精鑄工藝對(duì)重型燃機(jī)葉片質(zhì)量的影響研究

劉艷領(lǐng)，張瓊元，鞏秀芳，楊功顯

（東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)，618000）

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精鑄工藝對(duì)重型燃機(jī)葉片質(zhì)量的影響研究

劉艷領(lǐng)，張瓊元，鞏秀芳，楊功顯

（東方汽輪機(jī)有限公司 長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)，618000）

摘要：采用數(shù)值模擬的方法，研究精鑄工藝參數(shù)對(duì)某重型燃機(jī)葉片鑄件質(zhì)量的影響規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。研究結(jié)果表明：在文章研究范圍內(nèi)，隨著澆注溫度的升高，葉根缺陷大幅度減少，葉身缺陷變化不大；隨著模殼溫度的升高，葉身的缺陷大幅度增多，葉根缺陷略有下降，葉頂缺陷變化不明顯；隨著模殼厚度的增加，葉根和葉身的缺陷急劇減少，葉頂?shù)娜毕葑兓幻黠@。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬，精鑄參數(shù)，縮松

0　引言

渦輪葉片作為重型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，主要工作在1 300℃以上的極端工況并且需要長(zhǎng)時(shí)連續(xù)運(yùn)行，由于其苛刻的工作條件，對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量有很高的要求，目前渦輪葉片主要采用熔模精密鑄造的方法來(lái)制取。熔模鑄造是一種少切削、無(wú)切削加工的近凈成型工藝，可適用于各種合金的鑄造成型。其優(yōu)點(diǎn)是：尺寸精度高、表面質(zhì)量好、適用復(fù)雜形狀、生產(chǎn)批量靈活［1］，可以滿足渦輪葉片對(duì)制造技術(shù)的要求。但是由于重型燃機(jī)葉片尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚薄差距大，極易產(chǎn)生縮松等缺陷［2］。

研究表明［3］：在鎳基高溫合金中縮松形成的傾向性不僅取決于合金成分，同時(shí)也與澆注溫度、模殼預(yù)熱溫度、鑄件冷卻方式等鑄造工藝條件密切相關(guān)［4］。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)往往通過(guò)多次工藝試驗(yàn)來(lái)摸索改進(jìn)，浪費(fèi)大量的時(shí)間和昂貴的材料。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和成熟，CAE技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，越來(lái)越多的研究學(xué)者投入到數(shù)值模擬的工作中來(lái)，通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)預(yù)測(cè)鑄件的縮孔、縮松等缺陷。現(xiàn)在普遍使用的ProCAST軟件，不僅可以模擬鑄件的充型過(guò)程、溫度場(chǎng)分布與變化、鑄件的熱裂傾向、鑄件的熱結(jié)位置和大小等信息，還可以非常直觀地查看零件的變形情況以及晶粒分布情況等。在實(shí)際澆注之前，首先通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)其澆注過(guò)程中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)不同澆注工藝下的凝固過(guò)程和缺陷形成情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而研究缺陷形成的原因，從而優(yōu)化澆注工藝參數(shù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，是一項(xiàng)非常有意義的工作［2］。

澆注溫度、模殼溫度、模殼厚度等是非常重要的澆注工藝參數(shù)，其大小變化對(duì)鑄件的縮松缺陷有非常顯著的影響。如何設(shè)定澆注工藝參數(shù)，來(lái)保證鑄件的質(zhì)量，是非常重要的。本文采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究澆注溫度、模殼溫度、模殼厚度3個(gè)參數(shù)對(duì)重型燃機(jī)葉片鑄件疏松缺陷的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1　澆注溫度對(duì)縮松的影響

澆注溫度對(duì)鑄件缺陷有顯著的影響，澆注溫度高，合金流動(dòng)性好，有利于補(bǔ)縮，但是會(huì)出現(xiàn)晶粒粗大的現(xiàn)象。澆注溫度低，合金流動(dòng)性差，不利于補(bǔ)縮，還會(huì)造成薄壁區(qū)域出現(xiàn)欠鑄、冷隔等缺陷。保持模殼預(yù)熱溫度不變，研究不同的澆注溫度對(duì)鑄件缺陷的影響規(guī)律，從而優(yōu)化澆注工藝參數(shù)。

