針對渦輪后機匣支板熔模鑄造工藝蒸播，利用Procast軟件對鑄件充型過程歇由、型腔內(nèi)壓力演變毫炉、鑄件縮松瓮栗、縮孔缺陷等方面進行模擬計算，深度剖析缺陷形成原因垄套。采用改進排氣通道番链、調(diào)整支板澆注位置與時長、鑄件凝固順序等措施優(yōu)化工藝沦浆，同時進行數(shù)值模擬蝉齐。結果表明，優(yōu)化工藝的充型過程穩(wěn)定启孔、型腔內(nèi)未形成“憋氣”現(xiàn)象方蜡，支板內(nèi)無縮松薪尉、縮孔缺陷键羡，經(jīng)澆注驗證，鑄件質(zhì)量滿足ASTM E192標準要求凡加。

渦輪后機匣因承載航空發(fā)動機的推力與振動載荷慰奉，是發(fā)動機承力體系內(nèi)不可缺少的一部分，其與渦輪盤氧胳、葉片证森、渦輪軸稱為航空發(fā)動機4大關鍵部件。目前伴鳖，渦輪后機匣結構件逐漸向大型化节值、復雜化、薄壁化等方向發(fā)展榜聂，其設計直徑超過1 400 mm搞疗，厚度不超過2 mm的薄壁面積占整體結構件表面積的80%以上，因而很難通過精密鑄造工藝制造须肆。采用“機匣+支板”分體的熔模鑄造匿乃，同時借助焊接工藝完成大型復雜薄壁渦輪后機匣結構件制造。關于制備尺寸較小的復雜薄壁機匣已擁有一定的科研成果與鑄造經(jīng)驗豌汇，對于采用“機匣+支板”分體式鑄造過程中的機匣制備可提供一定的借鑒與指導幢炸。但是，對于渦輪后機匣支板的制備則難于借鑒拒贱，且相關研究鮮有報道宛徊。因此，如何制備冶金質(zhì)量優(yōu)異且檢驗合格的渦輪后機匣支板已成為亟待解決的問題逻澳。

針對上述問題闸天，若采用傳統(tǒng)的鑄造方法，需多組次“經(jīng)驗試制-缺陷分析-工藝優(yōu)化”的研發(fā)，方能獲得較為合理的工藝沛狱，這很難滿足高品質(zhì)和短交貨期的市場競爭要求的闹。然而，借助數(shù)值模擬技術探究鑄造工藝流程尤乎，不僅可結合模擬結果中合金液流動過程翼养、鑄件凝固順序、宏微觀缺陷等預測信息對工藝進行多輪次迭代優(yōu)化波寓，進而明確相關技術參數(shù)與控制要點缘嗦，還能大幅度縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低工程技術成本报逛、提高設備利用率等烦草。

渦輪后機匣支板材質(zhì)為K4169高溫合金，其結構由承重吊耳任疤、浮板及葉片3部分組成幽摔，輪廓尺寸為347 mm×286 mm×382 mm，結構三維圖見圖1丙图。承重吊耳的厚度為31 mm刮便，此部位為鑄件的※厚區(qū)域，需設置較為合理的冒口或澆口绽慈，避免因熱節(jié)而形成的縮松恨旱、縮孔缺陷。浮板呈內(nèi)凹型坝疼，※大深度為64 mm搜贤，厚度在2.5 ~8 mm之間，此區(qū)域需避免澆注時因“憋氣”現(xiàn)象而導致鑄件產(chǎn)生澆不足的問題钝凶。

此外仪芒，葉片由不規(guī)則曲面組成，厚度為3 mm腿椎，其內(nèi)部包含兩根加強筋桌硫，每根加強筋上包含一個10 mm×10 mm的通孔，且葉片與浮板所成銳角約為67啃炸。铆隘，此部分應考慮與浮板的連通性、合理控制合金液的流入速率南用，避免葉片底端產(chǎn)生澆不足或形成縮松膀钠、縮孔等缺陷。

