李彬，廖慧敏*，郑雨杭，陈亚欣，曾 明*，吴勤明，杨 勇
（1.西华大学材料科学与工程学院,四川 成都 610039；
2.成都新航工业科技有限公司,四川 成都 611730）
叶轮是离心泵、压缩机等的核心工作部件，工况环境复杂，具有高精度、无缺陷等高质量要求，同时还需具备良好的机械性能[1-3]，但其往往具有复杂曲面的叶片和内腔结构，铸造难度大，如通过传统的模具成型模样，会出现设计制造周期长、制造成本高等问题，甚至无法实现模具的开模。3D 打印技术作为一项增材制造技术，通过三维建模可任意打印模样，不受形状限制，效率高、周期短，对复杂铸件制备模样提供了巨大帮助[4]。
本文将3D 打印技术与石膏型精密铸造相结合，利用选区激光烧结技术（SLS）制备叶轮模样，通过ProCAST 软件对铸件铸造工艺进行模拟仿真，验证铸造工艺的合理性，再利用真空加压浇注获得合格叶轮铸件，并研究热处理对铸件性能的影响。
本文研究的石膏型精密铸件为某发动机用于输送燃油的叶轮，由叶片、轮盘和轮盖组成，结构如图1 所示。零件材质为ZL105A，最大外径φ127 mm，最小内径φ60 mm，高50 mm，零件壁厚不均，最小壁厚仅为1.5 mm，属于上下厚中间薄的结构，零件不允许出现缩孔、缩松等缺陷，其余需按照HB 963-2005 Ⅱ类铸件进行验收。
图1 叶轮零件三维图Fig.1 Three dimensional diagram of impeller parts
由于叶轮结构复杂，开模需耗费大量时间及经济成本，并且叶轮的叶片具有复杂的几何曲面，传统的模压成型很难制备出这种曲面结构。叶片的数量更是多达11个，如要利用模具成型，则需设计出对应的抽芯机构，如此复杂的模具显然不可能实现。因此，叶轮的模样只能利用3D 打印技术制备。
2.1 打印工艺分析
SLS 打印精度高、成型速度快，其原理如图2所示。打印时，激光按照特定路径对成型粉末进行扫描，使其熔融并黏接在一起，待当层薄层烧结完毕后，工作缸下沉，推板送入一层新粉末覆盖在烧结好的片层上，激光继续扫描，逐步打印出模型[4]。
图2 SLS 原理图[4]Fig.2 The schematic diagram of SLS[4]
由于SLS 是以点的形式进行扫描，受到激光功率、铺粉层厚和扫描速度等的综合影响[4]，SLS制品通常表面质量较差，内部存在较多的孔洞，并且各打印层之间的黏接相对薄弱，力学性能较差[5]。为提升铸造模样的性能，满足石膏型铸造的要求，试验对模样的成型位置及浸蜡工艺进行了研究，设计了试样的3 种成型位置，如图3 所示。
图3 试样成型位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the sample molding position
2.2 打印工艺
本文采用AMA-620Ⅱ型号的SLS 打印机进行打印，选取激光功率40 W，打印层厚0.15 mm，以3 000 mm/s 的速度进行扫描。打印材料选择为PS 粉末，浸蜡选择半精炼石蜡，蜡温控制在72 ℃左右，待模样浸入石蜡液中不再产生气泡时，即完成浸蜡处理。对浸蜡前后的试样分别按照GB/T 9341—2008 和GB/T 1843—2008 进行抗弯试验和冲击试验，结果如表1 所示。
表1 试样力学性能对比Tab.1 Comparison of mechanical properties of samples
据表1 可知：试样的成型位置会对成型后的强度产生影响，其中平放试样的抗弯强度最高，侧放次之，立放最低；
抗冲击强度大小顺序为侧放>平放>立放。以抗弯强度为例，如图4(a)所示，平放试样在进行抗弯试验时，压头所施加的力垂直于打印面，PS 颗粒黏接较好，故抗弯强度相对较高。对于侧放和立放试样而言，其是黏接较弱的打印层接触面受到弯矩的作用，如图4(b)和(c)所示，因此强度较弱。由于立放试样的扫描截面最小，造成黏接薄弱的打印层接触面积进一步减小，受力时更易被破坏，故强度最弱。分析可知，试样力学性能强弱取决于受力面是否为打印面。
