第44卷第4期
2002年8月
汽 轮 机 技 术TU
RBINETECHNOLOGY
Vol.44No.4Aug.2002
燃机叶片精密铸造技术研究
高亚龙1,高旭光1,董玉华2
(1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;2大庆石化公司塑料厂,大庆163714)
摘要:从选材、冶金特性、及检验方面,阐述了燃机精铸技术的先进性,该技术代表了我国大尺寸、高温合金、真空浇注技术的发展方向。
关键词:燃气轮机;精密铸造;叶片分类号:TG249.5;TK266 文献标识码:B 文章编号:100125884(2002)0420255202
ResearchonPrecisionCastingTechnologyforBladesofGasTurbine
GAOYa2long1,GAOXu2guang1,DONGYu2hua2
(1HarbinTurbineCompanyLimited,150046,2PlasticWorksofDaqingPetrochemical)
Abstract:Thispaperillustratesadbantagesofprecisioninaspectofmaterialse2lecting,metallurgicfearuresandinspection.developingdirectionfolargesize,hightemperaturealloyandKeywords:gas;0 前 言
某燃气轮机动力涡轮部分的动、导叶片研制工作,是整机制造技术的重中之重。2个级别的动叶片、4个级别的导叶片全部采用精密铸造方法制造。从较高的整机性能角度考虑,在材料的选用、零件结构的设计以及最终的检验标准方面,都是国内无法替代、传统工艺难以保证、并且最终较难达到其全部标准要求的。
1 产品概况
动叶片、导叶片结构如图1、图2所示。动叶片长度310mm,导叶片长度350mm,叶片最终检验包括以下几个方面:尺寸检查、化学成份检查、机械性能包括高温持久强度、高
收稿日期:2002201223
温瞬时强度的检查、荧光检
查、X光检查、表面晶粒度检查、横断面微观组织及疏松度检查、贫化层检查等等。
难点有二:第一,尺寸大,导叶片为双只成组浇注,铸件组相关尺寸要求严。这是目前国内最大的镍基合金真空件。相应带来一系列问题:变形问题,顺序凝固引起微观疏松问题,表面晶粒细化,过度处
图2热裂问题等等。第二,合金
特性独特,涉及镍基高温铸造合金3种:Чс702ВИ、Чс912ВИ、Чс1042ВИ。由英国引进,国内暂无代用材料。其中所含元素的烧损规律、主要元素对性能的影响、合金的铸造性能都需大量的实践结合高温合金理论不断地探索。
2 材料的选用
镍基高温铸造合金,按AMS2280A国际通用标准引进。该标准规定了各种微量元素,杂质成份的最高含量。对于回炉料,这几种合金回熔性不好,不适合重熔合锭。使用时,割除浇口杯上面部分,这样就去除了与外部接触部分可能导致的成份变化,也去除了合金凝固时推到结晶前沿的杂质部分,再通过控制回炉料与新炉料的比例,充分地保证了合金
图1 动叶片
作者简介:高亚龙(19692),男,工程师,哈尔滨汽轮机厂有限责任公司精铸车间技术主任,哈尔滨市铸造学会理事。
256
汽 轮 机 技 术 第44卷
的成份乃至性能。制壳用耐火骨料选用白刚玉砂,其特点
是:熔点高、结构致密、导热性好、热膨胀小且均匀,所制型壳尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性优良。该材料外观晶莹剔透,经水洗分筛,粒度均匀,几乎没有含粉量。应用这种材料,在不采用面层孕育剂的情况下,利用其较高的导热性能所提供的型壳温度梯度,使合金以30℃/min～50℃/min的速度冷却,从而达到铸件表面晶粒细小(平均直径0.99mm～0.52mm)的目的。另外,铸件吹砂用料,也选用了硬度高(莫氏硬度9.0),粒度均匀的棕刚玉。
细化晶粒还可以选择铝酸钴表面孕育的方法:Co2O3(HG3912276)的质量分数为20%,白刚玉粉(HB5347286)的质量分数为80%.经1280℃煅烧3.5h～4.5h,可使混合物中剩余钴含量在3%以下。含量监控用光度分析法。图3为剩余钴含量同煅烧的持续时间和煅烧温度的关系。该图证明所制定工艺的准确性
。
3 对合金冶金特性的分析
镍基铸造高温合金所含元素中,B是重要元素,必须定量检查。常态下,B在晶界形成粒状硼化物,起强化作用,高温状态下,硼化物回溶到晶粒中,温度下降时,又重新生成于晶界处,所以合金中B含量超出上限、下限均为废品,不可回用。Zr、Y元素在合金凝固时可将其它元素排斥到晶粒中,清洁晶界,并使晶界细化、变小,从而起到强化作用,例如:合金中P、S元素极易在晶界中形成SO2、P2O5,共晶体一般650℃左右熔化,Zr、素具有排斥P、S晶体的含量,冶炼时,。C是真空炉中最好的脱氧剂:Al2O3+3C=2Al+3CO↑,因为C、Cr、Al、Ti在冶炼中极易烧损,石墨的加入,一来可保持C含量的稳定,促进组织中TiC、WC等硬化相的形成,二来可以防止Al、Ti的烧损,原理见上述化学方程式。加入方式:石墨块2mm～5mm,放入炉底,加入量一般为钢水量的0.02%。
