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涡轮叶片浇注工艺实践

文档作者：李波，李雪，潘国志，孙宝才，柳乐文档来源：沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司		点击数：	更新时间： 2026年01月23日
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上一篇：影响涡轮增压器涡轮端效率的几个因素

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DeC．2014
VO|_63 N0．12
铸造
FOUNDRY ·1283·
涡轮叶片浇注工艺实践
李波，李雪，潘国志，孙宝才，柳乐
(沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，辽宁沈阳110043)
摘要：为解决某薄芯气冷叶片断芯、疏松等缺陷影响铸件合格率的问题，进行了浇注温度、型壳温度、浇注速度、
浇注系统设计等主要工艺因素对铸件充型、晶粒尺寸、断芯、疏松等方面影响的试验。研究表明，铸件晶粒尺寸和
型壳温度、浇注温度有关；提高型壳温度，降低浇注速度有利于晶粒细化和防止钢液冲击断芯；底注式浇注系统可
有效减少铸件断芯缺陷。
关键词：精密铸造；涡轮叶片；充型；晶粒；断芯；疏松
中图分类号：TGl46；TG244 文献标识码：B 文章编号：100l一4977(2014)12一1283—04
PrOductiOn PraCtice Of Turbine BIade Casting
LI BO，LI Xue，PAN GuO-2hi，SUN Bao—cai，LIU Le
(Shenyang Liming Aero—Engine(Group)Corporation Ltd．，Shenyang ll 0043，Liaoning，China)
Abs舡act： hl order to solve the problems of core breakage and porosity of some thin blade．Experiment was
carried out to study the efl’ect ofpou血g temperature，mold shell temperature，pouring spee也po嘶ng syStem on
6lling moul也grain size，core丘-acture and porosi吼The reSults show mat伊ain size is related to mold shell
temperature and po嘶ng temperature，improVing mold shell tempemture and reducing po嘶ng tempera眦is
beneficialto getting 6ne铲ain and preventing core五racnIre．And then bottom gating system can efI’ectiVely
reduce the casting core触cture．
Keywofds：precision casting；turbine blade；filling；grain；core舶cture；porosity
随着航空发动机推重比的不断增大，发动机的涡
轮前温度迅速提高，有资料显示，燃气温度从l 200℃
提高到1 350℃，油耗率可降低8％【I】。空心气冷叶片的
研制是提高发动机涡轮前温度的重要技术之一。然而，
空心叶片的设计思想不断推陈出新，这就给铸造工艺
带来新的挑战。某低压涡轮工作叶片为空心带冠无余
量等轴晶铸造叶片，由于型芯细、薄、长的结构使铸
件极易产生断芯缺陷，同时在解决断芯的过程中又会
伴随冷隔、晶粒粗大、疏松等缺陷。本文是针对上述
缺陷试验工作的总结。
1试验过程
以K465合金空心涡轮工作叶片(图1)为研究载
体。该叶片带冠，长约150 mm，叶身壁厚为1．o mm，
排气边仅为0．4 mm。内腔陶瓷型芯为细薄叶状(图2)，
最厚处1．5 mm，型面有18条横凹，最薄处0．5 mm，叶
