合金高承压泵体是某航天发动机中的关键部件 ， 采用热等静压粉末冶金工 艺整体成形方法制备 。 该高承压泵体存在复杂变曲面流道 ， 流道最窄处仅 7 mm,泵体叶片最 薄处仅 1 mm,对内部质量 、 表面质量 、 尺寸精度要求较高 。 采用数控加工中心加工锻料的方 法制备高承压泵体粉末构件成形用的复杂变曲面流道型芯 ， 加工难度大 、 成本高 、 周期长 ， 不利于低成本快速批量生产 。 本文根据型芯结构特点和质量要求 ， 通过研究精密铸造工艺方 法 ， 选用熔模铸造工艺进行型芯制备 ， 大幅度降低了生产成本 ， 提高了生产效率 。关键词 ： 精密铸造 ； 型芯 ； 高温合金 ； 粉末冶金作者简介 ：史昆 (1982-),男 ， 高工, 主要从事钛合金及咼温合 金材料及精密成形工艺研 究 。 E-mail: shikun77@163. com中图分类号 ： TG172 文献标识码 ： A文章编号: 1001-4977(2020)06-0636-04基金项目 ：辽宁省科学技术计划项目 ( 2018304027 ):“高档 数控机床与基础制造装备“ 科技重大专项子课题项目(2018ZX04044001 )； 国家重点研发计划项目(2016YFF0202101-02 )。 收稿日期 ：2020-02-27收到初稿 ， 2020-03-19收到修订稿 。Inconel718咼温合金广泛应用于航 ； 空 、 肌天领域 ， 属于¥臬基咼温合金 ， 主要 以奥氏体为基体 ， 以 Y”相为主要强化相 ， 辅以丫 ‘ 相强化的沉淀强化型合金 ， 能够 在 -253 -650 t温度范围内和较大复杂应力工况下长期工作该合金凝固温度范围 宽 、 合金化程度高 ， 在精密铸造过程中 ， 不仅存在大量微观疏松 ， 而且 Nb、 Mo等元 素容易存在偏析 ， 易产生 Laves、 6等脆性相 ， 严重恶化铸件的力学性能 。1铸件简介高承压泵体是某航天发动机中的关键部件(图 I ),其结构复杂 ， 泵体流道存在 变曲面结构和薄壁叶片 ， 最窄处仅 7 mm,泵体叶片最薄处仅 1 mm,在 -183七液氧环 境下工作 ， 需要承压 20 MPa,质量要求达到 GJB2896A—2007规定的 I类 B级 。 如果 采用传统的熔模精密铸造方法制备 ， 容易在薄壁处出现大量疏松等缺陷 ， 打压过程 会发生泄漏 ， 出现严重的安全事故 。粉末冶金工艺是一种利用金属(或非金属)粉末制备材料的常用方法 ， 该方法 可生产大块材料和一定形状的近无余量零件 。 相对于传统的铸造方法而言 ， 粉末冶 金的原材料利用率很高(达 95%),在零部件制造和材料合成方面具有可近净成形 、 材料显微组织细小 、 成分均匀' 所制备材料的综合性能好等优点 ， 在材料领域得到 了广泛的应用 「 役由于粉末冶金可以制备出性能优良的零部件产品 ， 因此该高承压泵体可以采用 粉末冶金工艺进行整体制备 。 但是粉末冶金包套型芯一般采用锻料数控加工 。 通过 对型芯结构进行分析 ， 发现型芯存在变曲面结构和薄壁窄腔结构 ， 最窄处仅 1 mm。 型芯如果采用数控加工方法加工 ， 复杂变曲面结构和窄腔道加工难度大 ， 成本高 ， 加工周期长 ， 无法满足该构件的低成本快速制备要求 。本实验主要通过研究高承压泵体粉末冶金包套流道型芯的整体熔模精密铸造工 艺 ， 通过设计合理的浇注系统 ， 采用合理的制壳工艺和熔炼浇注工艺 ， 低成本快速 生产出质量合格的粉末冶金包套型芯 。2试验材料及方法高承压泵体粉末冶金包套型芯所用材料为 0Crl8Ni9Ti合金 ， 具有好的铸造性2020年第 6期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRY能 、 高温强度 、 组织稳定性 。 试验所用母合金采用三 室半连续真空感应炉进行熔炼 ， 该母合金的化学成分（ 表 1 ） 满足技术条件要求 。 采用 3D 打印的光敏树脂制 备蜡模 ， 蜡模检验合格后拼接浇注系统 ， 然后制作型 壳 ， 型壳的面层采用硅溶胶和刚玉粉进行涂挂 2层 ，背 层采用硅溶胶和莫来石粉涂挂 5层 ， 型壳干燥后进行脱 蜡和焙烧处理 。 采用三室半连续真空感应炉进行重熔 母合金并浇注 。 铸件经切割 、 打磨 、 抛光处理后 ，用 于后续粉末冶金成形的包套焊接和封装 。图 1零件三维模型示意图Fig. 1 Three dimensional model of high pressure pump body图 2零件流道示意图Fig. 