模擬參數(shù)為：模殼厚度10 mm；模殼溫度900℃；澆注溫度從1 410℃變化到1 500℃，共進(jìn)行7組模擬計(jì)算，結(jié)果如圖1所示，圖中紫色區(qū)域?yàn)榭赡艹霈F(xiàn)宏觀疏松的區(qū)域。從圖中可以看出，鑄件最終缺陷位置主要集中在葉根部位、葉身上部和葉頂3個(gè)位置，其中葉身上部缺陷最為嚴(yán)重。隨著澆注溫度從1 410℃提高到1 500℃，葉根缺陷逐漸減少，葉身缺陷變化不明顯。

圖1　缺陷大小隨澆注溫度升高的變化趨勢(shì)（圖中紫色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域）

出現(xiàn)缺陷的葉根、葉身上部和葉頂3個(gè)位置是葉片相對(duì)厚大的位置，也就是葉片的熱結(jié)位置，最后凝固，不能得到有效的補(bǔ)縮。

圖2　缺陷大小隨澆注溫度的變化規(guī)律曲線

從圖2中曲線變化規(guī)律可以看到，隨著澆注溫度的提高，葉根縮松大幅度減少；葉身缺陷變化不大。說(shuō)明提高澆注溫度后，葉根的凝固順序得到很好的改善，原來(lái)熱結(jié)的位置能夠得到一定的補(bǔ)縮，但是對(duì)于葉身來(lái)說(shuō)熱結(jié)位置依然沒(méi)有得到很好的補(bǔ)縮。

2　模殼溫度對(duì)縮松的影響

提高模殼溫度，采用慢冷條件，增加局部凝固時(shí)間，有利于增強(qiáng)合金液冷凝收縮時(shí)對(duì)枝晶間空穴的充填能力，減小疏松傾向［5］。模殼溫度過(guò)低，在出氣邊會(huì)出現(xiàn)欠鑄、冷隔等缺陷且極易形成激冷晶區(qū)。保持澆注溫度、模殼厚度等參數(shù)不變，變換模殼溫度，研究其對(duì)鑄件缺陷的影響規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化澆注工藝參數(shù)。

模擬參數(shù)：澆注溫度1 450℃；模殼厚度10 mm；模殼溫度從860～940℃范圍內(nèi)變化，共進(jìn)行5組模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖3所示，隨著模殼溫度從860℃提高到940℃，葉片根部缺陷略有減少，葉身缺陷略有增加。由此可見(jiàn)，模殼溫度的提高對(duì)葉片補(bǔ)縮不利。

圖3　缺陷大小隨模殼溫度升高的變化趨勢(shì)（圖中紫色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域）

由圖3可見(jiàn)，縮松主要出現(xiàn)在最后凝固的葉根、葉身上部和葉頂3個(gè)區(qū)域。由于葉身厚薄不均在凝固的過(guò)程中，出現(xiàn)“V”字形的凝固順序，導(dǎo)致葉身中間部位得不到合金液的補(bǔ)縮，極易出現(xiàn)縮松缺陷。葉根位置為整個(gè)葉片的最大熱結(jié)位置，心部熱量擴(kuò)散最慢，凝固時(shí)間最長(zhǎng)，同樣極易出現(xiàn)縮松缺陷。

圖4　模殼溫度對(duì)缺陷的影響

從圖4曲線走勢(shì)可以看出，隨著模殼溫度升高，葉身上部的縮松大幅度增多；葉根縮松略有下降；葉頂縮松變化不明顯。總體來(lái)看，在澆注溫度為1 450℃的情況下，模殼溫度越高，越不利于鑄件補(bǔ)縮。

