燃油控制系統(tǒng)復雜鋁合金殼體鑄造技術(shù)

■ 楊立新 毛娜 王江云 盧書勇 王勇 / 中國航發(fā)西控

燃油調(diào)節(jié)器殼體是商用航空發(fā)動機的主燃油控制裝置的核心部件，具有外形高度鏤空、內(nèi)腔油路結(jié)構(gòu)復雜、高承壓、高尺寸精度、薄壁等復雜燃油控制系統(tǒng)殼體鑄件的典型特征。創(chuàng)新團隊通過開展研究，實現(xiàn)了復雜鋁合金殼體鑄件的快速研制，為此類典型燃油控制系統(tǒng)鑄件的研制及生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

伴隨航空發(fā)動機技術(shù)的進步，燃油控制系統(tǒng)的各項性能和技術(shù)指標的要求越來越高，提高其功能的集成程度、減輕質(zhì)量的需求也更加迫切。作為整個燃油控制系統(tǒng)裝配及功能實現(xiàn)的基礎，鋁合金復雜殼體的使用性能要求提高、復雜程度也急劇增加，高集成度、輕質(zhì)量、多油路、高強度、高清潔度要求是燃油控制系統(tǒng)復雜鋁合金殼體的五大要素,直接導致鑄造工藝難度成倍增加，復雜鋁合金殼體的鑄造是制約商用航空發(fā)動機研發(fā)及生產(chǎn)的一大技術(shù)難題。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及要求

本項目中的商用航空發(fā)動機燃油調(diào)節(jié)器殼體為多數(shù)軍用航空發(fā)動機同類功能殼體體積的4倍，外形呈高度鏤空，各類凸起結(jié)構(gòu)密布，內(nèi)部油路多達百余條（同類復雜殼體內(nèi)腔油路不超過50條），油路細長且不規(guī)則。

該殼體鑄件將進行百分之百的X射線無損檢測，加工完成后還會進行0.5～0.6MPa的氣壓密封性檢測及20～20.1MPa的高壓油路強度性能檢測（一般軍用航空發(fā)動機同類殼體試驗壓力為12～12.1MPa），因此，殼體鑄件的組織致密性要求極高。

由于殼體承擔了調(diào)節(jié)發(fā)動機供油的關(guān)鍵性能，其內(nèi)部鑄造油路清潔度要求極高，不允許有鑄造型砂殘留，所以，對該殼體的鑄造流道要進行百分之百內(nèi)窺鏡檢查。

鑄造工藝方案設計

綜合考慮鑄件尺寸精度、殼體內(nèi)部質(zhì)量以及耐高壓性能，傳統(tǒng)鑄造工藝方案生產(chǎn)的鑄件已無法保證殼體完全滿足以上要求。因此，創(chuàng)新團隊選擇尺寸精度高、鑄件組織致密性高的金屬模鑄造作為殼體的基本工藝方案；鏤空形狀及內(nèi)腔采用砂芯成形，因為鑄件較大，傳統(tǒng)澆注方式的澆注速度及充型過程難以控制，加之成形內(nèi)腔油路及外形的砂芯數(shù)量非常多，澆注卷氣及砂芯發(fā)氣較多，所以選擇充型較為平穩(wěn)且排氣效果良好的傾轉(zhuǎn)鑄造作為澆注方案。

為了提前預測鑄件可能產(chǎn)生的各類缺陷并提高鑄件工藝方案的可靠性，中國航發(fā)西控的創(chuàng)新團隊在研制初期增加了鑄造模擬仿真手段。對不同的鑄造工藝方案從溫度場分布和最終鑄造缺陷等方面進行多次迭代仿真分析，選取最優(yōu)工藝方案。最后，應用仿真分析對最終工藝方案進行工藝改進及優(yōu)化。

項目創(chuàng)新點

高集成度殼體分區(qū)工藝設計技術(shù)

圖1 調(diào)節(jié)器殼體不同區(qū)腔體

圖2 調(diào)節(jié)器殼體不同腔體成形工藝

以往航空發(fā)動機燃油附件殼體為單功能結(jié)構(gòu)設計，無結(jié)構(gòu)及功能的集成，且結(jié)構(gòu)比較規(guī)則統(tǒng)一，而調(diào)節(jié)器殼體功能集成較多（如圖1所示），殼體各區(qū)域性能要求差異較大。上部分電磁閥殼體部分，最薄壁厚僅2mm，下部分壓力腔體有非常高的抗壓能力要求，組織致密性要求極高。針對不同結(jié)構(gòu)對性能需求的不同，按照砂型成形、金屬型成形工藝特點，分區(qū)域設計砂型成形工藝和金屬型成形工藝（如圖2所示）。將壁薄、冶金質(zhì)量要求較低的電磁閥部分采用砂型成形工藝，并將2mm的壁厚部位采用冒口正對、直接補縮的方式。壓力腔體采用金屬型模具成形，保證高壓腔體冶金質(zhì)量，從而滿足使用性能要求。

