航空发动机燃气涡轮叶片产品附加值高，其零件加工质量要求高、加工难度大，复杂的结构与表面特征让工件定位变得困难，如何直接依据叶身部分余量，快速高效地确定叶片的新加工基准显得尤为重要[1-3]。传统的叶片基准确定方法主要有机械夹紧法、线切割法，但需要对叶片进行二次加工，易造成对叶片毛坯难以逆转的改动，因此确定加工基准时，需要设计专用的叶片夹具来满足叶片新基准的需求[4-6]。
航空发动机燃气涡轮叶片加工流程复杂，需根据叶片型面的非规则的几何形状设计专用工装，加工基准转换频繁,导致叶片加工质量不稳定、生产效率低。叶片的叶盆、叶背型面的轮廓精度要求高，加工方案和工艺参数鲜有公开，直到现在，国内还没有一种方法能解决叶片前后缘的精密加工问题，仍依赖后续手工抛磨。Wang 等[7]提出一种涡轮叶片装夹定位误差和加工误差测量、计算方法，为叶片的夹具优化设计提供了依据。北京航空航天大学陈志同等[8]提出一种柔性且能够自适应叶片型面的摇篮式叶片加工夹具，利用双端过定位辅助装夹大幅度提高叶片抵抗受力变形的能力，可以将高温合金叶片的铣削加工变形控制在0.05 mm 以内，提高叶片在加工过程中的“让刀”变形。在叶片长度较大时，叶尖辅助支撑提高加工精度的效果更为明显。为缩短工艺流程，减少装夹的次数，采用结合六点定位原理和低熔点合金浇注的方法，来设计适应航空发动机叶片加工的工装夹具，即通过六点定位法将叶片调整到理论姿态后，通过浇注低熔点合金将理论姿态的基准传递到易于机加操作的基准块上[9-10]。目前叶片夹具基准块所用低熔点合金浇注多采用压力铸造工艺，但是成本较高，且基准块存在较软、易变形和清洗困难等问题。为此，本文研制了锌铝合金以满足涡轮叶片加工基准高硬度和脆性的要求。
1 锌铝合金的熔制
为使低熔点合金达到符合叶片加工基准的再造要求，基于Zn-x 二元相图，从熔点、流动性、脆性等角度考虑，制备Zn-Al 低熔点合金[11-13]。合金熔制时，原材料采用纯锌(99.99%)，纯铝(99.99%)，纯镁(99.9%)，先将井式坩埚电阻炉加热至200 ℃，放入石墨坩埚，保温后，将锌锭放入坩埚内，提高炉内温度至580 ℃，进行保温(搅拌辅助熔化)。接着放入铝锭，待完全熔化后，加入精炼剂并不断搅拌，使气体充分溢出，使用扒渣勺进行扒渣处理，提高电阻炉温度至740 ℃，添加镁锭，搅拌5～10 min，将Ti-B 复合盐变质剂，用钟罩压入合金液中，充分搅拌，保温、扒渣、静置，合金液温度降至450 ℃时进入浇铸温度。
将熔炼完成后的锌铝合金液浇入预先制成的金属模具型腔中，即采用金属型铸造的方法再造叶片加工基准；采用型号为WMJ-9930BD 的金相显微镜，对浇注的基准块合金与叶片边缘进行观察；采用5%NHO3+95%无水乙醇(体积分数)对金相试样进行腐蚀；采用型号为UHV-1000ZF 的自动转塔显微维氏硬度计，对基准块及其重熔合金的硬度进行检测；采用型号为TESCAN MIRA3 的扫描电镜，对基准块合金的显微组织及成分进行检测；采用机械研磨+化学抛光的方法制备扫描电镜所用试样。
2 叶片加工基准的金属型铸造工艺
图1a 为某涡轮叶片结构，叶片前后有弧形曲面。图1b 为基准块与该叶片的夹持图，基准块与工件互相镶嵌，通过叶片上的凸台定位卡紧。叶片加工时，以基准块的型面作为加工基准，避免叶片在加工过程中基准的不断转换，提高加工效率，同时降低转换基准时带来的误差。
图1 基准块结构：(a)叶片结构，(b)基准块夹持叶片图
Fig.1 Structure of the benchmark block:(a)blade structure,(b)diagram of the benchmark block clamping blade
2.1 金属型铸造工艺难点
采用金属型铸造生产涡轮叶片加工基准，为确保六点定位基准与低熔点基准的转化关系，依据六点定位原理，把叶片六点定位基准转化为易于五轴机床连续加工定位的基准块上，保证3 个定位基准面的相互垂直位置精度，满足叶片加工精度要求，因此要保证铸件表面质量良好。合金液充填金属型铸造模具时，热量散失快，合金流动性降低，通过控制模具工作温度及合金液的浇注速度，避免了低熔点合金基准块铸件出现冷隔、浇不足等缺陷[14-16]。
金属型铸造时，浇注的合金液与涡轮叶片之间可能出现晶间腐蚀和原子迁移等问题，导致叶片性能降低[17-18]，为满足机械击碎脱合金的目的，在模具设计时，布置应力集中点，通过机械破碎的方式，实现工件与基准块之间的快速分离，保证叶片加工质量，大幅提高叶片加工的生产效率。
2.2 模具设计及准备