2 Schematic diagram of flow channelTable 1 Chemical composition of 0Crl8Ni9Ti alloy master alloy /%表 1 0Crl8Ni9Ti合金母合金化学成分项目 C Si Mn Cr Ni Ti S P Fe标准要求 ^0.08 W1.5 0.8 ~ 2.0 17.0-20.0 8.0 ~ 11.0 5xC~0.7 W0.03 W0.04 余量母合金成分 0.05 0.42 1.31 18.10 8.77 0.56 0.001 0.019 余量2.1光敏树脂蜡模制备高承压泵体复杂曲面流道型芯 ， 结构复杂 ， 对表 面质量和尺寸精度要求很高 ， 通常制备型芯成形用金属 模具 ， 然后利用模具制备出型芯蜡模 ， 再进行制壳和浇 注 ， 虽然尺寸精度可以达至 UCT6〜 CT7级 ， 表面粗糙度 可以达至风 3.2~ 尺, 6.3 |im,但是模具制备时间长 、 成本 高 ， 无法快速低成本制备型芯 。 通过分析型芯结构特点 和质量要求 ， 该型芯蜡模采用中瑞科技 ISLA1600D光固 化 3D 打印机进行制备 ， 型芯蜡模结构如图 3所示 。2.2浇注系统设计及优化根据型芯结构特点和相关铸造经验 ， 该型芯属 于复杂螺旋曲面窄腔道结构 ， 一般采用顶注配合辅助 浇口 ， 这种浇注系统可以保证钢液在型芯各个部位都 能进行均匀补缩 ， 避免某个热节处出现补缩不充分 ， 内部出现大的缩孔缺陷 。 为了使浇注系统设计的更合 理 ， 本文设计了两种浇注系统 ， 并运用 Procast模拟软 件进行了模拟研究 。 具体浇注工艺设计见图 5-6,模 拟结果见图 7-8o通过对图 7和图 8模拟结果分析 ， 可 以看到图 7所示浇注系统 A和图 8所示浇注系统 B补缩 都比较充分 ， 铸件内部均没有缺陷 ， 缺陷集中于冒口 处 。 根据投料量和制壳难度 ， 认为浇注系统 A方案型壳 制备操作方便 ， 综合成本更低 ， 因此按照浇注系统 A方 案进行蜡模组树和后续浇注 。图 3型芯模样Fig. 3 Core pattern(a )方案 A (b )方案 B图 4浇注系统Fig. 4 Pouring system of core casting二 |K咅造 FOUNDRY工艺技术 Vol.69 No.6 20202.3复杂曲面流道型芯制壳工艺复杂曲面流道金属型芯熔模精密铸造工艺 （ 表 2 ） 采用刚玉粉面层陶瓷型壳材料 ， 粘结剂选用硅溶胶 。背 层材料采用莫来石粉和硅溶胶浆料 ， 莫来石砂进行型壳 涂挂 。 由于制壳材料来源广泛 ， 价格低廉 ， 可以控制生 产成本 。 型壳制备完成后厚度约为 （ 10±2）mm。2.4铸件浇注浇注采用真空感应炉进行熔炼浇注 ， 母合金铸 锭尺寸为 070 mm x 500 mm ,铸锭表面打磨到金属光 泽 ， 并用酒精擦洗干净 。 铸件浇注工艺参数 ： 真空度 x 102 Pa,型壳浇注温度 950~ 1 000 T：,金属熔炼 浇注温度 1 350 r,浇注完成型壳冷却 30 min出炉 。3型芯铸件表面处理3.1型芯铸件喷砂处理金属型芯采用干喷砂设备进行表面清理 ， 主要采 用刚玉砂进行表面喷砂处理 ， 将氧化层去除干净 ， 具 体喷砂工艺见表 3所示 。L.图 5模拟结果Fig. 5 Simulation results 表 2型芯制壳工艺Table 2 Core shell making process涂料层次涂料种类涂料粘度/S撒砂 /目干燥温度代 风速 / ( m • min 1 ) 相对湿度 /RH 时间 /h面 1 刚玉粉 20-30 刚玉砂 80 〜 120 22 --24 240 ~ 30() 50-70 8~ 12面 2 刚玉粉 10~ 15 刚玉砂 40-80 22 --24 240〜 300 50 〜 70 8~ 12背 3~ 背 5 莫来石粉 8~ 10 莫来石砂 30 〜 60 22 --24 240〜 300 40-50 8-12封浆层 浸硅溶胶溶液 12-243.2型芯抛光处理浇注完成并抛光后的金属型芯 （ 图 io）,抛光后 型芯表面粗糙度达到尺 ,4.0 p.m。4型芯铸件质量分析铸件经过清理打磨和抛光后 ， 通过目视和荧光检 查 ， 表面无裂纹 、 冷隔等缺陷 。 铸件表面经过粗糙度 仪器检测可以达到尺, 4.0 “ m,能满足粉末冶金包套型 芯质量要求 。 铸件内部质量 ， 型芯铸件经过 X射线探伤 检测,可以达到 GJB2896A—2007规定 I类 B级标准 。 铸件化学成分和力学性能 ， 型芯铸件浇注完成后 ， 经 过附铸试样取样化验成分 ， 成分合格 ， 详见表 4所示 。 力学性能合格 ， 详见表 5所示 。 型芯铸件尺寸合格 ， 达 到 GB/T6414 —1999 铸件尺寸公差与机械加工余量标准 中规定的 CT6级尺寸精度要求 。表 3喷砂处理工艺Table 3 Sand blasting process项目 材料 粒度 /mm 喷砂压力 /MPa 喷砂时间 /min第 1遍 棕刚玉 0.8 ~ 1.2 5 5~ 10第 2遍 白刚玉 0.5 ~ 0.8 4 5~ 10第 3遍 玻璃微珠 0.2 ~ 0.5 2 5-10图 6型芯铸件Fig. 