圖1 支板結構三維圖

01

初始工藝模擬分析

基于對支板結構的分析末径，先利用ProCAST模擬軟件對支板鑄件完成初始澆注系統(tǒng)的繪制俺媳，然后建立相對應的有限元模型情丛，其初始澆注系統(tǒng)見圖2。支板采用熔模鑄造工藝驮桐，由于鑄件與型殼為兩種不同的材料暂铭，且兩者在同一界面存在溫度差，為確保模擬結果的準確性與區(qū)別界面兩端的溫度寝丹，將鑄件與型殼的界面節(jié)點進行雙重處理底咳。

圖2 初始澆注系統(tǒng)

從充型過程與型腔壓力演變對支板初始澆注系統(tǒng)的設計進行分析，這樣不僅可有效表征合金液在鑄件內(nèi)的流動狀態(tài)肩堡，減少紊流珍霉，還可以避免因型腔壓力分布不均或局部區(qū)域壓力過大，使?jié)沧⑾到y(tǒng)內(nèi)因“憋氣”現(xiàn)象而引起鑄件缺陷的問題都璃。同時嘿杖，以支板充型過程的流動分析為基礎，增加型腔壓力演變分布狀態(tài)分析以舒，既對初始支板澆注系統(tǒng)設計的合理性進行雙重評判與補充趾痘，又為后續(xù)支板澆注系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論參考，其支板充型過程與型腔壓力演變的數(shù)值模擬結果分別見圖3和圖4稀轨。

圖3 支板充型過程數(shù)值模擬結果

圖4 型腔壓力演變數(shù)值模擬結果

圖5為支板缺陷的數(shù)值模擬結果扼脐。葉片的邊緣岸军、中心奋刽、加強筋區(qū)域均存在不同程度的縮松、縮孔艰赞，中心區(qū)域的缺陷尤為突出佣谐。這是因為在充型過程中，合金液快速將葉片區(qū)域充滿方妖，而邊緣與薄壁區(qū)域的冷卻速率大于中心與加強筋區(qū)域狭魂，導致中心與加強筋區(qū)域凝固時僅有少量合金液補充，再結合葉片與浮板連接處附近區(qū)域的合金液流速波動較大党觅，極易形成紊流區(qū)域影響葉片內(nèi)合金液的溫度梯度分布雌澄、凝固順序等，致使上述葉片產(chǎn)生縮松杯瞻、縮孔略雪。

此外，在浮板區(qū)域存有2處縮松渴肿、縮孔摩赎，這是由于在充型過程中合金液的流速波動較大且分布無規(guī)律，致使浮板因合金液紊流而形成縮松肥爵、縮孔隘唁。承重掛耳區(qū)域由于頂部存有較大的補縮區(qū)域敌灰，而未形成縮松、縮孔杏疑。

圖5 支板缺陷數(shù)值模擬結果

02

優(yōu)化工藝模擬分析

基于數(shù)值模擬結果與分析可知甥晦，初始支板鑄造工藝存在較為嚴重的充型憋氣、合金液紊流参枯、鑄件縮松縮孔缺陷問題寨支，因此本部分對初始鑄造工藝進行優(yōu)化。首先趣匪，將原有浮板區(qū)域的1處排氣通道改造為3處惭舒，并將澆注時長調(diào)整為原初始方案的1.5倍；初始鑄造工藝的砂箱尺寸為440 mm×360 mm×600 mm钞诡；隨后郑现，將支板以3處排氣通道所成平面的法相方向旋轉(zhuǎn)15°放置于砂箱內(nèi)，并在葉片中心與加強筋兩側添加20 mm厚鐵砂荧降；最后接箫，利用ProCAST軟件完成上述優(yōu)化方案的有限元模型建立與模擬參數(shù)設置，優(yōu)化澆注系統(tǒng)見圖6朵诫。

圖6 優(yōu)化澆注系統(tǒng)

