解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法

摘要

本发明涉及航空发动机领域，具体为一种解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形的方法。针对铸态K4169高温合金大型薄壁环形铸件在制造过程中尽管采取了诸多防止铸件变形的措施，铸件浇注后仍然会出现一定程度的变形等问题，通过对铸态K4169高温合金铸件尺寸变形部位采用局部加热处理，然后进行快速冷却的方式促使铸件尺寸向着反变形的方向发展，从而实现了铸件变形的矫正。由于铸件的局部加热温度不高于铸件均匀化处理温度，铸件变形处理后还要经过固溶处理，采用此技术对铸件的整体质量没有影响，对于提升铸件的尺寸精度有着重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体为一种解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形的方法。

背景技术

目前，高温合金大型薄壁环形铸件作为航空发动机零件的制造技术在国际上得到广泛的应用。其中，航空发动机大型机匣的制造技术过去一直被欧美等西方先进国家所垄断。近年来，随着我国航空工业的发展，航空发动机的制造技术也在不断迈向新的台阶。K4169高温合金大型薄壁环形铸件作为航空发动机大型机匣的制造材料目前正在得到广泛的应用，但由于该类合金铸件成型尺寸大，最小壁厚仅2mm左右，大型薄壁铸件成型后往往存在一定程度的变形。特别是该类材料的铸件无论室温还是高温其强度很高，抗变形能力大，因此通过传统的矫正方法很难实现变形的矫正，实践中往往是通过对尺寸不足的部位进行焊接来满足尺寸的加工需求。

如图1（a）-图1（b）所示，在K4169高温合金扩压器铸件出现椭圆变形时，则势必造成铸件出现长短轴现象。当A部位为铸件的短轴时，则该区域加工量不足。当A部位为铸件的长轴时，则该区域加工后有可能出现内部穿透的现象。当B区域变成长轴时，则该区域加工量不足。当B区域变成短轴时，则该区域加工后可能出现外部穿透的现象。

如图2（a）-图2（b）所示，当K4169大型薄壁机匣铸件出现椭圆变形（如：A、B、C等部位）时，同样是长轴外部加工后容易出现内部穿透，而短轴方向则加工量不足。当铸件出现短轴时，内部加工后外部容易穿透的现象，而长轴方向加工量不足。

大型薄壁环形铸件出现变形是司空见惯的，关键是要控制变形量能够满足加工要求。上述现象发生后，过去的习惯做法是，当铸件外部是短轴时，通过焊接的手段补充加工余量。当铸件外部是长轴时，同样在内侧通过焊接的手段补充加工余量。而实践证明，由于K4169高温合金含有一定的A1、Ti含量，焊接过程中金属的氧化比较严重，会出现大量的氧化夹渣等缺陷。这些缺陷有些在铸件的内部，有些在铸件的表层，造成无损检测时很难满足技术条件的要求。且该合金铸态下经过大量的焊接后，有时还会加重铸件的变形。

因此，提升铸态K4169高温合金铸件的尺寸精度、提升铸件的冶金质量对于提升大型机匣铸件的制造质量，加快生产研制周期以及提升生产研制效率有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形的方法，针对铸态K4169高温合金大型薄壁环形铸件在制造过程中尽管采取了诸多防止铸件变形的措施，但由于铸件结构尺寸大，壁厚相差悬殊，因此铸件浇注后通常会出现一定程度的变形等问题，通过改变传统的制造技术，采用加热的方式促使铸件反变形，从而达到铸件变形后的矫正目的。

本发明的技术方案是：

一种解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，取消铸件的补焊工序，依据金属变形的原理，采用局部加热的方式，造成铸件出现反方向的变形，从而通过变形矫正处理达到解决铸件变形的目的。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，大型薄壁环形铸件为航空发动机用薄壁机匣铸件和扩压器铸件。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，铸件的变形矫正处理在固溶状态下进行。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，具体步骤如下：