金屬型鑄造復雜鏤空結(jié)構(gòu)成形技術(shù)

為了實現(xiàn)發(fā)動機質(zhì)量的減輕，殼體的結(jié)構(gòu)須呈高度鏤空。對于金屬型鑄造模具無法直接成形的鏤空結(jié)構(gòu)，分解成不同的砂芯后組裝定位于金屬型模具。采用金屬型鑄造及砂芯鏤空結(jié)構(gòu)組合成形的工藝方案，順利保證了調(diào)節(jié)器殼體鑄件不同結(jié)構(gòu)特征的鑄造成形工藝。

鑄造油路內(nèi)腔清潔度控制技術(shù)

鑄造粘砂在鑄造生產(chǎn)中非常常見，但其作為航空發(fā)動機三大危害之一，會嚴重影響發(fā)動機外場使用的安全性，可能導致發(fā)動機閥門卡死等故障，造成安全事故。調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)部油路數(shù)量有百余條，單條最長油路達到300mm，且油路形狀極不規(guī)則，最細油路直徑僅為3.5mm，最薄油路壁厚僅2mm。目前，燃油附件殼體內(nèi)腔油路鑄造主要采用材料為覆膜砂的砂芯工藝。該工藝對于內(nèi)腔清潔度的影響主要來自內(nèi)腔殘留的鑄造型砂及涂料，而覆膜砂的材料性能、砂芯表面涂料工藝、除芯工藝、檢查方法是控制砂芯在型腔內(nèi)的殘留的核心要素。針對在不同形貌下鑄件粘砂的形成原理特點，從覆膜砂材料的性能指標選取、砂芯涂料涂覆、高頻振動清砂、高壓水沖洗工藝展開研究，團隊開發(fā)了一種鑄造油路內(nèi)腔清潔度控制的組合工藝。另外，采用了內(nèi)窺鏡對內(nèi)腔進行20倍放大檢測，達到了無型砂殘留。通過上述措施，成功解決了燃油調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)腔油路型砂殘留問題，實現(xiàn)了復雜殼體內(nèi)腔清潔度的嚴格有效控制。

傾轉(zhuǎn)鑄造及晶粒細化技術(shù)

調(diào)節(jié)器殼體是航空發(fā)動機的燃油附件中的大尺寸鋁合金殼體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，在充型、凝固過程中極易形成氣孔缺陷的特殊結(jié)構(gòu)鑄件。團隊采用傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，并在傾轉(zhuǎn)澆注過程中過濾金屬液使其平穩(wěn)流動，減少氧化夾雜及氣孔缺陷的產(chǎn)生，提高了鑄造殼體的內(nèi)部質(zhì)量。另外，殼體材料為ZL101A，屬于鋁-硅（Al-Si）系合金，硅含量7%左右，在鑄態(tài)下初生α枝晶較粗大，且分布不均勻，共晶硅呈現(xiàn)針狀及片狀形態(tài)，如不經(jīng)變質(zhì)處理，強度和塑性很低。而細化共晶組織及晶粒可以顯著提高材料性能。合金熔煉時的精煉變質(zhì)處理是改善鋁-硅合金組織、性能的一項關(guān)鍵技術(shù)。采用行業(yè)中的常規(guī)處理工藝，雖力學性能、硬度等能滿足要求，但在重力條件下，合金液澆注充型過程中，合金液的流動性和補縮性能較差，鑄件產(chǎn)生熱裂紋傾向增大。

針對常規(guī)精煉變質(zhì)技術(shù)中暴露出的不足，創(chuàng)新團隊創(chuàng)造性地提出了熔體“熔體凈化+晶粒細化+變質(zhì)處理”的復合工藝方案。通過對合金液進行凈化處理，可對鋁-硅合金鑄態(tài)晶粒進行細化，增加鑄造充型過程中合金液的流動性，減少鑄件形成熱裂紋的傾向。采用不易揮發(fā)、不易燒損、不易重熔失效和不易吸潮的長效變質(zhì)劑，適用于調(diào)節(jié)器殼體澆注時間較長的生產(chǎn)現(xiàn)狀，且更能使初生α相更細小、均勻，共晶硅由長纖維狀變成短珊瑚狀，而且共晶硅端部圓鈍化，從而改善了鑄件材料的力學性能，尤其是抗拉強度和延伸率。

結(jié)束語

通過對燃油調(diào)節(jié)器殼體鑄件的鑄造工藝技術(shù)研究，本項目實現(xiàn)了高氣密性、高強度要求、鏤空結(jié)構(gòu)、薄壁鑄件的制造成形，為該類型殼體的鑄造開發(fā)了一套優(yōu)良的鑄造工藝，解決了相關(guān)的技術(shù)難題，并在民用發(fā)動機燃油控制系統(tǒng)鋁合金殼體的生產(chǎn)和研制中進行推廣。