根据目前国内精铸技术的现状和该叶片要求的高指标性能,综合考虑各方面因素,灵活掌握标准是非常有必要的:合金中如果B元素起到了应有的作用,就会使晶界很薄且低熔点化合物少,这样对晶粒度的要求可以放松到6～8级(标准要求2～5级YB/T514821993),但晶粒度大小必须过渡均匀。对叶根部位,如果疏松度小的话,晶粒度允许达到上限,中间部位可以达到6～7级。疏松度标准要求0.5%～1.5%,但如果机械性能指标很好,可以放松2.1%,对次重要位置可以放松至5.7%。导叶组装环后,最重要的是通流面积,为保证喉宽,可以修叶片排气边内侧。为保证叶片排气厚度,可以修排气边背侧,这时可以改变排气边处的型线。更有甚者,如果末级导叶排气边有缺陷允许修距排气5m～6m以内缺陷,且不须补焊。类似情况对末级动叶而言,只局限在叶片顶部位置,但数量应控制在装机数量的2.6%以内。
4 对工艺方法的考虑
根据铸件结构的特点选择底注式浇注系统,有利于晶粒度的控制。顶部采用雨淋式内浇口,使充型平稳、快速。竖浇道的设计考虑到了收缩凝固时可能对铸件产生变形影响,在竖浇道三分之二处缩小半径(见图2),使收缩应力作用于此造成断裂,而避免了对铸件的影响。钢水冶炼后期,采用两种方式去除氧化膜,一是反复倾斜坩锅,使膜挂在坩锅壁上,或通过改变输入功率,通过电磁搅拌的强弱变化破坏氧化膜,达到净化钢水的目的。为使铸件的冷却达到热处理的状态,真空炉中增设950℃保温装置。型壳浇注后,利用型壳材料本身导热性极好的作用,迅速(30℃/min～50℃/min)冷却至950℃左右,然后取出放入双层隔热箱中慢速冷却。
6 结 论
金属材料,辅助材料选用方面的考虑,为保证高性能指
标所运用的工艺,提供了必要的前提条件。经过大量试验总结出的合金冶金特性,为制定合理工艺奠定了基础。尽管工艺手段仁者见仁,智者见智,但上述方面确是解决了影响产品质量的关键问题。只有在丰富经验的基础上,并保证机组安全与性能指标,才可以综合考虑检验的指标。
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第44卷第4期
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RBINETECHNOLOGY
Vol.44No.4Aug.2002
燃机叶片精密铸造技术研究
高亚龙1,高旭光1,董玉华2
(1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;2大庆石化公司塑料厂,大庆163714)
摘要:从选材、冶金特性、及检验方面,阐述了燃机精铸技术的先进性,该技术代表了我国大尺寸、高温合金、真空浇注技术的发展方向。
关键词:燃气轮机;精密铸造;叶片分类号:TG249.5;TK266 文献标识码:B 文章编号:100125884(2002)0420255202
ResearchonPrecisionCastingTechnologyforBladesofGasTurbine
GAOYa2long1,GAOXu2guang1,DONGYu2hua2
(1HarbinTurbineCompanyLimited,150046,2PlasticWorksofDaqingPetrochemical)
Abstract:Thispaperillustratesadbantagesofprecisioninaspectofmaterialse2lecting,metallurgicfearuresandinspection.developingdirectionfolargesize,hightemperaturealloyandKeywords:gas;0 前 言
某燃气轮机动力涡轮部分的动、导叶片研制工作,是整机制造技术的重中之重。2个级别的动叶片、4个级别的导叶片全部采用精密铸造方法制造。从较高的整机性能角度考虑,在材料的选用、零件结构的设计以及最终的检验标准方面,都是国内无法替代、传统工艺难以保证、并且最终较难达到其全部标准要求的。
1 产品概况
动叶片、导叶片结构如图1、图2所示。动叶片长度310mm,导叶片长度350mm,叶片最终检验包括以下几个方面:尺寸检查、化学成份检查、机械性能包括高温持久强度、高
收稿日期:2002201223
温瞬时强度的检查、荧光检
查、X光检查、表面晶粒度检查、横断面微观组织及疏松度检查、贫化层检查等等。
难点有二:第一,尺寸大,导叶片为双只成组浇注,铸件组相关尺寸要求严。这是目前国内最大的镍基合金真空件。相应带来一系列问题:变形问题,顺序凝固引起微观疏松问题,表面晶粒细化,过度处