（1）铸件在变形后出现长轴和短轴的现象，找到最长轴和最短轴的对应点，在铸件上标记为：A轴、B轴；

（2）测量最长轴两侧附近与设计要求相符的尺寸点C、D、E、F，在铸件上作好标记，最长轴一端两侧标记为C、D，最长轴另一端两侧标记为E、F；

（3）根据铸件变形量的大小，制定合适的保温时间；当变形较大时，直径差在5mm以上，保温时间要达到5min～8min；当变形较小时，直径差在小于5mm时，保温时间要达到3min～5min；

（4）加热在铸件的C、D点之间及E、F点之间进行，加热要均匀，最长轴的点处温度高些，加热的温度控制在1050℃±50℃之间，变形大时偏上限，变形小时偏下限；

（5）加热保温后，直接在空气中冷却，使铸件的局部热处理接近铸件的固溶处理状态。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，因铸件热矫正处理是铸件修整工序的内容，在铸件热矫正后进行一次固溶处理，在保护性气氛下，加热到800～1000℃保温1～2h，以400℃/h～500℃/h冷却速率炉冷至755℃，空冷消除铸件局部的热应力。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，采用乙炔氧气的加热方式对铸件C、D中间区域进行加热，加热温度控制在1000～1100℃之间，C、D两点处的温度低于中间部位的温度。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，采用乙炔氧气的加热方式对铸件E、F中间区域进行加热，加热温度控制在1000～1100℃之间，E、F两点处的温度低于中间部位的温度。

所述的解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形方法，通过采用铸件局部加热的方式对大型薄壁环形铸件的尺寸矫正，对于环形铸件出现椭圆变形时，对铸件的长轴以及长轴两端附近区域进行加热处理，减小铸件的变形；当弯曲的金属在加热后，由于金属内部的原子密度不同，曲率大的部位原子密度大于曲率小的部位原子密度，经过高温的原子扩散，最终趋向于金属内部的原子间距接近，因此外径方向的膨胀始终小于内侧方向的膨胀。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明在铸件变形后加热的部位、加热的温度、加热的方式、加热后的冷却方法等方面加以改进，通过对铸态K4169高温合金铸件尺寸变形部位采用局部加热处理，然后进行快速冷却的方式促使铸件尺寸向着反变形的方向发展，从而实现了铸件变形的矫正。由于铸件的局部加热温度不高于铸件均匀化处理温度，铸件变形处理后还要经过固溶处理，因此采用此技术对铸件的整体质量没有影响，但对于提升铸件的尺寸精度却有着重要的意义。

2、本发明K4169高温合金大型薄壁环形铸件作为航空发动机大型机匣类零件的制造技术，可以渗透到各个机种。该类铸件的成功交付，对于开展各种新型发动机的研制，提升我国的国防能力，有着重要的意义。

3、本发明K4169高温合金大型薄壁环形铸件作为航空发动机大型机匣类零件，其单件价值在20万～100万之间。如果生产交付10件合格铸件，其价值就可达到200万～1000万之间，有着显著的经济效益。

附图说明

图1（a）-图1（b）为K4169高温合金扩压器的结构示意图。其中，图1（a）为局部横截面放大图；图1（b）为立体图。

图2（a）-图2（b）为K4169大型薄壁机匣的结构示意图。其中，图2（a）为局部横截面放大图；图2（b）为立体图。

图3为K4169大型薄壁机匣铸件1/4局部示意图。

图4为K4169高温合金扩压器铸件尺寸变形示意图。

图5为K4169大型薄壁机匣铸件矫正前的示意图。

图6为K4169高温合金扩压器铸件成品示意图。图中，1内环，壁厚2.0mm；2外环，壁厚2.0mm；3支板，壁厚2.0mm。

图7为K4169大型薄壁机匣铸件成品示意图。图中，1内环，壁厚2.0mm；2外环，壁厚2.0mm；3支板，壁厚2.0mm。

具体实施方式

如图2（a）-图2（b）所示，K4169大型薄壁机匣铸件由外环、内环及支板组成，图中箭头所示C部位壁厚仅2.0mm。铸件最大轮廓尺寸960mm，高度190mm，是典型的大型薄壁机匣结构件。该件采用K4169高温合金铸造，具有在中温下长期工作的能力，有较好的抗高温蠕变及高温持久能力。