图4 抗弯试样受力示意图Fig.4 Force diagram of bending specimen
通过表1 对比试样浸蜡前后的力学性能可以发现，与未浸蜡的试样相比，浸蜡后的平放、侧放和立放试样的抗弯强度分别提高了约112%、94%和49%，抗冲击强度分别提高了约38%、30%和34%，说明浸蜡工艺能够明显改善试样的力学性能。进一步利用扫描电镜对SLS 试样内部质量进行分析，所得试样微观形貌如图5 所示。从图5(a)可知，试样内PS 颗粒间的接触点较多，但烧结颈较小，内部存在较多的孔洞，试样不致密是导致其强度较低的主要原因。浸蜡后的试样如图5(b)所示，试样内部的孔洞被石蜡充填，试样致密度提高，因此其强度得以提升。
图5 试样微观形貌Fig.5 Microscopic morphology of the sample
为研究浸蜡的效果，试验对正方体的SLS 未浸蜡试样进行密度计算，得到未浸蜡试样的密度约为0.416 g/cm3，而PS 材料的密度为1.05 g/cm3，计算可知试样内部的孔隙率达到了60.38%。石蜡填充率的计算式如下：
式中：D为石蜡填充率；
ρ浸为浸蜡试样密度，g/cm3；
ρ未为未浸蜡试样的密度，g/cm3；
ρ蜡为石蜡密度，取0.9 g/cm3；
n为试样孔隙率。利用排水法对浸蜡试样密度进行测量，得到浸蜡试样密度为0.921 g/cm3，代入式（1）可得石蜡的填充率为92.93%。
2.3 模样打印
基于上述分析，由于叶轮的叶片形状复杂、整体较薄，在搬运、灌浆等过程中最容易被破坏，因此打印时应使叶片保持竖直方向的堆叠，以保证叶片在灌浆时可较好地抵御石膏浆料竖直方向的冲击，避免灌浆时破坏模样。其次，为保证石膏型铸造的表面精度，进一步提升模样性能，叶轮模样在打印后同样需要进行浸蜡处理，最终经修整后得到的PS 叶轮模样如图6 所示。由图可见模样形状完整，内腔细小台阶及复杂形状的导叶片均完整成型。利用TR200S 型便携式表面粗糙度仪进行模样粗糙度检测，叶轮模样平均表面粗糙度可达2.3 μm，表面质量较高。
图6 叶轮模样Fig.6 The pattern of the impeller
3.1 工艺设计
石膏型的浇注系统必须保证排气优良且要能调整铸件的凝固顺序，故本文利用浇口杯补缩容量法对浇道尺寸进行设计[6]。根据叶轮上下厚中间薄的结构特点，选取顶注式的横浇道-内浇道式浇注系统。内浇道共设计4根，其中轮盖顶部两根，轮盘侧壁两根，截面尺寸为14 mm×11 mm，横浇道的布置及尺寸如图7 所示。
图7 浇注系统示意图Fig.7 Schematic diagram of gating system
由于底部轮盘较厚，为保证横浇道的良好补缩，在轮盘底部远离内浇道的两侧设置了30 mm×20 mm×15 mm 的铸钢冷铁。
3.2 数值模拟分析
将叶轮工艺模型以.stp 格式导入ProCAST 软件的MeshCAST 板块，划分出面网格数约15.57 万个、体网格数约345.04 万个，模拟参数设置如表2所示[7]。最终，模拟得到的充型及凝固过程分别如图8 和图9 所示。
图9 凝固过程模拟Fig.9 Simulation of solidification process
表2 模拟参数设置Tab.2 Setting of simulation parameters
由图8(a)可知：由于顶内浇道的分配横浇道开设在竖放的底内浇道的分配浇道上，铝液流经该处时在重力的作用下会直接向下流，而不会先流向顶部的分配横浇道；
浇注后约4.255 s时，铝液开始通过顶部内浇道充填铸型，此时金属液面与顶部浇口的高度落差较小，因此顶部进入的金属液并未激起较大的扰动；
浇注后约7.436 s，金属液充满铸型。整个过程充型效果良好，证明浇注系统能够保证铝液的充型。
