燃气轮机发动机机匣铸造工艺设计及质量控制

刘为亮 宼 佐 陆加见

(1.东方汽轮机有限公司，四川618000；2.南京中船绿洲机器有限公司，江苏210039)

发动机是燃机性能的决定性因素，机匣是发动机重要零件之一，其结构复杂，零件设计、制造难度大，保证机匣的内在质量、尺寸准确对发动机的效率具有重要意义。某航改燃气轮机的发动机机匣，采用高强度低合金钢材料，单件重7000 kg，技术及质量要求较高：100%射线检测、全域超声检测、内外表面磁粉检测，加之该机匣结构复杂、尺寸精度(轮廓度)要求高，为制造该机匣提出了极大的挑战。

1 铸造方案设计

1.1 浇注位置选取

该机匣由于其内环和外环的结构特征，在分型、浇注方案选择上，图1方案外环得到了很好的补缩，但内环上产生了两个孤立的热节，通过内环的6根筋将之引导至上端的热节，再通过设置补贴将热节引导至中分面后用冒口补缩。方案中补贴虽需要后期气割的方式去除，这对于狭小的内环腔室来说，增加了后期铸件的清整难度，但是保证致密度、确保铸件质量显然更加重要。

1.2 砂芯方案设计

合理的砂芯方案既能保证产品形状准确、尺寸精度高，也可以降低制造成本及操作难度。本机匣确定如图2中的砂芯方案，其中1#芯设计为整体的方式来形成内腔的结构，2#芯也采用整体的方式，但是组装的过程中，由于机匣存在局部特征较薄，导致2#芯在下芯时与1#砂芯间隙较小，增加了下芯难度，这是本机匣下芯方案的难点之一。对于内外环之间的6根筋，通过采用3#盖板砂芯的方式来形成筋的特征。

图1 浇注方案Figure 1 Casting scheme

图2 砂芯装配示意Figure 2 Core assembly

1.3 补缩方案设计

确定了铸件的浇注位置后，分型面及冒口的位置也基本确定，外环通过M冒=1.2M件的公式选用了尺寸为280 mm×420 mm×365 mm暗保温冒口，根据外环上的法兰针对性的设置了12只冒口。对于内环，增加了补贴，计算后选取了300 mm×450 mm×390 mm的暗保温冒口。为了明确补缩区域，采用了冷铁隔断的方式，同时对热节较大的位置，也针对性地布放了冷铁。机匣补缩方案如图3所示。

1.4 浇注系统计算

本机匣预计浇注重量将达到15 t，采用开放式的底返浇注系统，内浇口分散分布，能够保证金属液平稳、均匀的充入型腔，并在规定的时间内充满，得到形状完整的铸件。

结合车间实际，确定采用22 t包，熔炼钢液16 t，根据浇包尺寸及钢液在包内时的液压力，确定选取了直径为80 cm的水口单眼浇注，浇注时间通过钢液上升速度计算法：t=GL/NnV包，确定浇注时间约100 s。通过钢包水口尺寸，依据钢液推荐的开放比例F包∶F直∶F横∶F内=1∶2∶2∶2.5计算，确定直浇道的尺寸为1只直径140 cm，横浇道为2只直径120 cm，内浇道为10只直径60 cm。通过以上的浇注系统采取钢液上升速度的方式进行核算，计算出液面上升速度VL=hc/t≈12 mm/s，达到该类结构铸件的上升速度的要求(10～15 mm/s)。证明该浇注系统合理，浇注系统造型时布放方式见图4。

1.5 MAGMA验证及优化

本机匣的工艺设计采用了MAGMA进行模拟及优化，对设计工艺中的补缩方案、充型方案进行温度场及流场模拟，预测出缺陷产生的位置及程度，分析后再对方案进行优化，通过这样的循环过程，直至得到优质的制造方案。图5所示即为工艺最终版的模拟结果，经模拟验证，方案合理。

图3 机匣补缩方案Figure 3 Feeding system of gating

图4 机匣浇注系统Figure 4 Pouring system of gating

图5 工艺模拟结果Figure 5 Process simulation results

图6 射线检验时透照方案Figure 6 RT transmission scheme

2 质量控制

2.1 100%射线检测

100%射线检测是本机匣相比其他铸件的最大难点。透照前，依据图纸要求、操作标准、验收标准，制定了详细的检测操作规程，对透照方式、透照设备、灵敏度、曝光量、胶片类型等进行了定义。并依据标准、图纸要求以及设备等情况，考虑拍片位置、拍片张数、透照工艺，制备了详尽的布片图，见图6所示。

