導航：安全管理網>> 安全論文>> 機械安全論文>>正文

渦輪葉片澆注工藝實踐

文檔作者：李波，李雪，潘國志，孫寶才，柳樂文檔來源：沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2026年01月23日
下載地址：點擊這里	文件大小： 1.61 MB 共4頁	文檔格式： PDF	下載點數： 1 點（VIP免費）

全屏查看

內容預覽 [文件共4頁]

本文件共4頁，如需編輯使用，請下載。

注：預覽效果可能會出現部分文字亂碼（如口口口）、內容顯示不全等問題，下載是正常的。

	文件大小：1.61 MB 共4頁文件格式：PDF 下載點數：1 點（VIP會員免費）

下一篇：渦輪式粉碎機渦輪的有限元分析

上一篇：影響渦輪增壓器渦輪端效率的幾個因素

文本預覽

僅提取頁面文字內容，供快速閱讀使用。

DeC．2014
VO|_63 N0．12
鑄造
FOUNDRY ·1283·
渦輪葉片澆注工藝實踐
李波，李雪，潘國志，孫寶才，柳樂
(沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，遼寧沈陽110043)
摘要：為解決某薄芯氣冷葉片斷芯、疏松等缺陷影響鑄件合格率的問題，進行了澆注溫度、型殼溫度、澆注速度、
澆注系統設計等主要工藝因素對鑄件充型、晶粒尺寸、斷芯、疏松等方面影響的試驗。研究表明，鑄件晶粒尺寸和
型殼溫度、澆注溫度有關；提高型殼溫度，降低澆注速度有利于晶粒細化和防止鋼液沖擊斷芯；底注式澆注系統可
有效減少鑄件斷芯缺陷。
關鍵詞：精密鑄造；渦輪葉片；充型；晶粒；斷芯；疏松
中圖分類號：TGl46；TG244 文獻標識碼：B 文章編號：100l一4977(2014)12一1283—04
PrOductiOn PraCtice Of Turbine BIade Casting
LI BO，LI Xue，PAN GuO-2hi，SUN Bao—cai，LIU Le
(Shenyang Liming Aero—Engine(Group)Corporation Ltd．，Shenyang ll 0043，Liaoning，China)
Abs舡act： hl order to solve the problems of core breakage and porosity of some thin blade．Experiment was
carried out to study the efl’ect ofpou血g temperature，mold shell temperature，pouring spee也po嘶ng syStem on
6lling moul也grain size，core丘-acture and porosi吼The reSults show mat伊ain size is related to mold shell
temperature and po嘶ng temperature，improVing mold shell tempemture and reducing po嘶ng tempera眥is
beneficialto getting 6ne鏟ain and preventing core五racnIre．And then bottom gating system can efI’ectiVely
reduce the casting core觸cture．
Keywofds：precision casting；turbine blade；filling；grain；core舶cture；porosity
隨著航空發動機推重比的不斷增大，發動機的渦
輪前溫度迅速提高，有資料顯示，燃氣溫度從l 200℃
提高到1 350℃，油耗率可降低8％【I】。空心氣冷葉片的
研制是提高發動機渦輪前溫度的重要技術之一。然而，
空心葉片的設計思想不斷推陳出新，這就給鑄造工藝
帶來新的挑戰。某低壓渦輪工作葉片為空心帶冠無余
量等軸晶鑄造葉片，由于型芯細、薄、長的結構使鑄
件極易產生斷芯缺陷，同時在解決斷芯的過程中又會
伴隨冷隔、晶粒粗大、疏松等缺陷。本文是針對上述
缺陷試驗工作的總結。
1試驗過程
以K465合金空心渦輪工作葉片(圖1)為研究載
體。該葉片帶冠，長約150 mm，葉身壁厚為1．o mm，
排氣邊僅為0．4 mm。內腔陶瓷型芯為細薄葉狀(圖2)，
最厚處1．5 mm，型面有18條橫凹，最薄處0．5 mm，葉