从图9 可知：浇注后11.599 s 左右，在冷铁的作用下轮盘底部率先冷却，叶片的壁厚较薄，其温度也已开始下降；
在后续的凝固过程中，冷铁起到了良好的激冷效果，使轮盘先于底部内浇道凝固，发挥浇道的补缩作用，形成了良好的顺序凝固；
在凝固后期，由于轮盖和轮盘的热量叠加，叶片冷却速度减缓，进而呈现出阶梯式的温度分布。模拟预测的铸件缺陷分布如图9(d)所示。由图可见：缩孔缩松都集中在浇口杯处，并且在整个凝固过程中温度最高的部位都在浇口杯处，证明利用浇口杯补缩容量法设计的浇道尺寸合理；
同时在铸件上未发现缺陷，证明优化方案能够保证叶轮的凝固质量。
4.1 工艺验证
采用石膏型铸造对SLS 制备的叶轮PS 模样进行工艺验证。为保证叶片的良好充填，避免气孔、氧化夹杂等缺陷产生，浇注方式采用真空加压浇注。浇注时的真空度为0.04 MPa，浇注后迅速施加压力，使叶轮在0.6 MPa 的压力下结晶，细化晶粒。浇注后，清理得到铸件，根据HB 962—2001的要求，叶轮需进行T5 热处理，以获得良好的强度和塑性。最终得到的叶轮铸件如图10 所示。
图10 叶轮铸件Fig.10 Impeller castings obtained by casting
对铸件进行X 射线探伤，发现其内部质量良好，未见明显的气孔、缩松等凝固类缺陷。对铸件取样，进行拉伸试验和硬度试验，得到其力学性能如表3 所示。对比航空行业标准HB 962—2001 可知，铸件力学性能符合要求，证明了在石膏型精密铸造中，利用SLS 制备模样并辅以最佳的工艺方案，能够成功制得合格铸件。
4.2 热处理对铸件性能的影响
据表3 可知，经T5 热处理后，铸件的抗拉强度和布氏硬度得到了明显提升。为进一步探究T5 热处理对铸件力学性能的影响，利用XRD 和OM 对铸件组织进行分析，结果如图11 和图12 所示。
图12 铸件热处理前后的金相组织Fig.12 Metallographic diagram of castings
表3 铸件力学性能对比Tab.3 Comparison of mechanical properties of castings
图11 铸件热处理前后的XRD 图Fig.11 XRD patterns of castings
由图11 可知，铸件铸态组织主要包括α 相、Si 相和Al2Cu相，T5 态则只包括α 相和Si相，并未发现Al2Cu 相。在图12(a)和(b)所示的铸态金相组织中，可见大量的片状共晶硅分布和较少的花纹状Al2Cu 相[8]，局部地区共晶硅较为集中，会严重割裂α 固溶体，降低铸件强度和塑性。在图12(c)和(d)所示的T5 态金相组织中，由于Al2Cu 相会被固溶到α 基体中，残留较少，故在制备的金相试样组织中几乎未发现Al2Cu相，同时还可见片状共晶硅的聚集已明显减少，共晶硅边缘钝化且较为细小。这是由于在固溶过程中，Si 溶解到α 相中，α 固溶体的连续性增加。
1）利用SLS 可制备出复杂结构的PS 叶轮模样，其力学性能受成型位置和浸蜡工艺的影响较大，试样经浸蜡处理且受力面为打印面时，力学性能最佳。
2）经ProCAST 软件模拟发现：设计的浇注系统能够使金属液平稳充型，保证铝液的充型质量；
在铸件底部设置的冷铁配合内浇道使用，可使叶轮达到良好的顺序凝固，避免凝固类缺陷的产生。
3）通过石膏型真空加压浇注获得了完整铸件，经X 射线探伤未发现铸造缺陷，且铸件力学性能满足技术要求，表明SLS 可与石膏型铸造良好结合，进而制备出合格铸件。
4）铸件经 T5 热处理后，抗拉强度由184 MPa上升到330 MPa，布氏硬度由57 HB 上升到109 HB，力学性能得到显著提升。其主要原因是固溶处理使片状的共晶硅熔断和钝化，减少了其在α 相中的聚集，分散更为均匀，使α 固溶体的连续性增加。
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