ｃ　Ｒ，Ｊｉａ　Ｚ　Ｄ，Ｏｕａｎ　Ｚ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ　ｆｌｕ—　ｏｒｉｄｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｂｙ　ｎｏｖｅｌ　ｅ１ｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｅｐａｒａ—　ｔｏｒ　ｏｆ　Ｌｉ—ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００９，　１８９：７１６－７２０．　１－７］Ｌｅｅ　Ｙ　Ｓ，Ｙｅｏｎ　Ｂ　Ｊ，Ｋｉｍ　Ｄ　Ｗ．Ｃｙｃｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｓｓｅｍｂｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｈｙｂｒｉｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ—　ｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２０１０，１９５：６１９７—６２０１　作者简介：于建香（１９７６一），女，讲师，主要从事纳米功能高分　子材料方面的研究工作。　收稿日期：２０１２年１月１２日　责任编辑李思文　

《新技术新工艺》加工工艺与材料研究　加工工艺　材料研究　１涡轮导向器结构简介　该涡轮导向器由内环和２２片均布叶片组成，如　图１所示。叶片长度与弦宽比为１：３．６，叶片安装　角较小，非等截面，较薄，且向外不断减薄，最大内节　环为　４　ｍｍ，排气边圆角为ＲＯ．４～ＲＯ．５　ｍｍ，如图　２所示。　

图１　涡轮导向器实体　图２单元叶片实体　２铸造工艺分析　１）在涡轮导向器中，由内环外壁及叶片表面构　成气流通道，因此对内环圆度有严格要求。其内环　外径为１４５　ｍｍ，公差为±０．３　ｍｍ，且内环为上下结　构不对称，如图３所示。如按均一收缩设计铸造模　具，会因铸件结构上下厚薄不均、浇注系统设计不同　及收缩不同而导致尺寸超差，同时如浇注方案设计　不合理，该铸件冶金质量和内环圆度也无法保证，因　此必须合理设计浇注系统和铸造模具。　

图３涡轮导向器结构示惹图　２）涡轮导向器材料为１Ｃｒｌ２Ｎｉ３Ｍｏ２Ｖ，该材料　是１２　铬型马氏体热强不锈钢，该钢具有较高的中　温抗蠕变性能、抗疲劳性能和抗腐蚀性能，满意的焊　接性能和成型性能，适用于制造航空发动机的低压　压气机一级转子轴机匣、燃烧室外套、安装边和支承　座等。。］。此次在涡轮导向器上应用，尚无可供参考　的精密铸造工艺，因此其精密铸造性能尚需摸索。　３）铸件叶片薄，容易产生欠铸等缺陷，且任一　叶片上微小的疏松缺陷都将导致整个铸件报废，因　此对浇注系统的设计和浇注工艺参数的确定提出了　更高的要求。　３浇注系统设计　浇注系统的作用是将合金液引入铸件型壳使型　腔充满，并使铸件部分合金液凝固时得到浇道部分　合金液的补缩。当铸件薄厚不均匀时，在局部肥厚　的部位或内角处，因散热缓慢而形成热节，当热节部　位得不到相邻部分对它的补缩，就会出现缩孑Ｌ和缩　松。根据涡轮导向器的结构特点，浇注系统的浇道　必须连接零件内环上部的厚大部位进行补缩，因此　初步设计２种浇注方案，分别如图４、图５所示。方　案１采用圆盘型浇道连接内环厚大处，方案２采用　４根横浇道连接内环厚大处。　

图４方案１浇注系统　

图５方累２浇注系统　由图４和图５可见，方案１中问是四周收缩为　各向同性的圆盘形浇道，方案２中间是四周收缩为　各向异性的四爪浇道。浇注系统需要保证铸型中金　属凝固发生体积收缩后能够得到有效的补缩，因而　浇注系统设计既会影响铸件的冶金质量，也会影响　铸件的尺寸精度，因此须对这２种方案的尺寸影响　程度进行验证。　验证方法是分别采用这２种方案，以相同浇注　工艺参数加工铸件后，进行通道尺寸测量，做对比分　析。尺寸测量位置如图６所示，每个铸件沿圆周分　布测量４个截面，其中对齐内浇道的２个截面为位　置１和位置２，另对齐浇道中间的２个截面为位置ａ　和位置ｂ，各测量位置又分为上下２层，一层靠近进　气边，另一层靠近排气边，为保证蜡模和铸件的测量　位置有对应关系，在蜡模的测量点刻号，测量结果见　表１。　《新技术新工艺》加工工艺与材料研究　

