一种大尺寸燃机叶片的缺陷分析

第四级透平动叶片为某重型燃机中的关键核心部件,采用无余量整体精密铸造而成,该叶片精铸件是由榫头、缘板、叶身和叶冠构成,属大尺寸等轴晶涡轮叶片。由于榫头、叶身、叶冠等结构引起的截面变化,在铸造凝固及冷却过程中极易在榫头厚大处产生冶金缺陷。通过对榫头缺陷进行荧光渗透检验来确定缺陷的宏观位置和大小;通过采用X射线对缺陷部位进行透照来确定缺陷的深度;通过采用扫描电镜(SEM)和金相检测来确定缺陷微观尺寸和形貌,得到的金相检测结果与荧光渗透检测结果一致。通过以上检测,分析叶片榫头缺陷为裂纹和疏松,并对该缺陷的形成原因和产生机理进行了分析。

基于燃机叶片精铸温度场的控制方法研究

通过埋放热电偶测量了型壳冷却过程的温度曲线,验证了数值计算在温度场计算方面的有效性。采用铸造模拟软件PROCAST计算了精铸过程铸件的一维温度场,重点分析了不同工艺参数对温度梯度和凝固时间的影响。结果表明,铸件温度梯度及凝固时间严格与铸件/铸型间的热流密度相关,其中,温度梯度与瞬态热流密度相关,凝固时间与铸件冷却全过程中的等效热流密度相关;铸件模数、铸型边界换热系数对热流密度的影响最大,优先调控此参数可最大程度改变温度梯度和凝固时间;同时,分析了存在缩松缺陷的燃机叶片温度场特点,并根据文中研究结果优化了工艺方案,验证了温度场建立方法的可行性。

重型燃机叶片锻造过程的三维热力耦合有限元模拟

利用热力耦合刚粘塑性有限元法,对某重型燃机叶片的多工步锻造过程进行了数值模拟研究。通过有限元数值模拟,分析了锻造过程中的金属流线分布,得到了温度场、应力应变场等热力参数的场量分布,从而揭示了叶片锻造的变形机理。实际锻造工艺试验与数值模拟结果吻合较好,从而验证了热力耦合有限元模型的可靠性。该研究对掌握叶片锻造变形规律具有重要意义,为叶片锻造工艺的优化设计提供了参考。

大尺寸重型燃机叶片三坐标测量方法

由于重燃叶片尺寸大,且目前没有明确的测量基准,文章在一般的6点找正方法的基础上进行改进,增加了精建坐标系的过程。对两种找正方法进行对比,结果表明,精建坐标系更接近叶片的理论坐标系,在精建坐标系下进行尺寸检测,其测量的结果具有更高的可信度和可重复性。

陶瓷材料在重型燃机叶片研发中的问题探讨

陶瓷材料在重型燃机叶片研究和制备中具有重要的作用,陶瓷型芯和陶瓷型壳是其中两种不可替代的陶瓷材料,文章就陶瓷型芯和陶瓷型壳在燃机叶片研发中存在的问题展开论述。主要包括陶瓷型芯和陶瓷型壳原材料、湿法成型、检测标准和计算机辅助研究。

基于悬臂结构型芯的燃机叶片铸造过程位移、壁厚演化研究

以某具有悬臂蛇形蜿蜒状冷却通道的燃机叶片作为研究对象,通过精密铸造成型方法制备叶片毛坯,并采用Olympus壁厚测量仪获取壁厚点数据,同时结合数值计算软件PROCAST模拟型壳预热过程及充型凝固过程,研究并阐述了型壳/型芯的位移变化及叶片壁厚演化过程。结果表明:叶片壁厚超差的根本原因是型壳预热阶段悬臂型芯发生了张开变形,其与型壳的位置匹配确定了初始壁厚的形成,并影响至后续浇注过程;充型凝固过程因持续时间短,对最终壁厚的形成无显著影响;合金的固态收缩阶段对叶片的轮廓尺寸影响很大。

