渦輪葉片的材料和制造工藝

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 渦輪葉片的材料和制造工藝渦輪葉片是航空發(fā)動機的關鍵件，其承受溫度的能力是評價發(fā)動機性能和決定發(fā)動機壽命上的重要因素，為了使渦輪葉片獲得高耐溫能力，應從兩方面進行考慮：鑄造工藝和葉片材料。渦輪葉片的工作環(huán)境極其惡劣，一方面葉片的工作溫度很高，對于航機的渦輪進口溫度最高已達1950,因此要求葉片材料在高溫下應具有較高的持久強度和蠕變強度，足夠的韌性，良好的抗熱疲勞和機械疲勞性能，以及較高的抗高溫氧化和抗熱腐蝕能力。另一方面，由于葉片承受溫度的不均勻性，使其存在很高的熱應力，并且燃機在變工況時將承受很大的熱沖擊，所以要求葉片擁有耐熱沖擊能力。隨著大推力、高效率、長壽命的渦

2、輪發(fā)動機的發(fā)展，需要不斷提高渦輪進口燃氣溫度，為適應這一要求，無論葉片結構還是葉片材料都應不斷改進以提高其耐高溫能力。無余量熔模精密鑄造目前為渦輪葉片制造的最佳手段。其工藝流程主要包括型芯模具的設計與制造、壓制型芯、蠟模模具的設計與制造、裝配注蠟、涂漿制殼、干燥型殼、脫蠟、燒結、澆注金屬、脫殼脫芯、激光打孔等環(huán)節(jié)。模具的設計定型：1、精鑄模具型腔體設計，首先建立葉片零件模型，包括葉身、緣板、榫頭伸根的內(nèi)型特征，以此構建葉身實體。此后進行葉片的多態(tài)模型轉(zhuǎn)化，由葉片零件模型轉(zhuǎn)化到型腔體模型。2、型腔優(yōu)化及精鑄仿真，根據(jù)鑄件的收縮原理采用反變形優(yōu)化工藝方法對型腔進行放型最終得到模具型腔。3、精鑄模具

3、結構設計與制造，確定核心包絡塊并設計葉片精鑄模具模架，再由模具標準件經(jīng)機械加工、表面處理、裝配、檢測、修模到定型。模具結構的合理性和尺寸精度對于熔模精鑄件十分重要。設計制造高質(zhì)量的內(nèi)外型模具即精鑄模具就成為精密熔模鑄造技術的關鍵。陶瓷型芯的制造：在葉片蠟型壓制之前是需制作設計陶瓷型芯模具，并壓制合格陶瓷型芯。陶瓷型芯的制備包括漿料的配制、型芯壓制、型芯素肧的修理、燒結、強化及其過程質(zhì)量控制與檢驗等。決定漿料性能的因素有陶瓷粉料的成分與顆粒形狀、增塑劑的成分和性質(zhì)、粉料和增塑劑的比例等。陶瓷型芯的質(zhì)量很大程度上取決于素胚的壓制質(zhì)量，壓制壓力、鎖模壓力、漿料溫度、保壓時間等是影響陶瓷型芯壓制質(zhì)量的

4、主要原因。蠟模的制造工藝：合格的蠟型是制備精密鑄件的前提，壓制蠟型時，將陶芯放入蠟型模具中，并依靠定位元件對其定位。生產(chǎn)中大多采用壓力把糊狀模料壓入壓型的方法制造熔模。壓制蠟基模料時，分型劑可為機油、松節(jié)油等；分型劑層越薄越好，使熔模能更好地復制壓型的表面，提高熔模的表面光潔度。 模料壓制溫度、壓注壓力、保壓時間、壓型溫度、和模力、分型劑種類及其用量，以及制模和存放熔模的環(huán)境都會影響蠟模的質(zhì)量。熔模鑄型的制造工藝：首先是熔模的組裝，把形成鑄件的熔模和形成澆冒口系統(tǒng)的熔模組合在一起，主要采用焊接法，用薄片狀的烙鐵，將熔模的連接部位熔化，使熔模焊在一起。后再經(jīng)過若干次涂料、掛砂，干燥硬化，密封加固

5、，脫蠟，焙燒最終制成型殼。型殼的性能與質(zhì)量取決于面層與加固層材料的性能、相應涂掛工藝和過程控制。合金澆鑄工藝：高溫合金熔模精密鑄造廣泛使用真空感應熔煉澆注。影響其工藝的主要因素有母合金棒錠的質(zhì)量，熔煉澆注用陶瓷制件的質(zhì)量，澆注工藝參數(shù)（澆注溫度、澆注速度、型殼溫度、冷卻速度）。影響渦輪葉片精鑄尺寸精度的因素較多，例如模料的收縮、熔模的變形、型殼在加熱和冷卻過程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝固過程中鑄件的變形等。采用模具型腔反變形補償方法是提高渦輪葉片精鑄尺寸精度的一個有效手段。鑄造中，澆注后葉片的尺寸變形最大，高溫液態(tài)合金注入模殼后，隨溫度的降低，會產(chǎn)生收縮變形，同時會產(chǎn)生彎曲變形和彎扭變

