朱郎平，李建崇，張美娟，魏戰(zhàn)雷，黃東，南海

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 北京市鈦合金精密成形工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

TiAl合金具有密度低(3.8～4.1 g/cm3)、彈性模量高(160～170 GPa)、高溫性能好（室溫至800 ℃高溫強(qiáng)度保持率達(dá)80%）等優(yōu)點(diǎn)[1—2]，是非常具有發(fā)展前途的輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料。采用液態(tài)凝固精確成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)薄壁復(fù)雜構(gòu)件近凈成形，提高整體剛性，降低TiAl合金構(gòu)件制造難度。美國PCC公司和中科院沈陽金屬所采用熔模精鑄技術(shù)制造出的 TiAl低壓渦輪葉片[3—4]，取代鎳基高溫合金，分別用于波音787客機(jī)GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)和空客380客機(jī)TRENT XWB97發(fā)動(dòng)機(jī)，都取得了良好的減重和節(jié)能減排效果[5—6]。盡管采用熔模精鑄技術(shù)可得到無余量或近無余量的精確復(fù)雜制件，大幅減少金屬損耗，減少機(jī)加工，降低制造成本，然而由于目前的技術(shù)在冶金缺陷等質(zhì)量控制方面投入大量的工序和裝備，工藝與成本之間的矛盾問題仍然突出，如采用離心澆注容易引入湍流[7—9]，引起卷氣、夾砂等缺陷[10—11]，降低產(chǎn)品質(zhì)量及成品率，各國還在探索和嘗試降低制造成本的途徑，更好地滿足商業(yè)化應(yīng)用需求。

文中基于重力澆注的 TiAl低壓渦輪葉片熔模精鑄技術(shù)，通過開展不同澆冒口系統(tǒng)設(shè)置的澆注實(shí)驗(yàn)，分析了其對(duì)葉片的充型能力以及冶金質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用材料名義成分為Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B（原子數(shù)分?jǐn)?shù)），采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 99.5%的海綿鈦、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 99.99%的鋁豆和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 99.9%的AlNb60、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%的AlMn50及無定型B粉為原材料，經(jīng)兩次真空自耗熔煉和一次真空自耗凝殼爐澆注，制備出20 kg母合金錠，合金名義化學(xué)成分和實(shí)測結(jié)果見表1，各主元素與名義成分符合較好。葉片長301 mm，排氣邊最小壁厚1 mm，見圖1a。澆注系統(tǒng)采用頂注方式設(shè)計(jì)，單模組4支葉片，榫頭朝上，排氣邊朝外，見圖 1b，每支葉片設(shè)置不同數(shù)量和類型的輔助階梯澆口，排氣邊等間距均勻設(shè)置排氣孔，具體見表 2。采用 SLM激光快速機(jī)制備樹脂基葉片模型，浸入70 ℃石蠟，冷卻后刮除表面多余的石蠟，得到葉片熔模，制殼涂料以醋酸鋯為粘結(jié)劑，氧化釔為粉料，面層和臨面層耐火材料選用氧化釔，背層砂為鋁礬土，背層涂8層，最后一層涂料后掛漿，干燥后在電爐中脫蠟，并隨爐升溫至1000 ℃，保溫焙燒5 h，隨爐冷卻獲得型殼，用酒精清洗內(nèi)腔后備用。采用ISM 20 kg水冷銅坩堝真空感應(yīng)爐進(jìn)行葉片澆注實(shí)驗(yàn)，澆注前型殼裝入砂箱，在臺(tái)車爐中900 ℃預(yù)熱保溫2 h，然后在2 min內(nèi)迅速轉(zhuǎn)移至感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行熔煉澆注，極限真空度 10–2Pa，感應(yīng)熔煉功率500 kW，精煉時(shí)間5 min。

分別采用目視和 X射線檢驗(yàn)分析葉片鑄件表面及內(nèi)部缺陷，采用ICP方法檢測合金化學(xué)成分。在葉片本體制取金相試樣，經(jīng)Kroll腐蝕液（按體積分?jǐn)?shù)5% HF+10% HNO3+85% H2O）腐蝕后，在Olympus BH2-UMA光學(xué)顯微鏡上觀察低倍顯微組織。

表1 Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of Ti-45Al-2Nb-2Mn-1B alloy (mass fraction) %

圖1 葉片三維模型及澆注系統(tǒng)Fig.1 3D model of blade and pouring system

表2 澆注系統(tǒng)中澆冒口設(shè)置列表Tab.2 List for setting of sprue and risers in pouring system