一种燃机叶片试板定向凝固过程的研究

明确铸件定向凝固过程中的温度变化规律,可以避免重型燃气轮机定向叶片铸造中出现的一些缺陷。文章选取了与某重型燃机第1级涡轮动叶尺寸相近的试板,采用定向凝固高温合金DZ445,研究了该试板在实际工业生产用定向结晶炉中的定向凝固过程,结果表明:在距离水冷铜盘位置>50 mm后固液界面形态将发生大的转变,温度梯度逐渐变小,>100 mm后温度梯度基本保持不变,这为后续制定叶片抽拉工艺给出了参考。该实验还通过热电偶获得的定向凝固过程中温度-时间曲线与Pro CAST模拟结果基本一致,验证了模拟边界条件和设置参数的准确性,后续可以用于模拟结构复杂的叶片定向凝固过程,指导实际生产工艺。

光固化成型的燃机叶片快速熔模铸造研究

针对某型燃机叶片快速成型进行性能实验研究的需要,提出一种基于光固化成型技术的树脂叶片模型作为熔模进行熔模铸造叶片的工艺方法。通过研究模型材料的加温试验,探究型壳中的空气对型壳的影响试验,研究型壳厚度对型壳内应力的影响规律,对叶片铸造工艺中出现的型壳开裂问题进行分析研究。研究结果表明:型壳产生破裂主要由于型壳强度不足,以及型壳厚度、材料受热膨胀等因素的影响。

LMC法制备定向重型燃机叶片的组织性能研究

利用金相和扫描电镜观察了液态金属冷却技术(LMC)制备的DSM11合金重型燃机叶片不同位置的定向凝固组织和热处理组织,并利用持久试验机测试了相应状态下980℃×220 MPa的持久性能。研究表明,随着叶片取样位置远离冷却盘,缩孔的尺寸增加,η相的析出倾向增大,γ+γ′共晶尺寸增加,导致了叶片不同位置热处理组织和持久性能的差异。

熔融沉积式燃机叶片快速熔模铸造技术研究与试验

针对某燃机叶片叶型部分形状复杂和轮廓度精度要求高的特点,提出了一种基于熔融沉积技术的燃机叶片快速熔模铸造方法,通过基于NURBS曲线的分层截面生成算法对燃机叶片STL(stereolithography)模型进行分层,提高燃机叶片模样的轮廓度精度,制订了燃机叶片快速熔模铸造工艺流程,采用三坐标测量机对燃机叶片铸件进行测量,对其两个关键截面进行型线轮廓度偏差分析与评价,结果表明:基于熔融沉积技术的快速熔模铸造燃机叶片铸件在轮廓精度方面满足要求,快速熔模铸造工艺流程合理、可行。

通过改进工装提高燃机叶片检测效率

针对燃机叶片检测结果不稳定、效率偏低的情况，我们消化吸收了日本MHI等公司的技术，根据实际情况，探求提高效率的办法。本文首先进行了现状分析，对影响检测效率的各个因素进行分解，确定必须从改进检测工装着手，然后从测量过程中确定改进方案，同时在不断的实际检测中反复试验并改进工装，最终实现了大大提高检测效率的目标。在工装的改进中将测量过程与生产过程紧密联系，促进了检测与工艺的相互改进。

3D打印树脂模在重型燃机透平叶片制造中的应用技术研究

针对重型燃机高温透平叶片精铸流程长、试验迭代慢的特点,介绍了3D打印树脂模在燃机叶片精密铸造开发过程中的应用情况。重点阐述了3D打印树脂模的材料特性、强度控制方法、表面特性以及适应精密铸造过程的工艺匹配方法,为采用树脂模直接成型叶片创造了条件。

重型燃机叶片熔模铸造过程的数值模拟

采用Procast软件模拟计算重型燃机叶片熔模铸造过程的温度场,对凝固过程进行了分析,研究了不同的浇注温度对叶片缩松的影响。结果表明,随着浇注温度提高,叶根、叶身处缩松均减少。通过在型壳适当的位置加冷铁、包裹保温棉,可以显著地减少叶片的缩松。对模拟得到的较优工艺进行试验验证,叶片缩松的位置、变化规律与模拟结果相吻合。

