大尺寸燃气轮机叶片的熔模铸造工艺

朱秋菊 荀艳华

摘  要：燃气轮机在我国的各个领域中都有着比较高的应用价值，直接影响到人们日常生活的质量，例如说燃气轮机在发电方面的应用，直接影响人们的日常用电质量，一直受到国家和人民的高度重视。叶片作为燃气轮机的重要零件组成，对其工作的各方面都有着很大的影响，我国现阶段的对于叶片的熔模铸造工艺经过多年的发展已经取得了一定的成果，但还是存在很多缺陷和不足，限制我国燃气轮机的发展也研究，需要我们对国外的一些先进技术进行学习。

关键词：大尺寸叶片;熔模铸造;关键技术

随着我国科技的发展，燃气轮机的科技水平不断进步，为很多领域的发展进步提供了坚实的基础。随着人们环保意识的不断增强，清洁能源的使用被提上议程，燃气轮机可以很好的为天然气的应用提供帮助。高效和节能已经成为燃气轮机现阶段发展的主要方向，为电力供应提供了坚实的技术和设备基础。但是我国的轮汽轮机研发水平较国际水平还有着不小的差距，文主要对叶片的熔模铸造工艺进行研究，希望可以为我国燃气轮机今后发展提供帮助。

1 燃气轮机涡轮叶片熔模铸造工艺发展

1.1 模具设计及制造技术

在燃气轮机发展的初期，模具的制作难度较高，主要是通过人工设计画图的方式进行制造，不但制造的效率较低，制造的质量比较低。随着时代的发展进步，出现了计算机技术，通过计算机技术的应用可以通过计算机软件进行设计制造，代替原来的手工操作，使制造的效率不断提升。为了满足模具制造的实际需求，计算机软件开始不断更新换代，为设计提供更高的技术支持，模具的各方面性能和制造的效率不断提升。

多年的模具制造形成了两种比较常用的制造方法，其中一种的方法主要是通过多种能量低价的方式对材料按照一定的要求进行切除，这种方法称之为复合加工方法。还有一种方法是近几十年出现的模具制造方法，较复合加工方法具有更先机的技术。这种方法具有很多优势，不断可以实现模具制造的高效性，制造出来的模具还具有有很广泛的使用范围。但是这种方法还具有一定的缺陷，无法实现大批量的生产模式，所以常规的模具生产方法还是第一种方法。

在模具设计阶段，需要注意的就是模具的收缩率，合理的收缩率会保证模具具有足够的精度，反之会导致模具设计不合格。收缩率受到很多因素的影响，其中最重要的影响因素就是合金的材质，不同的合金材质具有不同的收缩率。我国现阶段有四种比较常用的收缩补偿方法，但是这种补偿方法还不够完善，具有很多缺陷。

1.2 蜡模尺寸控制技术

蜡模也是叶片熔模铸造工艺中的关键，需要我们保证蜡模制造的质量，为了保证其质量，需要我们从模具和工艺两方面入手，才能保证蜡模达到实际的质量需求。燃气轮机的叶片是一种尺寸较大的结构零件，这就导致蜡模的冷却需要很长时间才能结束，长时间的冷却时间会大致收缩量的剧增，巨大的收缩变化导致无法进行精度的精准控制，为此出现了蜡模假芯技术进行精度的控制工作。

为了保证蜡模的高效生产，完全冷却之前就要进行蜡模的取出，在蜡模取出后的半个小时以内，因为冷却的原因会出现一部分的形变，这种形变比较细微，无法人工进行调整控制，当这种形变波动较多或者面积较大时，就会导致整个叶片无法满足实际的制造要求，导致叶片制造的无效化。为此出现了蜡模的矫正技术，可以在蜡模出现弹性形变的时候对这种形变进行合理的矫正和控制，是蜡模始终保持在较高的精度上，可以满足蜡模的制造要求。

