燃气轮机大型叶片的高效铸造工艺

李红

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

1 引言

目前机械制造领域毛坯生产企业面临的最急迫的任务之一，是开发一些能降低昂贵强热合金铸造毛坯金属消耗量的经济工艺。燃气轮机叶片的高效定向凝固法，所在凝固区铸件热量不断地传给炉的表面，导致凝固前沿区正温度梯度，从而创造了定向凝固条件。

控制浇铸过程的关键在于保持铸件上部液态合金恒温。根据此参数值可能有三种状态：熔化状态，凝固状态，凝固速度与熔化速度相等的动态平衡状态（零速度）。铸造过程中的电参数是施加于铸件的电流密度和电压。当固态层增大时整个铸件的电阻减小，结果是电流密度增大，这时如对过程不予控制，则可能导致铸件上部液态合金温度升高，也就是说凝固中断。这种温度升高的可能性可以通过降低电压予以消除，使电液密度保持恒定（在加热炉内表面温度不变时）；或者在铸件上电压恒定时通过降低加热炉温度来消除。在第二种方法中，当固态层增大时电流密度增大，但是液态合金温度的升高被加热炉温度的降低所抵消。

电流作用下铸件定向凝固新方法的优点在于：能保证砂型和铸件在浇铸过程中不全在加热区外胀，无需石墨加热设备，工艺周期短，这一点在真空铸造时因尺寸受限尤为重要。

2 定向凝固工艺方案

为了实现这种方法在生产中考虑了过程的工艺参数，其中最重要的是：电流强度，加热炉温度和凝固时间。这些参数能确保在难以补缩区大程度的合金过滤和较小程度的双相区。在浇铸燃气轮机中由合金制造第四级合金时，通过利用铸件直接电加热组件的浇铸过程自动化模拟系统考虑了过程参数。

由于合金的电阻系数与温度有关，在从砂型表面向加热炉进行外部散热的情况下铸造的凝固前沿开始定向位移。这一点已由反映铸件垂直方向9个测点温度与时间关系的温度曲线的分析予以证实。所有这些曲线都依次与合金的液相线和固液相线的等温线相交。正如过程模拟所表明的那样，铸件在凝固区的等温线趋于保持与铸件表面的正交性，即使在这些表面有大量散热情况下也是如此，其原因是由于在凝固区电势跃值与附加放热的相互影响而产生的自动保持过程的延续。

在铸件每一点依靠电流的放热现象取决于该点的电势梯度，每一时刻的电势场分布又取决于铸件的几何形状和其中的温度分布，并要考虑外部电势的引入点和电势值。因此，为了考虑电流的影响，必须确定铸件中的电势分布并考虑温度场。

目前人们已用数值法来求解椭圆微分方程。当存在复杂的几何形状和非正交（任意方向）边界时求解这种方程的最好方法是有限元法。考虑到铸件凝固问题也可以用有限元法求解，故在总体求解热问题（求解不稳定传热率方程）的算法中可以引入电势分布情况的计算，并考虑由电流附加的散热现象，这样就可以同时求解热问题和电问题，并考虑其相互影响。

这种方法已应用于计算机模拟系统的新模块，其中供给铸件边界表面的外部电势通过各种方法给定：时间与电流的关系函数，已考虑供电导线电阻时的电压与时间的关系函数，以及沿铸件和砂型之间上述边界的电流或电压与边界传热率（边界热流量）的关系函数。通过最后一种方法可以得出结论，即这种改变电压的方式或许可以保证定向凝固所需的条件。

为了利用无支撑填料的薄壳刚玉砂型浇法生产燃气轮机的大型叶片，设计制造了一套可以实现这种叶片定向凝固的装置。新的工序过程能确保通过在金属结晶过程中创造热条件，并施加电力的作用获得密实金属组织。借此能够细化铸件的树枝状结晶组织，从而对合金的塑性、瞬时性能和持久高温强度产生良好的作用。

此外，还对燃气轮机的第三级透平叶片在900℃下进行了疲劳试验。该叶片用100%返回合金铸造，在以固有振频178～190Hz 进行疲劳试验时先后承受了最大应力分别为140、160、180MPa 时的载荷，每次承载2000 万个循环，最后在220MPa 应力下经过1470 万个循环断裂。也就是说在140～220MPa 应力下累计承载了7470 万个循环。

在生产燃气轮机第四级透平叶片时的两个叶片重量应为10kg，而浇口系统重量为6kg。在采用传统的浇铸法时两个叶片只能采用100%全新合金，而其冒口重量≥30kg。考虑到当全新合金返回冶炼厂重熔时其价格要降低70%，故用直接电加热进行定向凝固工艺是一个节省资源的工艺。

3 结论

根据所进行的试验结果，以及强热合金耗量小的特点可以得出下列结论：在电流作用下大型叶片的定向凝固工艺具有令人满意的技术经济指数，能确保生产大尺寸加强型薄壁的散热风门铸件以及≥110MW 动力燃气轮机叶片时的高利润。