【摘 要】
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K418B涡轮叶片是某型号发动机上的重要部件,采用无余量整体熔模铸造方法生产。该叶片长宽比大,壁厚变化范围大（1～10mm）,并有多处变截面和凸台,在铸造过程中极易产生缩松缩孔缺陷,铸造成型难度大,试制阶段产品合格率极低。本文以镍基高温合金K418B涡轮叶片为研究对象,以优化铸造工艺,提高铸件质量,减少铸件浇不足、缩松缩孔缺陷为研究目的,运用ProCAST数值模拟和实验研究影响缩松缩孔形成的因素,
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K418B涡轮叶片是某型号发动机上的重要部件,采用无余量整体熔模铸造方法生产。该叶片长宽比大,壁厚变化范围大（1～10mm）,并有多处变截面和凸台,在铸造过程中极易产生缩松缩孔缺陷,铸造成型难度大,试制阶段产品合格率极低。本文以镍基高温合金K418B涡轮叶片为研究对象,以优化铸造工艺,提高铸件质量,减少铸件浇不足、缩松缩孔缺陷为研究目的,运用ProCAST数值模拟和实验研究影响缩松缩孔形成的因素,但是为了降低成本,缩短试制周期,本研究分两阶段进行,首先抽取涡轮叶片的薄壁特征设计了不同尺寸的薄壁件进行研究,获得了 K418B合金的仿真模拟热物性参数和边界条件参数,分析了浇注温度、型壳预热温度、浇注速度变化对铸件缩松缩孔缺陷的影响,在此基础上进行了实验验证,取得了 K418B薄壁件熔模铸造工艺的初步结论;之后将初步结论应用于涡轮叶片的熔模铸造工艺设计,运用ProCAST软件进行数值模拟优化,并对工艺进行熔铸铸造实验验证,通过优化工艺显著降低了铸件缩松缺陷,获得了合格涡轮叶片铸件,产品合格率从30%提高到55%。研究取得了以下主要结论:（1）通过实验测量和Jmatpro软件计算获得了 K418B熔模铸造仿真模拟的热物性参数和力学性能参数,补充和完善了 ProCAST软件的材料库,合金主要参数有:液相线温度为1360℃,固相线为1200℃,凝固潜热为248.4J/g。（2）对于壁厚为0.5～4 mm的薄壁件,当浇注系统的结构和尺寸不变时,浇注温度、型壳预热温度和浇注速度是影响薄壁件缩松缩孔缺陷的重要因素,浇注温度为1400～1500℃范围内变化时,随着浇注温度的升高,缩松缩孔的趋势减小,但当温度超过1500℃时,缩松缩孔增大;型壳预热温度在900～1050℃范围内变化时,随着型壳温度的升高,铸件缩松缩孔增大;浇注速度在0.4～0.8 m/s内变化时,对铸件的缩松缩孔影响不大。在设计薄壁件熔模铸造工艺时可以适当提高浇注温度,但不得高于1500℃,降低型壳温度,但不得低于950℃。该薄壁件的最佳浇注工艺为:浇注温度1500℃、型壳预热温度950℃、浇注速度为0.6 m/s,在实验时可以获得充型完整的铸件,与模拟结果吻合。当浇注系统的浇注位置改变时,侧注式浇注效果好于底注式,薄壁件浇注可采用多内浇道浇注系统实现补缩,且内浇道应薄于铸件壁厚。（3）K418B涡轮叶片熔模铸造时,影响缩松缩孔的因素大小排序为:型壳预热温度>浇注温度>浇注速度。优化后的涡轮叶片的熔模铸造工艺参数:采用开放式浇注系统,直浇道和内浇道截面比例为1:1.9,浇注温度为1500℃,型壳预热温度为1080℃,浇注速度为0.6 m/s。通过该工艺显著降低了缩松缩孔缺陷,获得了质量优良的涡轮叶片。
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