燃?xì)廨啓C(jī)大型葉片的高效鑄造工藝

李紅

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

目前機(jī)械制造領(lǐng)域毛坯生產(chǎn)企業(yè)面臨的最急迫的任務(wù)之一，是開發(fā)一些能降低昂貴強(qiáng)熱合金鑄造毛坯金屬消耗量的經(jīng)濟(jì)工藝。燃?xì)廨啓C(jī)葉片的高效定向凝固法，所在凝固區(qū)鑄件熱量不斷地傳給爐的表面，導(dǎo)致凝固前沿區(qū)正溫度梯度，從而創(chuàng)造了定向凝固條件。

控制澆鑄過程的關(guān)鍵在于保持鑄件上部液態(tài)合金恒溫。根據(jù)此參數(shù)值可能有三種狀態(tài)：熔化狀態(tài)，凝固狀態(tài)，凝固速度與熔化速度相等的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)（零速度）。鑄造過程中的電參數(shù)是施加于鑄件的電流密度和電壓。當(dāng)固態(tài)層增大時(shí)整個(gè)鑄件的電阻減小，結(jié)果是電流密度增大，這時(shí)如對(duì)過程不予控制，則可能導(dǎo)致鑄件上部液態(tài)合金溫度升高，也就是說凝固中斷。這種溫度升高的可能性可以通過降低電壓予以消除，使電液密度保持恒定（在加熱爐內(nèi)表面溫度不變時(shí)）；或者在鑄件上電壓恒定時(shí)通過降低加熱爐溫度來消除。在第二種方法中，當(dāng)固態(tài)層增大時(shí)電流密度增大，但是液態(tài)合金溫度的升高被加熱爐溫度的降低所抵消。

電流作用下鑄件定向凝固新方法的優(yōu)點(diǎn)在于：能保證砂型和鑄件在澆鑄過程中不全在加熱區(qū)外脹，無需石墨加熱設(shè)備，工藝周期短，這一點(diǎn)在真空鑄造時(shí)因尺寸受限尤為重要。

2 定向凝固工藝方案

為了實(shí)現(xiàn)這種方法在生產(chǎn)中考慮了過程的工藝參數(shù)，其中最重要的是：電流強(qiáng)度，加熱爐溫度和凝固時(shí)間。這些參數(shù)能確保在難以補(bǔ)縮區(qū)大程度的合金過濾和較小程度的雙相區(qū)。在澆鑄燃?xì)廨啓C(jī)中由合金制造第四級(jí)合金時(shí)，通過利用鑄件直接電加熱組件的澆鑄過程自動(dòng)化模擬系統(tǒng)考慮了過程參數(shù)。

由于合金的電阻系數(shù)與溫度有關(guān)，在從砂型表面向加熱爐進(jìn)行外部散熱的情況下鑄造的凝固前沿開始定向位移。這一點(diǎn)已由反映鑄件垂直方向9個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度與時(shí)間關(guān)系的溫度曲線的分析予以證實(shí)。所有這些曲線都依次與合金的液相線和固液相線的等溫線相交。正如過程模擬所表明的那樣，鑄件在凝固區(qū)的等溫線趨于保持與鑄件表面的正交性，即使在這些表面有大量散熱情況下也是如此，其原因是由于在凝固區(qū)電勢(shì)躍值與附加放熱的相互影響而產(chǎn)生的自動(dòng)保持過程的延續(xù)。

在鑄件每一點(diǎn)依靠電流的放熱現(xiàn)象取決于該點(diǎn)的電勢(shì)梯度，每一時(shí)刻的電勢(shì)場(chǎng)分布又取決于鑄件的幾何形狀和其中的溫度分布，并要考慮外部電勢(shì)的引入點(diǎn)和電勢(shì)值。因此，為了考慮電流的影響，必須確定鑄件中的電勢(shì)分布并考慮溫度場(chǎng)。

目前人們已用數(shù)值法來求解橢圓微分方程。當(dāng)存在復(fù)雜的幾何形狀和非正交（任意方向）邊界時(shí)求解這種方程的最好方法是有限元法。考慮到鑄件凝固問題也可以用有限元法求解，故在總體求解熱問題（求解不穩(wěn)定傳熱率方程）的算法中可以引入電勢(shì)分布情況的計(jì)算，并考慮由電流附加的散熱現(xiàn)象，這樣就可以同時(shí)求解熱問題和電問題，并考慮其相互影響。

這種方法已應(yīng)用于計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的新模塊，其中供給鑄件邊界表面的外部電勢(shì)通過各種方法給定：時(shí)間與電流的關(guān)系函數(shù)，已考慮供電導(dǎo)線電阻時(shí)的電壓與時(shí)間的關(guān)系函數(shù)，以及沿鑄件和砂型之間上述邊界的電流或電壓與邊界傳熱率（邊界熱流量）的關(guān)系函數(shù)。通過最后一種方法可以得出結(jié)論，即這種改變電壓的方式或許可以保證定向凝固所需的條件。

為了利用無支撐填料的薄殼剛玉砂型澆法生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的大型葉片，設(shè)計(jì)制造了一套可以實(shí)現(xiàn)這種葉片定向凝固的裝置。新的工序過程能確保通過在金屬結(jié)晶過程中創(chuàng)造熱條件，并施加電力的作用獲得密實(shí)金屬組織。借此能夠細(xì)化鑄件的樹枝狀結(jié)晶組織，從而對(duì)合金的塑性、瞬時(shí)性能和持久高溫強(qiáng)度產(chǎn)生良好的作用。

此外，還對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的第三級(jí)透平葉片在900℃下進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。該葉片用100%返回合金鑄造，在以固有振頻178～190Hz 進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)先后承受了最大應(yīng)力分別為140、160、180MPa 時(shí)的載荷，每次承載2000 萬個(gè)循環(huán)，最后在220MPa 應(yīng)力下經(jīng)過1470 萬個(gè)循環(huán)斷裂。也就是說在140～220MPa 應(yīng)力下累計(jì)承載了7470 萬個(gè)循環(huán)。

在生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)第四級(jí)透平葉片時(shí)的兩個(gè)葉片重量應(yīng)為10kg，而澆口系統(tǒng)重量為6kg。在采用傳統(tǒng)的澆鑄法時(shí)兩個(gè)葉片只能采用100%全新合金，而其冒口重量≥30kg。考慮到當(dāng)全新合金返回冶煉廠重熔時(shí)其價(jià)格要降低70%，故用直接電加熱進(jìn)行定向凝固工藝是一個(gè)節(jié)省資源的工藝。

3 結(jié)論

根據(jù)所進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，以及強(qiáng)熱合金耗量小的特點(diǎn)可以得出下列結(jié)論：在電流作用下大型葉片的定向凝固工藝具有令人滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指數(shù)，能確保生產(chǎn)大尺寸加強(qiáng)型薄壁的散熱風(fēng)門鑄件以及≥110MW 動(dòng)力燃?xì)廨啓C(jī)葉片時(shí)的高利潤(rùn)。