冠出口處型芯細小，約1．5 mm×3 mm。
1．1充型試驗
基于鑄件結構特點，葉片極易產生斷、漏芯缺陷。
針對此問題設計了4種澆注系統(圖3)進行對比試驗，
澆注溫度均為l 480℃，型殼預熱溫度為980℃，試驗
結果見表1。
圖l 低壓渦輪1：作葉片
Fig．1 Low pressure mrbine blade
㈦二胍?渦輪I’f1‘l】¨¨5．』瓷，1懟E、
Fl苧．2 L^)w pre3burc“Irblllc bladc ccranllc corc
結果分析：從實驗結果看出，方案l和方案2斷芯
數量都較多。方案3和4斷芯數量較少。方案l和2的充
收稿日期：2014-08一18收到初稿，2014-09一ll收到修訂稿。
作者簡介：李波(1966一)，男，研究員級高工，研究方向為高溫合金精密鑄造。E-mail：lnSylm2815@163．com
萬方數據
FOUNDRY
Dec．2014
V01．63 N0．12
遺西蕊蕊
(b1 (c)
I#13澆：f：系÷屯i殳ff力。糶
Ij】娑1 Dc^1蕓n L、l堅。lIIllg Ij、Icnl
表l充型試驗結果
Table 1 Test reslllts ofmHng
型方式都是鋼液從上、下兩端進入，由上部進入的鋼
液正好對型芯的薄弱環節產生了沖擊。根據鑄造充型
理論和實踐經驗可知，在充型時，液態金屬從底部進
入后再卜升的底滓方式比較平穩．而頂灃方式對型腔
的沖擊力較大。a與b的結構相近，都是底側注加上側
注的充型方式，所不同的是榫頭的位置，榫頭相對葉
冠較厚大一些，朝上放置有利于順序凝固，但由于葉
冠方向的型芯相對薄弱，所以斷芯的數量較多一些
(見圖4)。c與d的方案是為了防止型芯斷裂而設計的，
這種結構主要依靠底部充型，充型速度較慢，但是在
殼溫和鋼液溫度較低的情況下又易形成冷隔缺陷(見
圖5)。
1-2晶粒試驗
晶粒過大、超出標準要求的柱狀晶會使葉片表層
的抗疲勞性能降低[2]。為了使鑄件表面晶粒細化，可將
孕育劑加入到陶瓷型殼表面層涂料中。鎳基高溫合金
在制殼時表面層普遍使用鋁酸鈷做細化的孕育劑∞。
但澆注后的晶粒是否能夠達到標準要求，還與澆注工
藝密切相關，因此需要采取合適的熱控工藝∞。表2是
鑄件用不同澆注工藝方案進行試驗后晶粒檢查的結果。
結果分析：在充型試驗中出現了冷隔缺陷，本次
試驗提高了澆注溫度或型殼溫度，消除了冷隔缺陷。
從試驗結果看出，只有方案i出現了較大晶粒(見圖
6)，超出了標準1～6級的要求；在方案iii和iv中，大
幅度提高型殼溫度，并將保溫方式由填砂改為保溫氈
斷芯部仲
圖4斷芯葉片
F嘻4引ade wlIll corc fracturc
㈦j冷m葉”
Fig．5 Blade with cold laps
表2晶粒試驗
Table 2 Grain test
萬方數據
鑄造李波等：渦輪葉片澆注工藝實踐
或加熱器，得到更細的晶粒(見圖7)。本試驗證明了
高溫預熱、低溫澆注的工藝對晶粒細化更有利。等軸
晶葉片鑄件表面細化的關鍵在于表面孕育劑的使用和
控制鑄件澆注后晶粒長大的時間。而晶粒長大的時間
取決于鑄件冷卻的速度，也就是與澆注溫度、型殼溫
度、冷卻速度、澆注時間等因素相關。晶粒試驗中，4
種型殼預熱工藝，按保持型殼不降溫或降溫速度較慢
的順序排列為加熱器一保溫氈一填石英砂。所以，在
使用保溫效果好的方式時應適當降低澆注溫度，縮短
晶粒長大時間。精密鑄造細化晶粒通常采用低溫澆注
方法，東北大學和墨爾本大學提出低溫液相線鑄造，
己經成功制造出細小的非枝晶組織A7075、AZl68、
竹忡．旱
A356等半固態合金錠坯【硎。但同時為了不產生冷隔或
欠鑄需要提高型殼溫度或選擇保溫效果好的材料，達
到從型殼離開加熱源到澆注時型殼熱量損失盡量少的
目的。而澆注速度較慢有利于晶粒細化，有時可以起
到鋼液沖刷鑄型壁從而使剛剛結晶的固體顆粒充當細
小晶核的效果。同時，對于本次研究對象來說，低溫
慢速澆注可以降低細薄型芯的斷芯率，所以，在保證
晶粒尺寸合格的前提下，為實現低溫慢速澆注就必須
選擇保溫效果好的方式。
1．3工藝優選試驗
根據前2個試驗結果，制定了2種方案進行對比，
結果如表3。
+爭1孛
|皋J6葉片晶粒粗l大
F嘻6 Blade with coarsc grain
圖7細晶葉片
Fig．7 Blade with fine grain
表3兩種澆注方案結果比較
’rable 3 Two l【inds of gatiI唱∞heme∞mpari軸n