圖7~圖9分別為優(yōu)化后支板充型過程辛友、型腔壓力演變及支板缺陷的數(shù)值模擬。從圖7和圖8分析可知剪返，當充型比例為20%時废累，合金液沿承重掛耳單側區(qū)域經(jīng)浮板流入葉片，未充型葉片部分與外部相連區(qū)域面積遠大于初始工藝脱盲。此時邑滨，型腔內(nèi)各處壓力分布均相同且正常，其值均小于00.7 MPa钱反；葉片內(nèi)合金液的平均流速僅為初始工藝的0.56倍掖看。隨著充型比例達到40%時，葉片部分已完成充型冷泵，浮板與排氣通道相連附近區(qū)域及一只承重掛耳未被合金液充滿馁捌，另一只承重掛耳基本充滿，此時型腔內(nèi)各處的壓力值分布仍小于0.7 bar傀脑，未出現(xiàn)“憋氣”現(xiàn)象往蚕，且浮板部分的合金液流速分布較為穩(wěn)定，其平均流速僅為初始工藝的0.27倍窜鳍。

圖7 優(yōu)化后支板充型過程數(shù)值模擬結果

圖8 優(yōu)化后型腔壓力演變數(shù)值模擬結果

當充型達到60%時森烦，支板主體部分已全部充型，僅剩排氣通道與補縮澆冒口未被充滿稻嘱。此時维愈，型腔內(nèi)的壓力值均在0.7~1.3 MPa內(nèi)伦朵，雖相比于前期充型階段有所提高，但所處區(qū)域為排氣通道與補縮冒口林狈，其影響可忽略不計暑赏，隨后合金液繼續(xù)平穩(wěn)充型直至充型結束。通過圖9可知菜碌，支板整體部分未發(fā)現(xiàn)縮松縮孔缺陷存在贼穆，僅在排氣通道與補縮區(qū)域有縮松縮孔缺陷。由此可見兰粉，優(yōu)化后工藝的充型過程穩(wěn)定故痊、合金液流速平緩、型腔內(nèi)未形成“憋氣”玖姑，解決了支板在初始工藝中的縮松愕秫、縮孔缺陷。

圖9 優(yōu)化后支板缺陷數(shù)值模擬結果

03

生產(chǎn)驗證

基于數(shù)值模擬優(yōu)化后渦輪后機匣支板的鑄造方案焰络，采用熔模鑄造生產(chǎn)戴甩，完成首批5件試件。利用數(shù)字實時成像檢測技術對全部試制件內(nèi)部進行探傷檢測闪彼，其結果均滿足ASTM E192標準中氣孔甜孤、夾雜、縮松等要求畏腕，見圖10缴川。這表明渦輪后機匣支板鑄件檢驗合格，驗證了數(shù)值模擬計算與結果分析的準確性郊尝。此后二跋，再次采用熔模鑄造工藝，小批量制備了40件支板艺扑，其探傷檢測結果均滿足標準要求。

圖10 數(shù)字實時成像檢測系統(tǒng)的成像結果

04

結語

（1）利用Procast軟件對渦輪后機匣支板初始熔模鑄造工藝進行數(shù)值模擬外秋，通過流動米法、壓力及缺陷等模擬，判斷初始工藝存在較為嚴重的合金液紊流與型腔憋氣現(xiàn)象奈株，及支板形成縮松短户、縮孔缺陷。通過添加砂箱與鐵砂稿焚、改造排氣通道唇锡、設置支板擺放位置、調(diào)整澆注時長等操作用动，對初始渦輪后機匣支板熔模鑄造工藝進行優(yōu)化與數(shù)值模擬矗绅，獲得較為合理的熔模鑄造工藝墙违。

（2）基于優(yōu)化后渦輪后機匣支板的熔模鑄造工藝分別進行了首批試制與小批量生產(chǎn)，其探傷結果均滿足ASTM E192標準要求叼枝，驗證了數(shù)值模擬計算與結果分析的準確性诽表。

引用格式：楊新娣，田智星隅肥，路涵博竿奏，等. 渦輪后機匣支板熔模鑄造工藝數(shù)值模擬及優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金，2021,41（9）：1184-1188.

（特種鑄造）

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