熔模精铸K4169合金复杂薄壁件缺陷预测与实验研究

Defect prediction and experimental study on investment casting of K4169 superalloy complex thin-walled parts

摘要

采用ProCAST有限元软件对K4169镍基高温合金复杂薄壁类铸件熔模精铸的充型、凝固过程进行数值模拟，分析铸造过程中的温度场，对缺陷的形成进行预测，并使用相同的工艺参数对复杂薄壁铸件进行浇注，对其缩松水平、显微组织和拉伸力学性能进行研究。结果表明：在浇注温度为1530 ℃、模壳预热温度为1000 ℃时，金属液充型平稳，凝固过程符合顺序凝固原则，铸件整体缺陷较少；统计不同部位的显微缩松平均体积分数，最高约为1.01%；薄壁区域的二次枝晶间距最小约为18.4 μm，厚大部位的二次枝晶间距最大为38.8 μm；K4169合金的铸态组织为树枝晶组织，经过标准热处理后枝晶长大、变粗，晶粒内树枝晶形貌已不明显；标准热处理态K4169合金的平均室温抗拉强度为785.0 MPa，平均屈服强度为659.7 MPa，平均断后伸长率为13.9%，缩松水平会显著影响抗拉强度、屈服强度两项指标，但伸长率变化不明显。

Abstract

The filling and solidification processes in investment casting of typical K4169 nickel-based superalloy complex thin-walled casting are simulated by ProCAST finite element software.The temperature field during the casting process is analysed to predict the formation of defects. The complex thin-walled casting is produced by investment casting with the same process parameters， and its shrinkage level， microstructure， and tensile mechanical properties are studied.The results show that when the pouring temperature is 1530 ℃ and the preheating temperature of the mold shell is 1000 ℃， the filling of the molten metal is stable. The solidification conforms to the principle of sequential solidification. The overall defects of the casting are less； the micro-shrinkage average volume fraction of different parts is counted， and the highest is only 1.01%； the minimum secondary dendrite arm spacing（SDAS） in the thin-walled region is only 18.4 μm， and the maximum secondary dendrite spacing in the thick part is 38.8 μm； the as-cast microstructure of K4169 alloy is dendritic structure. After standard heat treatment， the dendrites grow and coarsen， and the dendritic morphology in the grains is not obvious. The average room temperature tensile strength of the standard heat-treated K4169 alloy is 785.0 MPa， the average yield strength is 659.7 MPa， and the average elongation is 13.9%. The difference in shrinkage porosity level significantly affects the tensile strength and yield strength， but the elongation change is not obvious.

Graphical abstract

关键词

数值模拟 / 熔模精铸 / 镍基高温合金 / 复杂薄壁铸件 / 显微缩松

Key words

numerical simulation / investment casting / nickel-based superalloy / complex thin-walled casting / micro-shrinkage

随着国产航空发动机制造技术的进步以及国家发展的整体战略需求，对航空类高温合金零部件的技术要求也越来越高。目前，此类零部件的结构正朝着复杂化、薄壁化、精密化的趋势发展，以达到提高整体性能、实现结构减重和高可靠性的目的^［1-4］。而镍基高温合金机匣类铸件作为航空发动机的热端类部件，结构复杂多变，工件内外部可能存在多层结构或是布置有纵横交错的加强筋、凸台，制造难度大，但其结构和性能却对发动机性能的提升起到了极为关键的作用。在工业生产中，这类零部件通常采用熔模精密铸造技术成形。作为发动机结构件的主流制造技术，运用此技术生产出来的铸件尺寸精确度高、表面粗糙度低，能够达到近净成形的目标^［5-7］。虽然镍基高温合金机匣类零部件的熔模铸造工艺已日益成熟，但其浇注系统设计过程繁琐，在铸造过程中不可避免地产生内部缺陷，例如缩松、缩孔、夹渣等^［8］。近年来，针对熔模铸造相关工艺的数值模拟技术得到迅速发展，相关模拟技术和商业软件在实际生产中被广泛应用，其简化了铸造工艺的设计、检验过程，降低了生产成本和周期^［9-11］。戚翔等^［12］采用ProCAST软件对K4169高温合金机匣的热控凝固工艺过程进行了数值模拟，发现模壳散热是铸件产生缩松、缩孔的主要原因。郑博远等^［13］采用ProCAST软件对K439B高温合金薄壁机匣实验件的熔模铸造工艺进行了模拟，分析了充型、凝固过程的温度场和固相分数，预测了缺陷的分布，并对其浇注系统进行优化，得到了冶金质量良好的铸件。鄯宇等^［14］利用ProCAST软件的CAFE模块对K439B高温合金框型铸件的熔模精铸过程进行了宏观数值模拟，并对实际铸件进行EBSD分析，通过对比分析验证了所建宏微观模型的准确性。上述研究结果表明，通过数值模拟手段可以有效预测镍基高温合金熔模铸造缺陷，并可采取数值模拟与实验相结合的方法来指导实际铸造生产。高温合金机匣类铸件常用合金为K4169，其在650 ℃下具有优异的综合性能，能够满足铸件易于充型和补焊、高承力的要求，已被广泛应用到各种航空发动机的整体铸造机匣及相配合的零部件上^［15］。但关于K4169合金复杂薄壁类铸件的缺陷预测与实际铸件的对比研究较少，针对复杂薄壁类铸件的相关铸造工艺还在不断实验和完善中。