6、形。為了有效地防止變形的產(chǎn)生，采用在傳統(tǒng)的模具設計時考慮對收縮變形的補償，通過數(shù)值模擬方法或者經(jīng)驗方法獲得變形量，然后向與變形相反的方向預留一定的變形量，這樣在變形后就會獲得與設計模型一致的鑄件。由于渦輪葉片外形復雜，僅采用一次位移場補償?shù)姆椒ǎ茈y達到精度要求?？梢酝ㄟ^迭代法可以較為精確地逼近外形。渦輪進口溫度每提高100，航空發(fā)動機的推重比能夠提高10左右。據(jù)報道，自20世紀60年代中期至80年代中期，渦輪進口溫度平均每年提高15，其中材料所做出的貢獻在7左右?？梢?，材料的發(fā)展對提高渦輪進口溫度起到了至關重要的作用。20世紀60年代以來，由于真空冶煉技術水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫

7、合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。定向凝固高溫合金通過控制結晶生長速度使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，改善了合金的強度和塑形，提高了合金的熱疲勞性能。到20世紀80年代，隨著單晶合金材料在渦輪葉片上成熟應用，更推動了渦輪葉片用材料的又一次革命。但是單晶葉片制造工序繁多，過程復雜，在表面處理、氣膜孔加工、噴涂涂層等過程中非常容易產(chǎn)生外來應力，使其在后續(xù)長時間的高溫使用過程中也有可能出現(xiàn)再結晶現(xiàn)象，為發(fā)動機渦輪葉片的安全可靠使用帶來了潛在威脅。目前航空發(fā)達國家正在發(fā)展冷卻效果達到0.75以上的層板、發(fā)散等先進渦輪葉片冷卻方式，但隨著冷卻技術的不斷改進，葉片內(nèi)部的結構愈發(fā)復雜，對于渦輪葉片的材料設計和

8、制造工藝設計提出了更高的挑戰(zhàn)。提高渦輪葉片的耐高溫能力是我們的追求，目前解決這一問題的主要手段之一是在渦輪葉片表面采用熱障涂層技術，熱障涂層技術的基本設計思想是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和絕熱等性能使其以涂層形式和基體復合，以提高結構件抵抗高溫腐蝕的能力。即研制既具有相當隔熱效果又可經(jīng)受長期高溫氧化腐蝕的陶瓷熱障涂層，通過將低導熱性、耐高溫的陶瓷材料以涂層的方式沉積到高溫合金基體表面以達到隔熱和降低工件表面工作溫度的目的。熱障涂層的應用可提高渦輪前燃氣溫度或減少冷卻空氣量，從而提高發(fā)動機性能或推力。國外熱障涂層系統(tǒng)一般是兩層結構，外層為隔熱陶瓷層，利用其較低的熱傳導性和基體自帶的

9、冷卻系統(tǒng)，可在陶瓷中產(chǎn)生較大的溫度降。內(nèi)層為粘結層，可以改善陶瓷層與金屬基體的粘結性能，同時也具有抗氧化功能，保護葉片基體免受氧化侵害。我國在熱障涂層研制方面起步較晚，目前我國的熱障涂層技術也有了較大的進步， 熱障涂層已經(jīng)應用于發(fā)動機燃燒室、噴口、渦輪葉片等處，渦輪葉片上熱障涂層的制備方法，等離子噴涂熱障涂層的工作原理是通過電離形成等離子氣流，溫度可達2 000，能在很短時間內(nèi)迅速將涂層材料熔化或軟化，然后以很高的速度(可達200 m/s)噴在預熱的基體或已噴的涂層上，涂層與基體的結合方式主要是機械鎖定。這種方法的優(yōu)點是噴涂速度快，生產(chǎn)效率高，零件尺寸不受真空容器的體積限制，可以很大；缺點是不易用來噴涂形狀復雜的零件，噴涂厚度不均勻，表面較粗糙，結合不牢，涂層壽命較低，因此不適于在對表面粗糙度和壽命都有很高要求的航空發(fā)動機渦輪葉片上應用。從單晶合金的發(fā)展來看，使用溫度已經(jīng)超過了1200 ，與合金的初熔溫度相比僅有不足200 的差距，鎳鋁金屬間化合物與鈮-硅基合金是二種有希望成為新一代超高溫材料的新型高溫合金，它們的密度不足鎳基高溫合金的4/5，采用這兩種合金制造的高壓渦輪葉片估計能夠使轉(zhuǎn)子質(zhì)量減輕30%左右。但它們也有兩個致命的缺點，即抗氧化性能差和高溫強度相對較低，目前的材料不