本发明解决K4169高温合金大型薄壁环形铸件椭圆变形的方法，取消铸件的补焊工序，依据金属变形的原理，采用局部加热的方式，造成铸件出现反方向的变形，从而达到解决铸件变形的目的，具体如下：

（1）铸件的组织结构

铸态K4169高温合金铸件是在均匀化处理、固溶处理和时效处理的状态下发出加工的，其热处理参数如表1所示。

铸件经过均匀化处理后，组织结构为六面体的面心结构奥氏体组织，成分偏析的现象减少，成分中的有害项部分溶入到基体组织中，整体组织趋于均匀。铸件经过固溶处理后，性能得到进一步的提升。时效处理是在铸件加工后进行的，目的是通过高温合金的析出相进一步提升合金的使用性能。铸件的焊接、变形矫正处理都是在固溶状态下进行的，铸件加工时效后不能采用热矫正的方法，否则铸件的力学性能将明显下降，达不到使用的性能要求。

表1

（2）铸件矫正的力学原理

如图3所示，从高温合金大型薄壁机匣铸件l/4局部示意图可以看出，箭头所指的方向G可以看作是铸件长轴方向。当对铸件A、B、C、D中间区域进行加热后发现，铸件内外环的曲率变小了，既铸件的内外环有向伸直方向发展的趋势。经检测，铸件的A、B、C、D各点都有远离中心的趋势，在加热1050℃左右然后空冷的情况下，A、B、C、D各点偏离原有位置都达到了5mm以上，最大可以偏离7mm。这一现象的产生是由于铸件在加热后，内外部膨胀不均造成的。当弯曲的金属在加热后，由于金属内部的原子密度不同，曲率大的部位原子密度大于曲率小的部位原子密度，经过高温的原子扩散，最终趋向于金属内部的原子间距接近，因此外径方向的膨胀始终小于内侧方向的膨胀。

（3）铸件的矫正试验

如图4所示，高温合金扩压器件最大尺寸604mm，高度80mm，最小壁厚2.0mm。图中箭头显示的尺寸变形的情况。从图中可以看出，铸件在相对垂直的方向出现了变形，长轴比短轴尺寸多出了3.8mm。A轴经三坐标检测，左侧部位尺寸大出2.1mm，右侧部位尺寸大出1.7mm。

矫正方案实施：在铸件A轴部位标记出C、D点的位置，该两点的尺寸应当与铸件的理论尺寸相当，略大一些。采用乙炔氧气的加热方式对铸件C、D中间区域进行加热，加热温度控制在1000～1100℃之间，C、D两点处的温度略低于中间部位的温度。在加热温度趋于一致时，保温5～8min为宜。E、F两点间尺寸超差略小于C、D两点间，采用同样的方法在E、F两点之间的区域加热，但保温时间应控制在3min～5min为宜。铸件局部加热后，均采用空冷的方式冷却，由于铸件内外环的间距不大，因此铸件局部加热时，应采用内外部同时加热的方式进行。

采用该方法进行铸件的矫正，避免了K4169高温合金的焊接缺陷，经过X光射线检测，荧光渗透液表面检测，该种矫正方法没有产生其它的内、外部冶金缺陷。

采用该方法对铸件进行矫正后，经过三坐标测量，A轴C、D之间尺寸比铸件的理论尺寸仅大出0.4mm，E、F之间尺寸比铸件的理论尺寸仅大出0.3mm，而B轴的尺寸增长了3.0mm，铸件的矫正得到了较好的验证，可以满足了加工的要求。

（4）大型薄壁环形铸件热矫正技术的应用

通过采用铸件局部加热的方式对大型薄壁环形铸件的尺寸矫正，可以得出结论，既对于环形铸件出现椭圆变形时，对铸件的长轴以及长轴两端附近区域进行加热处理，可以减小铸件的变形。