6 Core casting2020年第 6期 /第 69卷 工艺技术 FOUNDRY 蒔诰 ,639Table 4 Chemical composition of core casting /%表 4芯铸件化学成分项目 C Si Mn Cr Ni Ti S P Fe标准要求 W0.08 W1.5 0.8-2.0 17.0-20.0 8.0~ 11.0 5xC~0.7 W0.03 W0.04 余量母合金成分 0.03 0.35 1.30 18.00 9.00 0.60 0.001 0.018 余量表 5铸件力学性能Table 5 Mechanical properties of core casting项目 心 /MPa 4/%标准要求 2450 M25实测值 1 555 51实测值 2 553 545结束语采用熔模精密铸造工艺制备复杂流道金属型芯 ， 型芯制备快速 、 工艺简单 ， 型芯表面粗糙度能达到乩 4.0 jim, 尺寸精度能达到 GB/T6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量标准中规定的 CT6级尺寸精度要求 。 型芯内部质量和 表面质量能达到 GJB2896A-2007规定丨类 B级标准 。 型芯化学成分和力学性能合格 ， 型芯整体性能符合粉末冶金包 套使用要求 ， 能实现低成本 、 快速 、 高质量包套型芯制备 ， 具有较好的工艺技术推广前景 ， 能为降低复杂结构粉末 冶金包套制备成本提供一种可行的工艺方法 。参考文献 ：[1] 凌李石保.韩延峰.王俊.等.热处理对热等静压 K4169合金组织及高温持久性的影响 [J].特种铸造及有色合金. 2016, 36 (10) ： 1013-101 2. China Aviation Development Shenyang Liming Aero Engine Co., Ltd., Shenyang 110043, Liaoning, China)Abstract:Inconel 718 alloy high pressure pump body is a key part of space engine. It is usually made by hot isostatic pressing powder metallurgy process and integral forming method. At the area of complex curved flow channel in the high pressure pump body, the narrowest part of the flow channel is only 7 mm and the thinnest part of pump blade is only 1 mm. It has high requirements for internal quality, surface quality and dimensional accuracy. It is very difficult to use CNC machining center to machine forge piece into complex curved channel core for powder member forming of high pressure pump body. This method has high cost and long cycle, so it is not suitable for low cost and rapid batch production. In this study, according to the core structure characteristics and quality requirements, core castings were successfully prepared by using investment precision casting technology. Therefore, the production cost of high pressure pump body is greatly reduced and the production efficiency is also improved.Key words:precision casting; core; superalloy; powder metallurgy(编辑 ： 刘冬梅 ，ldm@fbundiyworld.com )
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