６５　新技术新工艺２０１２年第５期　

图６尺寸测量位置示意图　表１尺寸测量结果（ｒａｍ）　测量　篓　铸件尺寸　方案　边　位置１　位置２　位置１　位置２　位置１　位置２　进气　￣１４４．６￣１４４．６￣１４２．２￣１４ｚ．３６　１．６６　１．５５　方案　边　１　排气　￣１４４．６￣１４４．７６￣１４４．３≠１４４．３８　０．２１　０．２６　边　进气　￣１４４．５６￣１４４．５２￣１４２．３６￣１４２．３　１．５２　１．５４　方案　边　２　排气　￣１４５　￣１４４．８２￣１４５．１　￣１４５　一Ｏ．Ｏ７％一０．１２　边　由表１可见，无论是方案１还是方案２，铸件进　气边和排气边通道收缩都不一致，进气边收缩率明　显大于排气边，这是因为根据铸件的结构，浇注系统　只能安放在靠进气边一侧，进气边受浇注系统收缩　的影响大于排气边所至。此外，方案２进气边和排　气边收缩的极差大于方案１，但不明显，因此仅根据　表１数据难以评价这２种方案的优劣。对铸件进行　圆度测量，测量位置为位置ａ和位置ｂ，结果见表２。　表２圆度测量结果（ｒａｍ）　测量位置　方案　测量边　圆度极差　ａ　ａ垂直　ｂ　ｂ垂直　进气边　１４２．２６￣１４２．３　４１４２．３　４１４２．２　０．１　方案１　排气边　≯１４４．４≠１４４．４２￣１４４．４２　４１４４．４　０．０２　进气边　≠１４２．２　１４２．１≠１４２．８２　４１４２．９　０．８　方案２　排气边　￣１４５．１￣１４５．２￣１４５．２　４１４５．４　０．３　由表２可见，方案１进气边的圆度极差为０．１　ｍｍ，排气边的圆度极差为０．０２　ｍｍ；方案２进气边　的圆度极差为０．８　ｍｍ，排气边的圆度极为０．３　ｍｍ，因此方案１铸件圆度均好于方案２；而同一位　置进气边相对排气边的极差也小于方案２，进一步　说明方案１铸件通道尺寸控制优于方案２。对２个　方案的铸件进行荧光检查和Ｘ光检查，未发现疏松　和裂纹等缺陷，均能保证冶金质量，因此综合考虑选　用方案１为浇注系统。　对于进气边收缩率大于排气边问题，由于浇注　系统补缩需要的限制，无法避免，因此在模具设计时　应考虑预变形。根据表１数据，模具设计过程中模　具收缩进气边放２　，排气边放０．６　，将毛坯的内　环内壁设计为圆锥面，以抵消浇注系统带来的尺寸　变形，如图７所示。经试验验证，该措施效果较好，　有效保证了铸件内环外壁上下的圆度，从而确保了　铸件通道尺寸合格。　

图７　涡轮导向器单元叶片模具实体　４材料精铸性能分析　４．１　浇注工艺参数对铸件性能的影响　由于浇注温度和模壳焙烧温度直接影响金属浇　注过程中的冷却速度，最终影响铸件合金性能，因此　必须合理确定浇注温度和模壳焙烧温度，并以此为　因素进行正交试验，方案见表３。试验材料类型：　１Ｃｒｌ２Ｎｉ３Ｍｏ２Ｖ成型试棒；涂料工艺：通用涂料（面　层锆英砂）；空壳浇注；熔炼设备：快速熔炼炉；试棒　热处理工艺：１　０３０～１　０８０℃空气，或油中淬火　＋６５Ｏ～７２０℃回火。技术条件对试棒性能的要求：　抗拉强度　≥８８０　ＭＰａ，　≥７３５　ＭＰａ，延伸率　≥　９　，断面收缩率　条件屈服≥３Ｏ　。试验结果见表　４　表３正交试验方案