图2热裂问题等等。第二,合金
特性独特,涉及镍基高温铸造合金3种:Чс702ВИ、Чс912ВИ、Чс1042ВИ。由英国引进,国内暂无代用材料。其中所含元素的烧损规律、主要元素对性能的影响、合金的铸造性能都需大量的实践结合高温合金理论不断地探索。
2 材料的选用
镍基高温铸造合金,按AMS2280A国际通用标准引进。该标准规定了各种微量元素,杂质成份的最高含量。对于回炉料,这几种合金回熔性不好,不适合重熔合锭。使用时,割除浇口杯上面部分,这样就去除了与外部接触部分可能导致的成份变化,也去除了合金凝固时推到结晶前沿的杂质部分,再通过控制回炉料与新炉料的比例,充分地保证了合金
图1 动叶片
作者简介:高亚龙(19692),男,工程师,哈尔滨汽轮机厂有限责任公司精铸车间技术主任,哈尔滨市铸造学会理事。
256
汽 轮 机 技 术 第44卷
的成份乃至性能。制壳用耐火骨料选用白刚玉砂,其特点
是:熔点高、结构致密、导热性好、热膨胀小且均匀,所制型壳尺寸稳定性、热稳定性及高温化学稳定性优良。该材料外观晶莹剔透,经水洗分筛,粒度均匀,几乎没有含粉量。应用这种材料,在不采用面层孕育剂的情况下,利用其较高的导热性能所提供的型壳温度梯度,使合金以30℃/min～50℃/min的速度冷却,从而达到铸件表面晶粒细小(平均直径0.99mm～0.52mm)的目的。另外,铸件吹砂用料,也选用了硬度高(莫氏硬度9.0),粒度均匀的棕刚玉。
细化晶粒还可以选择铝酸钴表面孕育的方法:Co2O3(HG3912276)的质量分数为20%,白刚玉粉(HB5347286)的质量分数为80%.经1280℃煅烧3.5h～4.5h,可使混合物中剩余钴含量在3%以下。含量监控用光度分析法。图3为剩余钴含量同煅烧的持续时间和煅烧温度的关系。该图证明所制定工艺的准确性
。
3 对合金冶金特性的分析
镍基铸造高温合金所含元素中,B是重要元素,必须定量检查。常态下,B在晶界形成粒状硼化物,起强化作用,高温状态下,硼化物回溶到晶粒中,温度下降时,又重新生成于晶界处,所以合金中B含量超出上限、下限均为废品,不可回用。Zr、Y元素在合金凝固时可将其它元素排斥到晶粒中,清洁晶界,并使晶界细化、变小,从而起到强化作用,例如:合金中P、S元素极易在晶界中形成SO2、P2O5,共晶体一般650℃左右熔化,Zr、素具有排斥P、S晶体的含量,冶炼时,。C是真空炉中最好的脱氧剂:Al2O3+3C=2Al+3CO↑,因为C、Cr、Al、Ti在冶炼中极易烧损,石墨的加入,一来可保持C含量的稳定,促进组织中TiC、WC等硬化相的形成,二来可以防止Al、Ti的烧损,原理见上述化学方程式。加入方式:石墨块2mm～5mm,放入炉底,加入量一般为钢水量的0.02%。
根据目前国内精铸技术的现状和该叶片要求的高指标性能,综合考虑各方面因素,灵活掌握标准是非常有必要的:合金中如果B元素起到了应有的作用,就会使晶界很薄且低熔点化合物少,这样对晶粒度的要求可以放松到6～8级(标准要求2～5级YB/T514821993),但晶粒度大小必须过渡均匀。对叶根部位,如果疏松度小的话,晶粒度允许达到上限,中间部位可以达到6～7级。疏松度标准要求0.5%～1.5%,但如果机械性能指标很好,可以放松2.1%,对次重要位置可以放松至5.7%。导叶组装环后,最重要的是通流面积,为保证喉宽,可以修叶片排气边内侧。为保证叶片排气厚度,可以修排气边背侧,这时可以改变排气边处的型线。更有甚者,如果末级导叶排气边有缺陷允许修距排气5m～6m以内缺陷,且不须补焊。类似情况对末级动叶而言,只局限在叶片顶部位置,但数量应控制在装机数量的2.6%以内。
4 对工艺方法的考虑
根据铸件结构的特点选择底注式浇注系统,有利于晶粒度的控制。顶部采用雨淋式内浇口,使充型平稳、快速。竖浇道的设计考虑到了收缩凝固时可能对铸件产生变形影响,在竖浇道三分之二处缩小半径(见图2),使收缩应力作用于此造成断裂,而避免了对铸件的影响。钢水冶炼后期,采用两种方式去除氧化膜,一是反复倾斜坩锅,使膜挂在坩锅壁上,或通过改变输入功率,通过电磁搅拌的强弱变化破坏氧化膜,达到净化钢水的目的。为使铸件的冷却达到热处理的状态,真空炉中增设950℃保温装置。型壳浇注后,利用型壳材料本身导热性极好的作用,迅速(30℃/min～50℃/min)冷却至950℃左右,然后取出放入双层隔热箱中慢速冷却。
6 结 论
金属材料,辅助材料选用方面的考虑,为保证高性能指
标所运用的工艺,提供了必要的前提条件。经过大量试验总结出的合金冶金特性,为制定合理工艺奠定了基础。尽管工艺手段仁者见仁,智者见智,但上述方面确是解决了影响产品质量的关键问题。只有在丰富经验的基础上,并保证机组安全与性能指标,才可以综合考虑检验的指标。
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