冠出口处型芯细小，约1．5 mm×3 mm。
1．1充型试验
基于铸件结构特点，叶片极易产生断、漏芯缺陷。
针对此问题设计了4种浇注系统(图3)进行对比试验，
浇注温度均为l 480℃，型壳预热温度为980℃，试验
结果见表1。
图l 低压涡轮1：作叶片
Fig．1 Low pressure mrbine blade
㈦二胍⋯涡轮I’f1‘l】¨¨5．』瓷，1怼E、
Fl苎．2 L^)w pre3burc“Irblllc bladc ccranllc corc
结果分析：从实验结果看出，方案l和方案2断芯
数量都较多。方案3和4断芯数量较少。方案l和2的充
收稿日期：2014-08一18收到初稿，2014-09一ll收到修订稿。
作者简介：李波(1966一)，男，研究员级高工，研究方向为高温合金精密铸造。E-mail：lnSylm2815@163．com
万方数据
FOUNDRY
Dec．2014
V01．63 N0．12
遗西蕊蕊
(b1 (c)
I#13浇：f：系÷屯i殳ff力。粜
Ij】娑1 Dc^1芸n L、l坚。lIIllg Ij、Icnl
表l充型试验结果
Table 1 Test reslllts ofmHng
型方式都是钢液从上、下两端进入，由上部进入的钢
液正好对型芯的薄弱环节产生了冲击。根据铸造充型
理论和实践经验可知，在充型时，液态金属从底部进
入后再卜升的底滓方式比较平稳．而顶沣方式对型腔
的冲击力较大。a与b的结构相近，都是底侧注加上侧
注的充型方式，所不同的是榫头的位置，榫头相对叶
冠较厚大一些，朝上放置有利于顺序凝固，但由于叶
冠方向的型芯相对薄弱，所以断芯的数量较多一些
(见图4)。c与d的方案是为了防止型芯断裂而设计的，
这种结构主要依靠底部充型，充型速度较慢，但是在
壳温和钢液温度较低的情况下又易形成冷隔缺陷(见
图5)。
1-2晶粒试验
晶粒过大、超出标准要求的柱状晶会使叶片表层
的抗疲劳性能降低[2]。为了使铸件表面晶粒细化，可将
孕育剂加入到陶瓷型壳表面层涂料中。镍基高温合金
在制壳时表面层普遍使用铝酸钴做细化的孕育剂∞。
但浇注后的晶粒是否能够达到标准要求，还与浇注工
艺密切相关，因此需要采取合适的热控工艺∞。表2是
铸件用不同浇注工艺方案进行试验后晶粒检查的结果。
结果分析：在充型试验中出现了冷隔缺陷，本次
试验提高了浇注温度或型壳温度，消除了冷隔缺陷。
从试验结果看出，只有方案i出现了较大晶粒(见图
6)，超出了标准1～6级的要求；在方案iii和iv中，大
幅度提高型壳温度，并将保温方式由填砂改为保温毡
断芯部仲
图4断芯叶片
F嘻4引ade wlIll corc fracturc
㈦j冷m叶”
Fig．5 Blade with cold laps
表2晶粒试验
Table 2 Grain test
万方数据
铸造李波等：涡轮叶片浇注工艺实践
或加热器，得到更细的晶粒(见图7)。本试验证明了
高温预热、低温浇注的工艺对晶粒细化更有利。等轴
晶叶片铸件表面细化的关键在于表面孕育剂的使用和
控制铸件浇注后晶粒长大的时间。而晶粒长大的时间
取决于铸件冷却的速度，也就是与浇注温度、型壳温
度、冷却速度、浇注时间等因素相关。晶粒试验中，4
种型壳预热工艺，按保持型壳不降温或降温速度较慢
的顺序排列为加热器一保温毡一填石英砂。所以，在
使用保温效果好的方式时应适当降低浇注温度，缩短
晶粒长大时间。精密铸造细化晶粒通常采用低温浇注
方法，东北大学和墨尔本大学提出低温液相线铸造，
己经成功制造出细小的非枝晶组织A7075、AZl68、
竹忡．旱
A356等半固态合金锭坯【硎。但同时为了不产生冷隔或
欠铸需要提高型壳温度或选择保温效果好的材料，达
到从型壳离开加热源到浇注时型壳热量损失尽量少的
目的。而浇注速度较慢有利于晶粒细化，有时可以起
到钢液冲刷铸型壁从而使刚刚结晶的固体颗粒充当细
小晶核的效果。同时，对于本次研究对象来说，低温
慢速浇注可以降低细薄型芯的断芯率，所以，在保证
晶粒尺寸合格的前提下，为实现低温慢速浇注就必须
选择保温效果好的方式。
1．3工艺优选试验
根据前2个试验结果，制定了2种方案进行对比，
结果如表3。
+争1孛
|皋J6叶片晶粒粗l大
F嘻6 Blade with coarsc grain
图7细晶叶片
Fig．7 Blade with fine grain