本工作采用数值模拟与工艺实验相结合的方法，利用ProCAST软件对K4169高温合金复杂薄壁类铸件熔模铸造的充型、凝固过程进行模拟，分析铸造过程中流场、温度场等，确定铸件易产生缩孔、缩松缺陷的部位。完成数值模拟后，使用相同的工艺参数对复杂薄壁铸件进行实际铸造生产，通过X射线探伤检测评估铸件的成形质量。最终，对铸件的特征部位进行取样，统计铸态试样的显微缩松水平，并对铸态试样进行标准热处理，分析热处理前后的显微组织变化，对比不同状态和不同缩松水平部位的拉伸性能，旨在为K4169镍基高温合金复杂薄壁铸件的生产提供技术参考，推动镍基高温合金熔模铸造工艺向高效率、高质量发展。

1 实验

1.1 有限元数值模拟

1.1.1 模型建立

图1为铸件的三维模型及网格划分图。该铸件结构较为复杂，属于典型的复杂薄壁类铸件，通过UG软件对其进行建模，三维模型如图1（a）所示。铸件的高度为150 mm，最大外径为246 mm，最小外径为125 mm，典型薄壁区域壁厚为1.5~3.5 mm。铸件内部为多层结构，每一层均从外侧薄壁进行延伸，存在较多截面积突变的位置，外部还分布着一些由薄壁组成的沟槽以及实心凸台。

综合考虑计算精度及仿真效率等因素，将铸件模型导入ProCAST软件Visual-Mesh模块中，根据不同的部位划分不同大小的网格。图1（b）为铸件的网格划分结果，浇注系统部分的网格长度为3 mm，铸件本体网格尺寸相对细化，网格长度为1.2 mm。图1（c）为模壳的网格划分结果，设置模壳厚度为10 mm。网格划分完成后，最终生成的面网格数量为596822，体网格数量为3965256。

1.1.2 模拟参数设置

铸件材料采用K4169镍基高温合金，模壳材料为莫来石与熔融石英混合，厚度为10 mm，热物性参数均从ProCAST数据库中选取。根据软件中的边界条件数据库，将铸件与模壳的界面换热系数定义为随温度变化，液相线温度以上换热系数为1500 W·m^-2·K^-1，固相线温度以下换热系数为400 W·m^-2·K^-1，液相线温度和固相线温度之间呈线性变化，如图2所示。模壳与环境对流换热系数为20 W·m^-2·K^-1，模壳与环境的辐射系数为0.8，环境温度为20 ℃。根据经验确定工艺参数的初始值，设置浇注温度为1530 ℃，模壳预热温度为1000 ℃，浇注时间为5 s。