重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

采用ProCAST软件系统研究HRS(High Rate Solidification)与LMC(Liquid Metal Cooling)工艺下,不同工艺参数对重型燃机用大型定向结晶空心叶片凝固过程的影响。结果表明:与HRS工艺相比,LMC工艺下叶片的糊状区宽度更小,固/液界面形状更加平直。LMC工艺下叶片的纵向温度梯度约为HRS工艺下的3倍;利用LMC工艺制备该燃机叶片时冷却速率为0.3~2.00℃/s,远高于HRS工艺时的冷却速率(0.05~0.16℃/s);LMC工艺下,采用低的保温炉温度仍可保证叶片获得高的温度梯度和冷却速率;而为避免缘板处杂晶对原始晶粒的阻碍,HRS工艺应当采用高的保温炉温度与更低的抽拉速率。实验与模拟结果均表明:与HRS工艺相比,利用LMC工艺制备的燃机叶片,枝晶组织显著细化。

重型燃机涡轮叶片精铸工艺研究

浇不足、疏松和夹渣等缺陷是铸件浇注时常出现的问题。针对这一问题,以某重型燃机Ⅰ级涡轮叶片无余量精铸工艺作为研究对象,介绍了陶瓷型芯制备与烧结工艺、蜡模与组合方案设计、陶瓷型壳制备工艺和铸件浇注工艺、铸件脱芯工艺等几个关键方面,较好地解决了此类问题。在此基础上,制备出了符合设计要求的合格叶片铸件,并通过了试车考核。

基于熔融沉积技术的叶片快速熔模铸造试验

针对燃气轮机叶片熔模铸造过程复杂、周期长、成本高等问题,利用3D打印熔融沉积技术打印ABS模型,粘接蜡模浇注系统组成模组,经过涂挂涂料、高压釜脱ABS和焙烧获得完整的叶片型壳,并采用工业内窥镜对其型腔内部进行检测后浇注金属液。采用三维光学扫描方式对铸件的整体尺寸和其叶型截面的关键尺寸偏差值进行检测。试验表明,采用熔融沉积技术打印叶片模型进行快速熔模铸造能够满足铸造要求,为燃气轮机叶片样件熔模铸造提供一种时间短、成本低、可靠性高的新方法。

透平叶片内外冷却耦合的流体网络分析方法

流体网络分析方法在燃机透平叶片冷却方案设计中具有重要意义,透平入口温度的不断提高对流体网络方法的计算速度和精度提出了挑战。本文在传统流体网络方法的基础上考虑叶片内外冷却的耦合作用,发展了内外冷却耦合的流体网络分析方法,并搭建了预测平台。本文选用典型航空高温涡轮叶片进行精度验证,结果表明,相比于传统流体网络方法,本方法的预测误差由6.54%降低到4.91%。本方法有助于提高设计精度,为下一代高性能燃机设计提供支撑。

液态金属冷却法制备重型燃机定向结晶空心叶片凝固过程的实验与模拟

利用高温度梯度定向凝固-液态金属冷却(LMC)技术制备了重型燃机定向结晶空心高压涡轮叶片,采用Pro CAST有限元模拟软件计算了LMC定向凝固工艺下,不同抽拉速率时空心定向结晶叶片凝固过程的温度场、晶粒组织以及一次枝晶间距(PDAS),预测了抽拉速率对杂晶、雀斑等缺陷的影响.结果表明,模拟结果与实验结果吻合良好.随着抽拉速率增加,叶片的凝固速率、冷却速率均增加,远高于高速凝固法(HRS)的凝固速率、冷却速率;叶片不同部位达到最大纵向温度梯度时的抽拉速率不同,纵向温度梯度是评价定向工艺的有效方法;LMC工艺制备的燃机叶片消除了雀斑缺陷,PDAS远小于HRS工艺.

某型重型燃机实心动叶片的精密铸造过程尺寸控制

在某型重型燃机叶片的开发过程中,采用3D打印光敏树脂叶片进行铸造工艺试验,获得铸造收缩率,结合蜡料收缩率参数,开发了蜡模模具;通过MoldFlow模拟发现,采用冷蜡芯可以有效地减小蜡模的非均匀收缩并将蜡模尺寸控制在公差允许范围之内。通过对解剖后的叶片型壳进行蓝光扫描,获得了烧结状态型壳的尺寸。结果表明,模具的收缩率设置合理,采用冷蜡芯工艺和胎具定形工艺有助于最终铸件尺寸的保证。