2 結(jié)果與分析

澆注獲得葉片鑄件實(shí)物見圖2，從照片看出，葉片成形完成，未出現(xiàn)大面積欠鑄，說明該工藝達(dá)到葉片的完整充型條件。通過對(duì)葉片進(jìn)行目視檢查，存在以下缺陷：2#和4#葉片葉身斷裂，2#葉片葉身排氣邊存在1 cm2的欠鑄，1#葉片葉身局部區(qū)域有皮下氣孔，葉片葉冠封嚴(yán)槽內(nèi)出現(xiàn)不同程度的表面夾渣，葉片表面存在鑄瘤。通過對(duì)1#和3#葉片的X射線檢驗(yàn)結(jié)果表明，1#葉片葉身與輔助階梯澆道連接部位存在孔徑5 mm左右的縮孔缺陷。

圖2 鑄造葉片實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of cast blade

圖3 葉片斷裂截面照片F(xiàn)ig.3 Photo of fracture section

2#和4#葉片的葉身開裂斷口形貌見圖3，可以看出，葉片斷裂部位都處于葉身上端階梯輔澆道根部，澆道截面呈方形。排氣端靠近澆口，斷面呈灰色，有熔體凝固前沿糊狀特征，見圖 4a，因此為完全凝固前的熱裂，而進(jìn)氣邊離澆口較遠(yuǎn)，斷面呈金屬色，凹凸不平，有解理斷裂特征，呈冷裂特征，見圖 4b，2#葉片開裂位置處于兩個(gè)澆口之間，而4#葉片開裂位置的另一端至葉冠沒有澆道，從澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上屬于自由收縮，因此分析斷裂原因?yàn)椋喝~片充型完成凝固過程中，在型殼對(duì)葉身收縮形成造成制約，葉身與方形澆口連接處成為厚大熱節(jié)，處于固液兩相共存狀態(tài)時(shí)，在長度方向收縮導(dǎo)致的拉應(yīng)力作用下，該熱節(jié)部位開裂[12]，此后拉應(yīng)力得以釋放，冷卻并出爐后，熱裂區(qū)成為裂紋源，并在搬運(yùn)及清殼過程振動(dòng)作用下，葉身完全斷裂。2#葉片斷裂原因類似，但同時(shí)其拉應(yīng)力的形成還可能受到了開裂位置上下兩方形截面階梯輔澆道的作用。

圖4 葉片斷口形貌Fig.4 Fractograph of cracked blades

葉片表面的皮下氣孔見圖 5，可以看出，1#葉片上端存在皮下氣孔，集中分布于葉身靠近葉冠部位。一般來說，皮下氣孔形成的應(yīng)用有兩種，一是鑄型內(nèi)存在氣體，或水分含量過高，高溫熔體作用下出現(xiàn)在界面，未能排出，凝固后在鑄件表面形成氣孔；二是反應(yīng)性氣孔，金屬液與鑄型內(nèi)表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加之鑄型透氣性差，產(chǎn)生氣體不能排出，在鑄件表面形成氣孔。本實(shí)驗(yàn)中，型殼在澆注前在900 ℃經(jīng)過了2 h的預(yù)熱，并采用真空熔煉，因此鑄型中不存在氣體或水分，第1種可能性被排除。實(shí)驗(yàn)采用醋酸鋯作為粘結(jié)劑，粘結(jié)劑組份在高溫焙燒后轉(zhuǎn)變得到ZrO2[13]；同時(shí)采用了樹脂基熔模，在型殼脫蠟過程中樹脂未完全脫除干凈，而在高溫焙燒過程中發(fā)生碳化，形成殘留碳黑，而由于內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，未能清洗干凈而保留在型殼中，在澆注過程面層中的 ZrO2與型殼中殘留的碳黑發(fā)生反應(yīng)：ZrO2+C→ZrC+CO[14]，從而在內(nèi)腔壁面熔體中生成CO氣體，凝固冷卻后形成皮下氣孔。在涂掛面層漿料后，漿料沿葉身向下（葉冠方向）流動(dòng)，導(dǎo)致葉身下端漿料偏厚，從而焙燒后 ZrO2含量較多，對(duì)上述反應(yīng)起到促進(jìn)作用。

圖5 葉片表面的皮下氣孔照片F(xiàn)ig.5 Subsurface blowhole on blade

圖6 葉片表面鈦豆及相應(yīng)型殼內(nèi)腔的表面凹坑Fig.6 Titanium bean on surface of blade and corresponding surface pit on inner cavity of shell

