研究了收敛调节片底板后段精铸件，其为航空发动机处的薄壁结构件，采用JG4246A合金熔模铸造成形。试制过程中铸件在底板、筋条位置极易产生裂纹、缩松等冶金缺陷，导致铸件合格率下降。通过优化浇注系统，调整型壳保温毡包裹方式、预热温度和浇注参数等措施，最终确定了控制模组浇注系统、型壳包裹的要点、浇注注意事项及后续清理工作的控制措施，减少了裂纹、缩松等缺陷，铸造合格率达到85%。
关键词：薄壁结构；JG4246A合金；裂纹；缩松
随着国家在航空发动机工业领域不断推进，发动机制造技术不断提升。新型高温合金、新结构铸件，应用越来越广泛。本课题研究的收扩喷口处收敛调节片底板后段为典型的薄壁结构，采用JG4246A合金进行铸造，该铸件结构复杂，薄壁底板上筋条纵横交错，筋条高、矮和厚度尺寸不尽相同，底板平面阶梯分布，厚度薄厚不均，首次试制时在底板上和筋条转接处产生裂纹、缩松等缺陷，铸件整体品质状况较差，合格率不足30%，通过浇注系统、型壳保温毡包裹方式、型壳预热温度及浇注参数的调整，铸件品质大幅提升，并总结出一套工艺和生产经验为以后生产提供参考。
1、载体结构分析
收敛调节片底板后段结构见图1。底板壁厚为0.8～1.0 mm，呈阶梯分布，平面度不大于0.3 mm，其上纵横交错的筋条，高度为2.4 ~8.5 mm，厚度为1 mm，两主加强悬臂筋条贯穿整个铸件，起到连接、固定作用，3处加工配合孔，加上余量相对整体铸件较大，加上与筋条、底板连接，补缩难度大，形成缩颈，浇注后铸件极易产生裂纹、缩松等缺陷。
图1 收敛调节片底板后段铸件结构图
JG4246A合金为金属间化合物材料，合金成分复杂（合金成分见表1），对温度十分敏感，浇注温度区间较其他母合金小，极易产生裂纹缺陷[6]，直接影响铸件合格率。同时容易在精炼过程中易产生氧化物夹杂，精炼过程需要不断进行排渣处理以减少铸件夹杂缺陷；加上铸件结构特点，底板较薄，上面两主肋相对厚大，贯穿整个铸件，补缩过程难控制，浇注系统设计不当较易产生缩裂和缩松缺陷。
2、 研制过程
2.1 模具设计及定形
铸件的模具采用顶出机构，根据铸件尺寸和母合金特点确定蜡模模具收缩率，模具分为上盖板、下模（含型腔结构）、顶出机构和传动机构附件。由于铸件带有凸耳，该部位进行模具分块设计，随顶出机构一同起模，进行分块拆除。根据铸件母合金凝固特点和零件结构特点，设计模具过程中直接在两凸出的圆台中间连接了直径为6 mm的圆杆，一方面保证铸件成形后两凸台间距尺寸满足要求，另一方减少冷却过程凸台转接处受的应力，模具三维型见图2。
图2 收敛调节片底板后段模具
首次设计模具试压生产后，蜡模顶出部位分型线相对明显，表明顶出部位受力较大，起模不畅，派工对模具起模斜度的进行研修，在细节上要求压蜡前对模具两主肋位置进行刷油处理，以保证模具起模顺利。首批浇注后对铸件尺寸进行三坐标检查，发现两凸台圆柱打孔后尺寸最小壁厚难以保证。采用反变形进行模具修理，将该位置缩小尺寸扩大，保证了成型后铸件和零件加工后尺寸合格，以达到尺寸定型。
2.2浇注系统的设计
研制过程中初步工艺方案定为模组采用侧注式，每组2件，主要考虑了以下影响因素：①铸件底板较薄，底板上凸台需要足够补缩；②底板上两主肋板相对尺寸厚大，距离较高，需要设计合理有效的内浇道。
初步确定浇注系统见图4。浇注后在两主肋与底板转接处出现严重的拉裂纹，同时底板平面T区（相对其他底板壁厚厚1 mm）产生缩松，铸件基本成批报废，合格率极低。
图3 收敛调节片底板后段试验组合方案示意图