1.2 实验材料及实验过程

完成铸造数值模拟后制备模壳，并进行浇注以获得实际铸件，所采用的K4169合金的化学成分如表1所示。浇注完成后，对铸件进行X射线探伤检测，分析铸件的缩孔、缩松缺陷分布。针对铸件的不同特征位置进行显微缩松、微观组织和拉伸性能分析。根据模拟结果在铸件本体上选取8个特征位置（试样1~8），每个位置取两组坯料，一组为铸态，一组为热处理态，分别对其取组织试样和拉伸试样。选择HB/Z 140—2004中K4169合金的标准热处理工艺规范对合金进行热处理，工艺流程为：1095 ℃/2 h/空冷+955 ℃/1 h/空冷+720 ℃/8 h，以56 ℃/h的速度炉冷至620 ℃/8 h/空冷。

依次使用240，400，800，1200，2000目水研磨砂纸对组织试样进行研磨，再分别使用1，0.3，0.1 μm的金刚石抛光膏将试样抛光至镜面，使用无水乙醇清洗并干燥，最终将试样放入经过水浴加热的腐蚀液（4 g氯化铜+50 mL浓盐酸+50 mL酒精+45 mL去离子水）中浸蚀，时间40~60 s。使用BX51M型金相显微镜进行显微组织观察，统计显微缩松体积分数和二次枝晶间距（secondary dendrite arm spacing，SDAS）。显微疏松体积分数统计方法参考HB 20058—2011，每个试样拍摄4张50倍OM照片，用Image-Pro Plus软件统计体积分数并计算平均值。二次枝晶间距采用截线法进行测量，每个部位的金相图片选取5个枝晶干（每个枝晶干上应至少包括20个二次枝晶），用Image-Pro Plus软件测量并计算平均值。使用FEI Quanta 450型扫描电镜观察枝晶间的析出相和拉伸断口。根据显微缩松体积分数的统计结果，选取缩松水平最高和最低的部位取拉伸性能试样，力学拉伸实验在Zwick Z250拉伸机上进行，拉伸试样参考GB/T 228—2002，拉伸结果取3根试样的平均值。

2 结果与分析

2.1 充型与凝固分析

通过数值模拟获得铸件充型、凝固过程中不同时刻的速度场和温度场。铸件充型过程不同充满度时的速度场模拟结果如图3所示，与图3相对应的温度场的模拟结果如图4所示。可知，当充满度为12.6%时，金属液充满下部主浇道，随后分流进入下部浇注系统。当充满度为48.4%时，金属液开始填充铸件，最先进入下法兰，金属液前端的速度为0.28~0.37 m/s。当充满度为58.1%时，下法兰已经完成填充，金属液继续向上流动填充倾斜薄壁区域。当充满度为66.6%时，金属液进入中部环形浇道，最终在铸件中部汇流。当充满度为86.5%时，金属液平稳向上充型，填充竖直的三层薄壁区域。最后，薄壁区域完成充型，上部浇注系统填充完整，充型结束。铸件整体充型时间为6.5 s，且充型金属液最低温度均高于液相线温度，这就说明模壳中金属液有较好的流动性，浇注温度及模壳预热温度设置合理。

铸件热模数分布的模拟结果如图5所示。可以看出，铸件底部的热模数范围为0.25~0.35 cm，下部倾斜薄壁和上部竖直薄壁区域的热模数较低，范围在0.09~0.19 cm之间。这是由于铸件壁厚的下部和上部壁厚较小，且表面积大，散热较快，中部壁厚最大，散热较慢。对于大型薄壁铸件，由于壁厚小，散热表面积大，使得整体热模数较低，直接影响铸件的凝固过程。

在凝固过程中，金属液由于其特性进行补缩，可能会导致缩松、缩孔等缺陷。铸件存在较多薄壁结构，在充型过程中这些部位由于散热较快，最先开始凝固。图6为铸件不同时刻的固相分数分布。可以看出，铸件整体凝固过程遵循从顶部向下、从外部向内的顺序。充型时间为28.1 s时，铸件顶部的两层薄壁最先凝固，在外层薄壁区域添加了补缩冒口，外层薄壁在压力的作用下凝固，冒口也起到一定的补缩效果。随后，铸件按照从顶部向下、由薄壁到厚壁的顺序凝固。当充型时间为153.1 s时，铸件的上下薄壁区域基本冷却，中间厚壁部位从外向内逐渐冷却。当充型时间为340.5 s时，铸件上部与上部主浇道相连的最内层壁面最后凝固，为铸件本体最后凝固的部位。