图2 为金属型铸造模具的结构简图。根据六点定位原理，将零件上的定位基准转化至基准块的3个基准面上，开设排气孔2 保证合金液浇注过程中的顺利填充，采用可拆分的活块结构方便产品的脱模，布置应力集中点实现基准块的机械破碎。进行低熔点锌铝浇注时，通过冒口套1 进入型腔，腔内的气体通过预置的排气孔2 排出；当合金液充满整个型腔后，继续浇注合金液以充满整个冒口，对铸件进行补缩；保持一定时间后，移开固定板6，分离活块5，取出铸件，合模，完成一次工艺流程。金属型铸造模具的主要设计参数及结构参数见表1。
表1 金属型铸造模具的主要设计参数及结构参数
Tab.1 Main design parameters and structural parameters of metal type casting molds
图2 金属型铸造模具结构简图
Fig.2 Structure sketch of metal type casting mold
浇注前，为保证合金液的顺利充型，对金属型模具进行预热处理。具体步骤为：①喷涂脱模剂前的预热处理，预热温度控制在150～250 ℃，保证喷涂后涂料中的水分迅速蒸干。喷涂的涂料要求均匀致密，便于后续脱模。②浇注前的预热处理，预热温度控制在350～400 ℃，减小浇注合金液与金属型模具之间的温度差，降低合金液的冷却速度，保证合金液充满整个型腔。金属模具浇注前的预热处理有助于提高铸件性能，保证金属型模具的使用寿命[19-20]。
2.3 浇注及后续处理
采用底注法进行浇注，浇注过程中，尽量避免合金液产生飞溅，保证浇注速度稳定；浇注速度的控制做到慢－快－慢，浇注过程中始终保证液流平稳；浇注温度控制在460～520 ℃的范围内。浇注完成后，通过测量模具表面温度，确定是否脱模，检测模具温度在350～400 ℃范围时，取出基准块铸件。
3 结果及分析
3.1 铸件表面质量及硬度
图3 为低熔点合金浇注燃气涡轮叶片加工基准块的实物，铸件表面质量良好，未见明显铸造缺陷。为保证浇注基准块对工件的夹持刚度，对基准块及其重熔合金硬度进行检测，结果如表2 所示。发现基准块合金重熔后的硬度下降并不明显。本文基准块合金为含Mg 的锌铝合金，其显微组织如图4 所示，发现主要由富锌相η-Zn 枝晶、锌铝共晶组织β+η、富镁相MgZn2 和Mg2Zn11 组成[21-26]。通常η 相硬度最小，共析体α+η 其次，接着MgZn2，硬度最大的是Mg2Zn11，而高硬度富镁相MgZn2 和Mg2Zn11 对锌铝合金的硬度变化有重要影响[27]，低熔点合金的高硬度且重熔后硬度衰退不显著，可能源于此。
表2 锌铝合金不同重熔次数下的维氏硬度(HV)
Tab.2 Vickers hardness of the zinc-aluminum alloy at different remelting times
图3 叶片加工基准块实物
Fig.3 Blade machining benchmark block
图4 锌铝合金显微组织：(a～b)SEM 图像，(c)A 点能谱，(d)B 点能谱
Fig.4 Microstructure of the zinc-aluminum alloy:(a～b)SEM images,(c)energy spectrum of point A,(d)energy spectrum of point B
3.2 铸件破碎和侵蚀
采用低熔点合金浇注的加工基准来装夹叶片，机加后，通过设计的专用破碎装置(图5)，进行基准块的破碎实验。通过图5 中的液压装置对预留应力集中点进行加压，发现工件与基准块之间可以实现快速分离，破碎的浇注基准块如图6 所示。另取浇注样件，使用线切割取样，经抛光腐蚀后通过金相显微镜，对浇注加工基准块样件与叶片边缘进行观察，如图7 所示。发现浇注基准块与涡轮叶片边缘拐角处有较小间隙，铸件与叶片边界清晰，低熔点合金液对叶片未造成侵蚀。
图5 破碎装置
Fig.5 Crushing device
图6 浇注基准块及破碎块
Fig.6 Casting reference block and crushing block
图7 浇注基准块与叶片边缘接触界面
Fig.7 Contact interface between casting reference block and blade edge
4 结论
(1)采用金属型铸造生产低熔点合金再造加工基准，满足工件装夹的硬度要求，通过机械破碎的方式可实现工件与基准块之间的快速分离。
(2)使用金属型铸造工艺生产燃气涡轮叶片加工基准，缩短产品制造周期，简化工艺，重熔后合金硬度降低不明显，材料利用率得到提升，低熔点合金液对叶片未造成侵蚀，大幅降低燃气涡轮叶片加工基准的生产成本，提高了生产效率。
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