3　模殼厚度對(duì)縮松的影響

模殼的厚度對(duì)鑄件缺陷的影響也像澆注溫度和模殼溫度一樣，是非常重要的一個(gè)參數(shù)。模殼厚度的不同將影響合金與外界的換熱。保持澆注溫度、模殼溫度不變，變換模殼的厚度，來(lái)研究模殼厚度對(duì)鑄件缺陷的影響規(guī)律，從而優(yōu)化澆注工藝參數(shù)。

模擬參數(shù)：澆注溫度1 480℃；模殼溫度880℃；模殼厚度從6～14 mm變化，共進(jìn)行5組模擬計(jì)算。結(jié)果如圖5所示，隨著模殼厚度的增加，葉根的缺陷逐漸減少，當(dāng)模殼厚度為14 mm時(shí)，葉根缺陷消失，葉身缺陷也明顯減少。由此可見(jiàn)，模殼厚度的增加有利于縮松缺陷的減小和消除。

圖5　缺陷大小隨模殼厚度增加的變化趨勢(shì)（圖中紫色區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域）

圖6　模殼厚度對(duì)缺陷的影響

由圖6可見(jiàn)，隨著模殼厚度增大，葉根和葉身上部的縮松急劇減少；葉頂?shù)目s松變化不明顯。增加模殼厚度，有利于補(bǔ)縮，甚至消除葉根的缺陷。

綜上：隨著澆注溫度的升高，葉根縮松大幅度減少；葉身縮松變化不大；隨著模殼溫度的升高，葉身上部的縮松明顯增多；葉根縮松略有下降；葉頂縮松變化不明顯；隨著模殼厚度的增加，葉根和葉身上部的縮松急劇減少；葉身頂?shù)?/p>

縮松變化不明顯。可見(jiàn)，澆注溫度的提高，模殼厚度的增加，有利于葉片的補(bǔ)縮；模殼溫度的提高，不利于葉片的補(bǔ)縮。其中模殼厚度對(duì)縮松缺陷的影響最大。

4　分析總結(jié)

空冷情況下，澆注溫度越高，缺陷越少；因?yàn)闈沧囟容^高時(shí)，合金流動(dòng)性好，有利于補(bǔ)縮。模殼溫度越低，缺陷越少；模殼越厚，缺陷越少。

參考文獻(xiàn)

［1］呂志剛，崔旭龍，周澤衡，我國(guó)精密鑄造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31（3）:251-253.

［2］唐寧，許慶彥，柳百成.重型燃?xì)廨啓C(jī)葉片熔模鑄造過(guò)程數(shù)值模擬［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31（11）:1028-1031.

［3］Bachelet E，Lesoult G.Quality of Castings of Superalloys Superalloys，Source Book［M］.Ohio，USA，American Society for Metals，1984:2307-2341.

［4］陳偉，李長(zhǎng)春，李輝，等.鑄造工藝對(duì)一種鑄造高溫合金性能及其穩(wěn)定性的影響［J］.鑄造，2005，54（9）:871-874.

［5］應(yīng)財(cái)?shù)?大型渦輪轉(zhuǎn)子葉片熔模精鑄特點(diǎn)［J］.特種鑄造及有色合金，1994，（3）:24-26.

Effect of Investment Casting Process on Heavy Duty Turbine Blade Quality

Liu Yanling，Zhang Qiongyuan，Gong Xiufang，Yang Gongxian
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The numerical simulation method was used to study how casting parameters affected the quality of the heavy duty gas tur?bine blade.The result showed that as the casting temperature increased，the porosity volume in the root of the blade decreased，that in the air foil of the blade stayed the same way，as the mold shell temperature increased，the porosity volume in the air foil of the blade in?creased，that in the root of the blade decreased.As the thickness of the mold shell increased，the porosity volume in the root and air foil of the blade decreased sharply.

Key words:numerical simulation，casting parameters，porosity

中圖分類號(hào)：TG249

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9987（2016）02-0036-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.009

作者簡(jiǎn)介：劉艷領(lǐng)（1985-），女，碩士，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)主要從事材料研究工作。