2.2 缺陷分析

铸件的缩松缺陷模拟结果如图7所示。可知，尺寸较大的缺陷主要分布在上下主浇道和环形浇道中，但也有几个较大的缺陷位于铸件中部的变截面区域。对仿真结果进行分析，缺陷产生的原因主要为：中部变截面区域属于厚大区域，并通过横浇道与下主浇道相连，主浇道有蓄热作用，同时薄壁区域在这里交汇，壁厚薄的区域先凝固，该区域降温速度落后于上下薄壁区域，形成孤立的液相区，金属液补缩不足。铸件下部的法兰结构虽然壁厚也较大，但有浇道与其相连，可以得到有效的补缩，难以形成宏观缩松。铸件顶部内层的厚壁区域是铸件最后凝固的部位，其同样通过横浇道与上主浇道相连，但其位于铸件顶部，得到下主浇道的补缩作用较好，缺陷较少。

使用相同的工艺参数，对复杂薄壁铸件进行实际的铸造生产，并对其进行X射线探伤检测以验证工艺设计的合理性。切除浇注系统后，铸件不同部位X射线探伤结果如图8所示。可以看出，图8中未发现明显的裂纹和大的缩孔缺陷，在局部位置有少量缩松存在。X射线探伤结果与模拟仿真结果吻合，进一步验证参数选择的准确性。

2.3 合金组织及性能分析

2.3.1 金相组织分析

熔模精铸K4169高温合金复杂薄壁件试样取样及位置示意图如图9所示。铸态试样1~8的显微缩松典型OM像和缩松水平的对比折线图如图10所示。可知，采用定量金相法统计的试样1~8的显微缩松平均体积分数分别为0.17%，0.23%，0.36%，0.86%，1.01%，0.11%，0.15%，0.18%。铸件整体的缩松水平较低，试样4属于渐缩的变截面区域，试样5属于厚壁区域，在凝固时可能因为金属液来不及补充，最后凝固而产生显微缩松，显微缩松平均体积分数较高，这与数值模拟的趋势相匹配。

图11为铸态试样1~8的金相组织OM像和二次枝晶间距的对比折线图。可以看出，铸态条件下不同特征结构部位均为树枝晶组织，但二次枝晶臂的尺寸发生显著变化，壁厚较小的部位树枝晶较细密。由试样1~8对比折线图可知，其SDAS分别为34.1，38.7，29.7，31.5，34.6，21.4，18.4，38.8 μm。二次枝晶间距与铸件的冷却速度、局部凝固时间有关^［16］。在凝固过程中，试样3，6，7属于薄壁区域，其厚度均小于3 mm，冷却速度快，合金处于固液两相区时间短，二次枝晶间距较小。试样1，2，4，5，8属于厚壁区域，厚度大于5 mm，冷却速度慢，合金处于固液两相区时间长，造成二次枝晶间距的增大。

图12为标准热处理试样1~8的金相组织OM像。与铸态合金相比，可以看到明显的晶界。枝晶开始长大，一次枝晶臂变粗，二次枝晶臂变粗、变短，晶粒内树枝晶形貌已不明显，组织中沿晶界、枝晶间及MC碳化物周围出现一种针状相^［17］。图13为不同状态K4169合金显微组织的SEM像。图13（a）为铸态K4169合金的显微组织，可知枝晶间存在较多的析出相。岛状（内部细网状）、块状的Laves脆性相在枝晶间聚集，周围有一些针状的δ相和透镜状的γ″存在。除此之外，还有点条状、块状的MC碳化物随机分布。图13（b）为经过标准热处理后的K4169合金显微组织，发现分布在枝晶间的Laves脆性相基本固溶分解，γ″相经过长期时效转变为δ相，出现更多针状分布的δ相。