葉身表面形貌見圖 6a，可以看出，葉片葉身表面存在大量鑄瘤，在葉片表面均勻分布，尺寸在0.5 mm以內(nèi)，在對(duì)未澆注的型殼內(nèi)腔解剖分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，型殼內(nèi)腔表面存在與鑄瘤形狀、尺寸相仿的凹坑，見圖 6b，因此可以認(rèn)為鑄瘤是型殼面層涂料的原因，由于樹脂基熔模表面在滲蠟后處理過程中，表面形成許多微細(xì)溝槽，而在向熔模涂掛面層漿料時(shí)，溝槽中的空氣未能攆出而夾在漿料中，在界面形成氣泡，干燥后在內(nèi)腔表面出現(xiàn)凹坑。

葉冠封嚴(yán)槽內(nèi)的收縮缺陷見圖 7a，可以看出，葉冠封嚴(yán)槽內(nèi)存在較嚴(yán)重的表面疏松缺陷，缺陷位于葉身正上方沿葉身走向規(guī)律分布，沿葉身縱向解剖結(jié)果表明，表面缺陷延伸到葉冠內(nèi)部與內(nèi)部疏松缺陷連為一體，因此認(rèn)為該表面缺陷屬于疏松，其相應(yīng)的縱剖截面見圖 7b。分析認(rèn)為，葉身與葉冠連接部位為厚大熱節(jié)，最后凝固，而實(shí)驗(yàn)采用重力澆注，葉冠位于底端，最后充型，并無法得到補(bǔ)縮，因此容易出現(xiàn)嚴(yán)重的疏松缺陷，并在拐角部位露出表面[15]。

圖7 葉冠封嚴(yán)槽內(nèi)的收縮缺陷及相應(yīng)的縱剖截面照片F(xiàn)ig.7 Shrinkage defects in sealing groove of blade shrouds and corresponding profile section

圖8 1#和3#葉片X射線底片F(xiàn)ig.8 X-ray film of blade 1# and blade 3#

X射線檢測結(jié)果顯示見圖8，2#葉片在葉身與階梯澆道連接部位存在孔徑＞5 mm的縮孔缺陷，葉身的縮孔對(duì)后續(xù)熱等靜壓及加工帶來極大困難，其風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在：后續(xù)熱等靜壓過導(dǎo)致葉身表面出現(xiàn)壓坑，葉身尺寸無法得到保證，或者縮孔通過疏松缺陷與表面連通，導(dǎo)致壓不合，都將造成葉片報(bào)廢，所以需要嚴(yán)格控制工藝，避免葉身縮孔缺陷的產(chǎn)生，因此葉身不宜設(shè)置澆口。對(duì)鑄造葉片葉身截面進(jìn)行解剖，進(jìn)行金相分析，分析位置見圖9a，1#位于葉身中心部位，存在顯微疏松，結(jié)果見圖9b，2#位于葉盆邊沿，存在表面疏松缺陷，結(jié)果見圖 9c。分析認(rèn)為，在充型凝固過程中，熔體接觸內(nèi)腔后，由于表面較高的熱導(dǎo)率，并在陶瓷型殼的作用下異質(zhì)形核，沿壁面迅速形成一層很薄的凝固層，隨后的凝固過程中由于凝固合金和鑄型的收縮率不同，葉盆表面與型殼之間分離，并形成空隙[16]，且型殼溫度高，熔體沿橫向的散熱受到阻礙，由于凸面的散熱效果優(yōu)于凹面，葉背→葉盆方向存在正溫度梯度，熔體從葉背向葉盆方向凝固，最后在葉盆近表面由于無法補(bǔ)縮而出現(xiàn)疏松缺陷。

圖9 葉身截面光學(xué)顯微組織照片F(xiàn)ig.9 Optical microstructure of blade profile

3 結(jié)論

采用頂注式重力澆注，通過合理設(shè)置澆口和排氣孔，實(shí)現(xiàn) TiAl低壓渦輪葉片完整充型，對(duì)葉片冶金缺陷分析，結(jié)論如下。

1) 葉冠與葉身端部轉(zhuǎn)角部位在充型凝固過程中形成熱節(jié)，容易出現(xiàn)貫穿性疏松缺陷。

2) 葉身上的澆口容易引起葉身熱裂，形成縮孔，不建議在葉身設(shè)置輔澆口。

3) 樹脂基熔模焙燒后殘留的碳黑在熔體充型凝固過程中，與面層中的ZrO2反應(yīng)生產(chǎn)CO，導(dǎo)致葉身出現(xiàn)聚集性皮下氣孔。

4) 由于凝固收縮引起葉身與鑄型分離，降低橫向散熱能力，導(dǎo)致葉盆部位出現(xiàn)表面疏松。

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