根据首次浇注后产生的位置集中、缺陷典型的特点，进行工艺方案的改进，在两凸台中间增加横支撑进行连接，起到在铸件凝固过程中抑制两侧浇冒口对两凸台的拉应力作用，最终调整浇注系统见图4。
图4. 最终调整浇注系统
2.3 制壳工艺
由于铸件底板上T区位置产生缩松缺陷，型壳的制造过程中表面层粉料采用质量分数为50％的铝酸钴孕育剂进行涂制，有效解决了铸件的表面缩松缺陷。加固层粘结剂交替使用硅酸乙酯水解液和硅溶胶，粉料为刚玉粉或铝矾土粉，涂料总层数为8层。
首次浇注后由于模组直浇道相对整个模组尺寸较小，涂料操作过程中操作者多手持浇口杯与直浇道过渡区，涂制几层后该位置极易产生断裂（见图3），导致整个模组报废，损失严重，对操作过程0要求较高，工作效率降低。
根据该情况进行组合方案调整，增加辅助筋条见图4，一方面,增加型壳浇口杯与直浇道转接处强度，另一方面,起到浇注后排气作用，有效解决了型壳模组断裂报废的问题，降低了对生产现场操作者的要求。
2.4 熔注工艺
型壳预热采用包裹保温毡的方式，浇口杯处单独包裹两层后，与整个模组共同包裹2层，采用RX3-75-9箱式电阻炉进行预热，预热温度为950±10 ℃。
由于JG4246A母合金对浇注温度十分敏感，首次浇注试验过程中，根据JG4246A合金的熔点等参数，确定精炼温度为1500±10 ℃，精炼2～3 min后，浇注温度分别为1 400±10 ℃、1 430±10 ℃、1 460±10 ℃的试验。由于该件为薄壁件，底板壁厚整体较薄，故要求有较快浇注速度，在2～4s内完成浇注。最终浇注温度为1 430±10 ℃，母合金对温度的敏感性，最终确定浇注温度为1 430±5 ℃，浇注工艺曲线见图5。
注：1）浇注时砂箱温度：不低于900℃。
2）浇注时带电功率：（10～15）kW
图5 合金的熔注工艺曲线
由于铸件底板平面度要求较高，并呈阶梯状分布，铸件精修工序对铸件底板冒口清理和平面度进行修理控制，之后通过稳定热处理工序使用校正胎具高温下进行热定型处理。避免铸件产生校正裂纹。
3、试验分析
3.1 试验结果
模具压制蜡模浇注后，经尺寸划线发现与两主肋板所连接的凸台尺寸较理论位置和理论尺寸偏小。浇注后发现在两主肋板所连接的凸台与底板转接处出现严重的裂纹，图3中T区存在缩松，铸件品质较差，合格率低。
3.2原因分析及改善措施
表为2浇注批次与产品质量状况。分析表2中数据，从以下三个方面进行改进。
尺寸方面：与两主肋板所连接的凸台尺寸较理论位置和理论尺寸偏小，主要因为两主肋板和两凸台均相对底板尺寸厚大铸件，铸件凝固过程中产生缩陷，采取模具修理的措施，将该圆柱变为椭圆形状，满足该位置尺寸。
熔炼方面：针对图4的裂纹缺陷，分析产生原因为两侧圆柱和内浇口尺寸较大，凝固过程对转接处产生拉应力导致裂纹，采取措施为：进行组合方案和涂料工艺的调整，增加横向连接杆。
缩松缺陷：分析原因为T区相对其他位置较厚，对应底板后冒口相对集中，在表面层采用铝酸钴孕育剂，细化表面质量，通过试验有效解决了铸件缩松。
4、结论
通过对收敛调节片底板后段的铸造工艺研究，最终确定侧注式采用辅助筋条和横向连接杆的组合方案，表面层采用铝酸钴进行孕育的型壳涂料方式，保温毡包裹两层，浇注温度：1430±5 ℃进行生产，经过必要的精修和稳定热处理工序后可生产出合格铸件。
文献引用：张贺，朱洪斌，潘波涛.收敛调节片底板后段精密铸造工艺[J].特种铸造及有色合金，2021,41（4）：524-526.