2.3.2 力学性能分析

图14为不同状态和不同缩松水平K4169合金的拉伸力学性能。由图14（a）可知，铸态试样的平均屈服强度（yield strength，YS）为481.4 MPa，平均抗拉强度（tensile strength，TS）为673.3 MPa，平均断后伸长率（elongation，El）为23.7%。这是由于铸态K4169合金枝晶间存在着大量的Laves脆性相，拉伸过程中容易产生大的应力集中，在有应力变化时，Laves相与基体之间的相界面处产生局部裂纹，裂纹扩展形成断裂^［18-20］。经过标准热处理后，合金的抗拉强度和屈服强度大幅提高，塑性下降，平均屈服强度为659.7 MPa，平均抗拉强度为785.0 MPa，平均断后伸长率为13.9%。经过标准热处理后的K4169合金元素偏析程度减小，呈岛状析出在枝晶间的Laves相几乎固溶消失，强化相的分布更加均匀，数量更多^［21］。塑性的大幅度降低是因为，沿晶界密集分布的细长针状δ相是有害相，在δ相周围会形成γ″相贫化区，此贫化区非常薄弱，在断裂过程中成为潜在的断裂源，贫化区中δ相会逐渐导致微孔的形成，进而使得合金的塑性降低^［19］。

由图14（b）铸件不同缩松水平部位的拉伸性能可知，低缩松水平部位比高缩松水平部位的屈服强度提高了10.2%，为506.3 MPa，抗拉强度提高了11.4%，为711.2 MPa，断后伸长率差别较小。试样的屈服强度、抗拉强度与缩松水平有着较好的对应关系，这是因为试样在受到应力作用时，缩松、缩孔的存在会减少其有效受力面积，从而在缺陷处产生应力集中现象，发生断裂^［22-23］。试样的断后伸长率对缩松水平不敏感，一方面，是因为铸件的缩松水平差别较小，最高和最低仅相差0.9%；另一方面，断后伸长率与缩松水平的关系不仅取决于缩松面积，还与缩松的分布特性有关，缩松面积越大，缩松分布越集中，断后伸长率越小^［24］。

图15为不同状态拉伸试样的断口形貌。如图15（a）所示，铸态K4169合金断口形貌宏观上看高低不平，分布着一些孔洞，微观上可以发现有大量圆形等轴韧窝存在，韧窝大而深，边缘有撕裂棱，表现为韧性穿晶断裂。热处理态K4169合金的断口形貌如图15（b）所示，断口宏观上较为平整，分布着较多大的孔洞，在高倍下观察发现韧窝明显变浅、变小，断口中还发现一些光滑断面，表现为塑性的降低，总的来说仍为韧性穿晶断裂。K4169合金变形过程中的孔洞主要形核于碳化物以及热处理过程中析出的δ相周围，δ相对孔洞的形成起到重要作用。

3 结论

（1）利用ProCAST有限元软件，通过分析铸造过程中金属液的温度场以及模壳散热情况，对铸件缺陷的形成进行预测。在浇注温度为1530 ℃、模壳预热温度为1000 ℃的条件下，铸件凝固过程基本符合从底部向上、从外部向内的顺序，充型平稳。X射线探伤和定量缩松统计结果显示铸件成形质量较好，整体的缩松水平较低，缩松平均体积分数最高约为1.01%，缩松水平的分布趋势与数值模拟结果相吻合。

（2）合金的铸态组织均为树枝晶组织，不同区域的组织形态差别不大，但二次枝晶臂的尺寸发生显著改变。冷却速度快的部位二次枝晶间距较小，最小为18.4 μm，冷却速度慢的部位二次枝晶间距较大，最大为38.8 μm。试样经过标准热处理后，枝晶开始长大，枝晶臂变粗，晶粒内树枝晶形貌已不明显。

（3）合金经过标准热处理后，室温力学性能得到提升，平均室温抗拉强度为785 MPa，平均屈服强度为659.7 MPa，平均断后伸长率为13.9%。低缩松水平较高缩松水平试样的屈服强度和抗拉强度均有提高，但断后伸长率几乎没有变化，说明缩松水平显著影响抗拉强度和屈服强度两项指标，但对断后伸长率不敏感。

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国家科技重大专项（J2019-Ⅵ-0004-0117）

上海市Ⅲ类高峰学科—材料科学与工程（高能束智能加工与绿色制造）

上海市产业发展项目(HCXBCY-2023-065)

上海市产业协同创新项目(XTCX-KJ-2022-41)