如图5所示，在发动机涡轮后机匣铸件矫正处理前，A轴直径尺寸903mm，B轴直径尺寸898mm，直径差5mm，出现了椭圆变形。经过三坐标检测，C、D、E、F各点到中心的距离相差不大，于是对C、D中间区域和E、F中间区域进行加热处理，处理的温度为1000℃～1100℃之间，保温时间在6min左右，然后在空气中冷却。经过这样的处理，经检测，A轴直径尺寸由903mm降低到901.2mm，B轴直径尺寸由898mm增加到900.4mm，解决了铸件的椭圆度变形问题。

在未采用该方案以前，大型薄壁环形铸件一旦出现椭圆变形时，往往是焊接短轴的外侧，焊接长轴的内侧。因铸件的热变形遵循铸件的热膨胀理论，因此有时焊接后反而加大了铸件的变形量，必须通过增加焊接厚度保证铸件的加工量，有时要通过多次焊接才能满足加工需求。这样的做法，还将造成铸件其它部位的变形。此外，由于多数的高温合金均含有相当的A1、Ti成分，因此，焊接后铸件的冶金质量也难保证，实践中经常发现在铸件的焊接区域有一定的夹渣及疏松冶金缺陷，个别时还有焊接的裂纹产生。采用本发明方法后，最多两次矫正便可大大减小铸件的椭圆变形，同时因为没有焊接过程，因此不会带来其它的副作用。现场对大型薄壁环形结构件处理了3件，单件价值都在50万左右，处理的结果确保了铸件的合格加工，满足了发动机配套的计划要求。

如图6、图7所示，高温合金扩压器铸件和大型薄壁机匣铸件均采用K4169高温合金精密铸造，其中高温合金扩压器单件价格在30万以上，K4169大型薄壁机匣单件价格在60万以上。

该类铸件的特点都是由内环1、外环2加支板3组成，内环1、外环2之间通过支板3连接，内环1、外环2和支板3的最小壁厚都是2.0mm，属于非加工部位。铸件的外环尺寸均在600mm～1000mm之间，其中内环1、外环2的上下端面是加工配合部位。铸件出现变形往往就是在内、外环的加工部位，因此确保铸件满足加工要求，确定合理的矫正方法是十分重要的。

如果铸件是非磕碰伤造成的铸件变形，则铸件在变形后必然出现长轴和短轴的现象(局部焊接造成的热变形除外)。但发现铸件出现变形后，首先要找到最长轴和最短轴的对应点，然后在铸件上作好标记(图中的A、B轴)。然后，测量最长轴两侧附近与设计要求相符的尺寸点C、D、E、F，在铸件上作好标记。再根据铸件变形量的大小，制定合适的保温时间。一般变形较大时(直径差在5mm以上)，保温时间要达到5min～8min。当变形较小时(直径差在小于5mm)，保温时间要达到3min～5min。加热在铸件的C、D点之间及E、F点之间进行，加热要均匀，最长轴的点处温度可以适当高些，加热的温度控制在1050℃±50℃之间，变形大时可以偏上限，变形小时可以偏下限。加热保温后，直接在空气中冷却，使铸件的局部热处理接近铸件的固溶处理状态。

因铸件热矫正处理是铸件修整工序的内容，在铸件热矫正后应当进行一次固溶处理，在氩气保护下，加热到955℃保温1h，以400℃/h或更快速率炉冷至755℃，空冷消除铸件局部的热应力。

实施例结果表明，本发明通过对铸态K4169高温合金铸件尺寸变形部位采用局部加热处理，然后进行快速冷却的方式促使铸件尺寸向着反变形的方向发展，从而实现了铸件变形的矫正。由于铸件的局部加热温度不高于铸件均匀化处理温度，铸件变形处理后还要经过固溶处理，采用此技术对铸件的整体质量没有影响，对于提升铸件的尺寸精度有着重要的意义。