渦輪葉片的材料和制造工藝

1、渦輪葉片的材料和制造工藝渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件，其承受溫度的能力是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和決定發(fā)動(dòng)機(jī)壽命上的重要因素，為了使渦輪葉片獲得高耐溫能力，應(yīng)從兩方面進(jìn)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(duì)于航機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度最高已達(dá)1950C,因此要求葉片材料在高溫下應(yīng)具有較高的持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，足夠的韌性，良好的抗熱疲勞和機(jī)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(yīng)力，并且燃機(jī)在變工況時(shí)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(zhǎng)壽命的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，需要不斷提

2、高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟龋瑸檫m應(yīng)這一要求，無(wú)論葉片結(jié)構(gòu)還是葉片材料都應(yīng)不斷改進(jìn)以提高其耐高溫能力。無(wú)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(shè)計(jì)與制造、壓制型芯、蠟?zāi)Ｄ＞叩脑O(shè)計(jì)與制造、裝配注蠟、涂漿制殼、干燥型殼、脫蠟、燒結(jié)、澆注金屬、脫殼脫芯、激光打孔等環(huán)節(jié)。模具的設(shè)af定型：1、精鑄模具型腔體設(shè)計(jì)，首先建立葉片零件模型，包括葉身、緣板、樺頭伸根的內(nèi)型特征，以此構(gòu)建葉身實(shí)體。此后進(jìn)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(duì)型腔進(jìn)行放型最終得到模具型腔。3、精鑄模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，確定核心

3、包絡(luò)塊并設(shè)計(jì)葉片精鑄模具模架，再由模具標(biāo)準(zhǔn)件經(jīng)機(jī)械加工、表面處理、裝配、檢測(cè)、修模到定型。模具結(jié)構(gòu)的合理性和尺寸精度對(duì)于熔模精鑄件十分重要。設(shè)計(jì)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(shù)的關(guān)鍵。陶瓷型芯的制造：在葉片蠟型壓制之前是需制作設(shè)計(jì)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、型芯素環(huán)的修理、燒結(jié)、強(qiáng)化及其過(guò)程質(zhì)量控制與檢驗(yàn)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(shí)間等是影響陶瓷型芯壓制質(zhì)量的主要原因。蠟?zāi)５闹圃旃に?/p>

4、：合格的蠟型是制備精密鑄件的前提，壓制蠟型時(shí)，將陶芯放入蠟型模具中，并依靠定位元件對(duì)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(shí)，分型劑可為機(jī)油、松節(jié)油等；分型劑層越薄越好，使熔模能更好地復(fù)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(shí)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(huì)影響蠟?zāi)５馁|(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(guò)若干次涂料、掛砂，干燥硬化，密封加固，脫蠟，焙燒最終制成型殼。

5、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(yīng)涂掛工藝和過(guò)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(yīng)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(guò)程中的線量變化、合金的收縮率以及在凝固過(guò)程中鑄件的變形等。采用模具型腔反變形補(bǔ)償方法是提高渦輪葉片精鑄尺寸精度的一個(gè)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(huì)產(chǎn)生收縮變形，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲變形和彎扭變形。為了有效地防止變形的產(chǎn)

6、生，采用在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮對(duì)收縮變形的補(bǔ)償，通過(guò)數(shù)值模擬方法或者經(jīng)驗(yàn)方法獲得變形量，然后向與變形相反的方向預(yù)留一定的變形量，這樣在變形后就會(huì)獲得與設(shè)計(jì)模型一致的鑄件。由于渦輪葉片外形復(fù)雜，僅采用一次位移場(chǎng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，很難達(dá)到精度要求。可以通過(guò)迭代法可以較為精確地逼近外形。渦輪進(jìn)口溫度每提高100C,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比能夠提高10%左右。據(jù)報(bào)道，自20世紀(jì)60年代中期至80年代中期，渦輪進(jìn)口溫度平均每年提高15C,其中材料所做出的貢獻(xiàn)在7c左右。可見(jiàn)，材料的發(fā)展對(duì)提高渦輪進(jìn)口溫度起到了至關(guān)重要的作用。20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于真空冶煉技術(shù)水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開(kāi)始成為渦

7、輪葉片的主選材料。定向凝固高溫合金通過(guò)控制結(jié)晶生長(zhǎng)速度使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，改善了合金的強(qiáng)度和塑形，提高了合金的熱疲勞性能。到20世紀(jì)80年代，隨著單晶合金材料在渦輪葉片上成熟應(yīng)用，更推動(dòng)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(guò)程復(fù)雜，在表面處理、氣膜孔加工、噴涂涂層等過(guò)程中非常容易產(chǎn)生外來(lái)應(yīng)力，使其在后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的高溫使用過(guò)程中也有可能出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象，為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的安全可靠使用帶來(lái)了潛在威脅。目前航空發(fā)達(dá)國(guó)家正在發(fā)展冷卻效果達(dá)到0.75以上的層板、發(fā)散等先進(jìn)渦輪葉片冷卻方式，但隨著冷卻技術(shù)的不斷改進(jìn)，葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，對(duì)于渦輪葉片的材料設(shè)計(jì)和制造工藝設(shè)計(jì)提出了

8、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(wèn)題的主要手段之一是在渦輪葉片表面采用熱障涂層技術(shù)，熱障涂層技術(shù)的基本設(shè)計(jì)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(fù)合，以提高結(jié)構(gòu)件抵抗高溫腐蝕的能力。即研制既具有相當(dāng)隔熱效果又可經(jīng)受長(zhǎng)期高溫氧化腐蝕的陶瓷熱障涂層，通過(guò)將低導(dǎo)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(dá)到隔熱和降低工件表面工作溫度的目的。熱障涂層的應(yīng)用可提高渦輪前燃?xì)鉁囟然驕p少冷卻空氣量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能或推力。國(guó)外熱障涂層系統(tǒng)一般是兩層結(jié)構(gòu)，外層為隔熱陶瓷層，利用其較低的熱傳導(dǎo)性和基體自帶的冷卻系統(tǒng)，可在陶瓷

9、中產(chǎn)生較大的溫度降。內(nèi)層為粘結(jié)層，可以改善陶瓷層與金屬基體的粘結(jié)性能，同時(shí)也具有抗氧化功能，保護(hù)葉片基體免受氧化侵害。我國(guó)在熱障涂層研制方面起步較晚，目前我國(guó)的熱障涂層技術(shù)也有了較大的進(jìn)步，熱障涂層已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)電離形成等離子氣流，溫度可達(dá)2000C,能在很短時(shí)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(dá)200m/s）噴在預(yù)熱的基體或已噴的涂層上，涂層與基體的結(jié)合方式主要是機(jī)械鎖定。這種方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是不易用來(lái)噴涂形狀復(fù)雜的零件，噴涂厚度不均勻，表面較粗糙，結(jié)合不牢，涂層壽命較低，因此不適于在對(duì)表面粗糙度和壽命都有很高要求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上應(yīng)用。從單晶合金的發(fā)展來(lái)看，使用溫度已經(jīng)超過(guò)了1200C,與合金的初熔溫度相比僅有不足200C的差距，饃鋁金屬間化合物與鋁-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，它們的密度不足饃基高溫合金的4/5,采用這兩種合金制造的高壓渦輪葉片估計(jì)能夠使轉(zhuǎn)子質(zhì)量減輕30%左右。但它們也有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，即抗氧化性能差和高溫強(qiáng)度相對(duì)較低