机匣复杂的形状和多变的厚度造成本件必须采用多种射线源，本件采用Co60与Co60+加速器并用的方式，保证了该机匣从最小48 mm壁厚至最大280 mm壁厚的部位都能透照，引用加速器保证厚大部位透照的同时，也缩短了曝光时间，机匣内外双层较复杂，透照源与布片存在诸多不便，但出于从结构、底片质量角度考虑，仍然选取单壁单影透照，但部分结构由于壁厚变化急剧，采取了双片透照的方式。透照过程中最大限度地保证射线垂直于胶片，部分位置由于形状和结构原因无法做到时，采用倾斜入射方式。

2.2 全域超声检测

为保证该机匣在超声检测时的准确性，在进行超声检测前，通过图纸、现场检查等全面了解铸件情况，明确铸件的材质、结构特征、浇注方式、冒口位置分布、工件摆放的形式、可接触到的检测面、工件各部位的厚度尺寸、表面情况及热处理状态等。并按照ASTM A609专门制作了与铸件材质相同的对比试块，试块原坯与机匣同炉钢液冶炼、同炉热处理，保证了对比试块的衰减系数与机匣的衰减系数一致，能够得到较准确的灵敏度调节结构，完全保证该机匣超声检测需求。本方案以直探头为主、必要时斜探头为辅的扫查方式，依据标准范围单直选用D2S，双直选用SEB4用于检测外层50 mm以内近表面区域，单斜探头用以辅助检测直探头扫查不易发现、与表面成一定角度的缺陷。

2.3 表面质量检测

在对机匣的磁粉检测过程中，发现存在部分点状、线状、面状的磁粉缺陷显示。多在上表面与金属液流动不流畅的部位，经过打磨后缺陷消除。经过分析，为金属液在浇注过程中的氧化物，在被带入型腔后由于流动不畅，并未随着液面的上升而进入到冒口中，而是附着在型腔中某些位置，随着温度的降低，与内生夹杂物交织在一起形成夹杂物颗粒，凝固后形成缺陷。对于这类缺陷，需要通过提高钢液纯净度、优化铸件结构方式来解决，前者能够尽量减少夹渣的数量，后者能够使夹渣易于上浮至冒口中，提高铸件质量。

2.4 造型、浇注、热处理控制

机匣模样采用全木加钢结构制作，造型选用呋喃自硬树脂砂，造型时对舂砂等工序进行了重点控制。熔炼过程采用电弧炉+精炼炉的双联冶炼方式，并按照内控标准控制各元素成分和钢液温度。热处理炉按照ASTM A991进行了炉温均匀性试验，确保炉况良好。在机匣热处理中，也采用了增加本体热电偶的方式进行测温，装炉示意图见图7。

图7 机匣热处理装炉示意图Figure 7 Heat treatment charging of gating

2.5 补焊过程控制

在机匣施焊前，按照材料规范、ASTM A488等规范要求编制了焊接工艺卡，本机匣这种合金钢材质，淬硬性倾向大、冷焊易裂，补焊时进行了保温时间足够的预热处理。焊条按照要求进行了合格的烘干和预热，补焊过程中形成1个堆层后立即清除药渣并锤击补焊区域，考虑到补焊当时是冬天温度较低，每补1层后还采用了氧炔加热后再迅速补焊。过程中采用红外测温仪测量补焊区域温度。以上一切尽量减小了焊接过程应力，避免产生焊接裂纹。焊后在690～700℃保温足够的时间进行去应力退火。针对缺陷的类型及发现方式，焊后同时进行了无损检测、硬度检查等，确保补焊区域组织的致密。

2.6 实物质量

经过近6个月的生产，该燃机机匣顺利产出。炉前成分、成品成分在控制范围内，力学性能均达到标准要求，无损检测合格。

3 结论

本机匣采用分区补缩，通过采用针对性冷铁及补贴的方式解决了分散热节的补缩问题，得到了致密度较高的铸件；采用整圈坭芯及特殊配合与定位方式，解决了造型操作难题并很好保证了机匣的尺寸精度；对机匣制造过程的特种工艺进行了重点研究与控制，特别对热处理炉温均匀性进行了测验，对焊接工艺进行了研究，保证了机匣的过程质量，为机匣的高质量打下基础；研究了射线方案，采用了多种透照方案以及双片布放等方式，完成了100%射线检查要求；通过多种超声检测方式的良好配合并制备专用超声波对比试块，完成了复杂结构100%超声检测，同时将射线检测与超声检测结果进行了对比分析与研究，为后期超声检测代替射线检测积累了经验。