1.3 型壳制造工艺

熔模鑄造采用的铸型常称为型壳，要获得表面光滑、棱角清晰、尺寸精确的铸件必须制造优质型壳，优质型壳应当满足一系列的性能要求，包括强度、透气性、导热性、线性变化、热震稳定性、热化学稳定性和脱壳性等。硅溶胶是水基粘结剂，制壳时无空气污染，已经成为了高温合金精密铸造铸件的最主要的制壳粘结剂。型壳干燥程度的测定方法有重量法、显色法、电阻法、γ射线衰减法等。对干燥后的型壳脱蜡以形成铸型型腔。在相同的浇注温度和造型条件下，较高的型壳温度可以有效减小合金熔体与铸型的温差，减缓合金熔体温度降低速度，提高合金充型能力。随着型壳温度的升高，合金熔体充型能力显著提高。

1.4 型芯制造技术

随着燃气轮机效率的不断提高，燃机叶片的工作温度也不断提高，因此，新型的燃机叶片通常具有允许冷空气流过的内部冷却通道，由于冷却的要求，这些内部冷却通道大都设计得结构复杂，尺寸细小，在精密铸造过程中，这样复杂狭窄的铸件内腔采用常规的浸渍涂料、撒砂等工序根本无法实施，只能通过预制陶芯来形成。随着燃机叶片的不断发展，对于先进陶芯的需求也不断提高，要求先进陶芯具备耐火度高、热膨胀率低、高温强度高、化学稳定性好和易脱除的特点。因此在陶芯制造方法的研究上，对于硅基陶芯，在不断通过不同类型强化剂的研究来进一步提高硅基陶芯的性能，而对于铝基陶芯，更有效更简便的脱芯方法也在不断地研究中。

1.5 定向和单晶叶片技术

20世纪60年代中期，美国发明了高温合金定向凝固技术，使合金的晶粒沿热流流失方向定向排列，基本消除垂直于应力轴的薄弱的横向晶界。之后，又发展出单晶技术，并很快用于叶片生产。我国在20世纪60年代末开始研究定向柱晶合金及空心无余量叶片精铸技术，经过20年的努力，先后研制成功DZ4、DZ22等定向合金。80年代，又开始采用精铸工艺生产单晶合金及单晶叶片，目前我国已研制出航空发动机用单晶叶片。定向和单晶叶片也是燃气轮机叶片的发展趋势，但燃气轮机叶片尺寸普遍要大于航空发动机叶片尺寸，因此，定向和单晶燃气轮机叶片的制造难度也大幅增加。

2 展望

燃气轮机经过多年的发展与创新，已经对我国经济、军事、环保、交通等等多个领域起着巨大的作用，是我国科技水平不断进步的一个重要体现。为了满足日益升高的各领域需求，需要我们对燃气轮机的加大研究力度，不断进行发展进步，以满足我国各个领域的实际需求，促进我国科技的发展和社会经济的增长。需要我们对叶片铸造工艺的几个关键点为研究中心，才能大幅度提高我国的大尺寸涡轮叶片铸造工艺的水平。

3 结束语

随着时代的发展进步，各种先进的技术和设备不断涌现，为人们的生活提供了巨大的便利。燃气轮机作为21世纪中主要的一种动力机械，为很多领域的发展提供了坚实的技术设备基础。随着燃气轮机技术的不断更新和设备的不断换代，涉及到的领域越来越多，为我国的环保节能也做出了巨大的贡献，有利于我国可持续发展理念的贯彻实行。为了促进燃气轮机的发展进步，本文对叶片铸造的几种关键工艺进行研究分析，希望可以起到一定作用。

参考文献

[1]郑翠侠.大尺寸空心叶片精密铸造工艺研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[2]刘鸣，张继聪，郭文刚，等.重型燃气轮机空心导向叶片精密铸造工艺[J].特种铸造及有色合金，2017，37（1）：49-52.

[3]张慧奇.GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析[J].山东工业技术，2016（24）：66-66.