表3两种浇注方案结果比较
’rable 3 Two l【inds of gatiI唱∞heme∞mpari轴n
试验发现，方案(1)浇注的叶片经x光检验出在
叶冠下部有明显的疏松。经解剖低倍腐蚀检查，鉴定
为3级显微疏松(见图8)。而方案(2)未发现此缺陷，
将相同部位解剖检查，结果显微疏松级别为l级(见图
【冬18 3级娃微疏松
F培8 LcVel 3 micro-porosit)
9)。方案(1)还有较少数量的断芯废品，相比之下方
案(2)效果较好，采用小批试生产进一步验证，结果
如表4．
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Hq l圾艟微疏忪
Fig．9 LeVell micro—porosity
经小批验证，这种方案断芯率最低，晶粒度合格，
万方数据
Dec．2014
‘1286· FOUNDRY VOI_63 N0．12
48
48
48
31
34
39
64．6
70．8
81．2
3
2
O
0
0
O
l
0
O
1
0
0
5
6
4
无疏松废品，经解剖后低倍检查显微疏松等级合格，
成为最终的生产工艺。
2试验结果综合分析
铸件结构特点为带冠涡轮工作叶片，其中榫头和
叶冠是较为厚大的部位，需要通过冒口直接补缩，而
叶身较薄(1．0 mm)，由上下两端进入的钢液可达到补
缩目的，不需要在叶身增加冒口。一般情况下，可设
计成侧注形式，榫头较叶冠稍厚大些，应在浇口杯方
向形成顺序凝固，其形式如浇注系统b所示；但如叶片
中型芯较薄弱，为了追求液流平稳，减小对型芯冲击
力，避免浇注时产生断芯，也可以将榫头朝下倒置，
通过直浇道的液流压力传递对榫头和叶身补缩，其形
式如浇注系统a所示。考虑到铸件型芯为细长结构，并
存在明显薄弱部位，应该是铸件浇注时受到钢液冲击
产生断芯的地方，设计浇注系统时应尽量减小这些地
方所受到的冲击力，所以设计了底注效果更明显的浇
注系统c和d。
浇注系统c去掉了由直浇道引向叶冠处的横浇道，
改为在叶冠顶增加暗冒口的方式，为纯底注形式，钢
液完全由底部进入，目的是使液态金属由叶片铸件底
部平稳上升，使型芯不受到来自叶冠处金属液的冲击，
降低了断芯率。但这种浇注系统造成叶冠上方的冒口
的钢液也必须由下至上充填。金属液是经叶片由下向
上推进的，到达的金属液是先进入铸型的，比后续到
达铸型的已经损失了热量，降低了温度，而通过叶片
向冒口输送高温液体使叶片在叶冠下的1／3处更易过
热，从而使冒口处钢液温度可能低于需要补缩的铸件
本体，补缩能力下降。而且由于过多的钢液对型芯的
冲击，也可能形成断芯。浇注系统d是a与c的结合，即
金属液由底部平稳上升到叶冠时，已经避免了对型芯
最薄弱处的冲击，这时来自直浇道的后续进入的高温
金属液经由增加的横浇道到达叶冠上部的冒口对叶冠
及以下部位进行补缩，避免了疏松缺陷。
显微疏松的产生，主要取决于在同一时间内沿铸
件截面上凝固区域的宽度和晶问钢液收缩时尚未凝固
的液体充满晶间缩孔的能力。铸造耐热合金的凝固温
度都较宽，熔模铸造时采用的又是预热至炽热的铸型，
合金热量散失缓慢，沿铸件截面上的温度分布比较均
匀，因而产生显微疏松的倾向大。因此为了减小显微
疏松的总体积，减轻显微疏松的程度，就必须从改善
枝晶间金属液凝固时的补缩条件着手。最终方案在叶
冠的上部增加了直浇道对叶片的补缩通道，加强了浇
注系统的补缩能力，并将显微疏松引人了浇注系统，
使铸件的疏松缺陷得以消除。
3结论
(1)底注式浇注系统有效地减少了铸件的断芯
率，但还需要一部分来自直浇道的钢液对铸件上部的
补缩。
(2)铸件晶粒尺寸与浇注温度直接相关，当浇注
温度超过1 540℃时会造成晶粒粗大；可采用保温毡或
炉内加热器提高浇注前型壳温度，同时降低浇注温度
的方法解决铸件排气边冷隔或晶粒超标的问题。
(3)结合底注加顶部补缩的浇注系统，将型壳温
度提高到1 180℃，浇注温度降低到1 480℃，可达到
铸件充型完整、晶粒细化、减少疏松和断芯的目的，
成为最终的生产工艺。
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(编辑：张允华，zyh@内undryworId．com)

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