試驗發現，方案(1)澆注的葉片經x光檢驗出在
葉冠下部有明顯的疏松。經解剖低倍腐蝕檢查，鑒定
為3級顯微疏松(見圖8)。而方案(2)未發現此缺陷，
將相同部位解剖檢查，結果顯微疏松級別為l級(見圖
【冬18 3級娃微疏松
F培8 LcVel 3 micro-porosit)
9)。方案(1)還有較少數量的斷芯廢品，相比之下方
案(2)效果較好，采用小批試生產進一步驗證，結果
如表4．
’ ；廣彳，。；霧j．．t摹二／ ．。．
。j、：一： 弋． ≥#}1≯f，∥
一jf．j I≯爹j j||÷j毫
1 ．霎甏P 7，．。
f ’p聲一。《。。’
‘o％《* n
囂
j
， 、： i·： 一^‘‘‘ ’
≥
∥。V r 1．二；： 。：：。‘，≯“，，r，，一二邕，j
Hq l圾艟微疏忪
Fig．9 LeVell micro—porosity
經小批驗證，這種方案斷芯率最低，晶粒度合格，
萬方數據
Dec．2014
‘1286· FOUNDRY VOI_63 N0．12
48
48
48
31
34
39
64．6
70．8
81．2
3
2
O
0
0
O
l
0
O
1
0
0
5
6
4
無疏松廢品，經解剖后低倍檢查顯微疏松等級合格，
成為最終的生產工藝。
2試驗結果綜合分析
鑄件結構特點為帶冠渦輪工作葉片，其中榫頭和
葉冠是較為厚大的部位，需要通過冒口直接補縮，而
葉身較薄(1．0 mm)，由上下兩端進入的鋼液可達到補
縮目的，不需要在葉身增加冒口。一般情況下，可設
計成側注形式，榫頭較葉冠稍厚大些，應在澆口杯方
向形成順序凝固，其形式如澆注系統b所示；但如葉片
中型芯較薄弱，為了追求液流平穩，減小對型芯沖擊
力，避免澆注時產生斷芯，也可以將榫頭朝下倒置，
通過直澆道的液流壓力傳遞對榫頭和葉身補縮，其形
式如澆注系統a所示。考慮到鑄件型芯為細長結構，并
存在明顯薄弱部位，應該是鑄件澆注時受到鋼液沖擊
產生斷芯的地方，設計澆注系統時應盡量減小這些地
方所受到的沖擊力，所以設計了底注效果更明顯的澆
注系統c和d。
澆注系統c去掉了由直澆道引向葉冠處的橫澆道，
改為在葉冠頂增加暗冒口的方式，為純底注形式，鋼
液完全由底部進入，目的是使液態金屬由葉片鑄件底
部平穩上升，使型芯不受到來自葉冠處金屬液的沖擊，
降低了斷芯率。但這種澆注系統造成葉冠上方的冒口
的鋼液也必須由下至上充填。金屬液是經葉片由下向
上推進的，到達的金屬液是先進入鑄型的，比后續到
達鑄型的已經損失了熱量，降低了溫度，而通過葉片
向冒口輸送高溫液體使葉片在葉冠下的1／3處更易過
熱，從而使冒口處鋼液溫度可能低于需要補縮的鑄件
本體，補縮能力下降。而且由于過多的鋼液對型芯的
沖擊，也可能形成斷芯。澆注系統d是a與c的結合，即
金屬液由底部平穩上升到葉冠時，已經避免了對型芯
最薄弱處的沖擊，這時來自直澆道的后續進入的高溫
金屬液經由增加的橫澆道到達葉冠上部的冒口對葉冠
及以下部位進行補縮，避免了疏松缺陷。
顯微疏松的產生，主要取決于在同一時間內沿鑄
件截面上凝固區域的寬度和晶問鋼液收縮時尚未凝固
的液體充滿晶間縮孔的能力。鑄造耐熱合金的凝固溫
度都較寬，熔模鑄造時采用的又是預熱至熾熱的鑄型，
合金熱量散失緩慢，沿鑄件截面上的溫度分布比較均
勻，因而產生顯微疏松的傾向大。因此為了減小顯微
疏松的總體積，減輕顯微疏松的程度，就必須從改善
枝晶間金屬液凝固時的補縮條件著手。最終方案在葉
冠的上部增加了直澆道對葉片的補縮通道，加強了澆
注系統的補縮能力，并將顯微疏松引人了澆注系統，
使鑄件的疏松缺陷得以消除。
3結論
(1)底注式澆注系統有效地減少了鑄件的斷芯
率，但還需要一部分來自直澆道的鋼液對鑄件上部的
補縮。
(2)鑄件晶粒尺寸與澆注溫度直接相關，當澆注
溫度超過1 540℃時會造成晶粒粗大；可采用保溫氈或
爐內加熱器提高澆注前型殼溫度，同時降低澆注溫度
的方法解決鑄件排氣邊冷隔或晶粒超標的問題。
(3)結合底注加頂部補縮的澆注系統，將型殼溫
度提高到1 180℃，澆注溫度降低到1 480℃，可達到
鑄件充型完整、晶粒細化、減少疏松和斷芯的目的，
成為最終的生產工藝。
參考文獻：
[1]王飛，李飛，劉河洲，等．高溫合金空心葉片用陶瓷型芯的研究
進展[J】．航空制造技術，2009，19：60—64．
[2]劉文娜，張凌峰，海潮，等．精密鑄造等軸晶渦輪葉片晶粒度控
制方法[J]．特種鑄造及有色合金，2010，30(2)：147一148．
[3】甄寶林．高溫合金晶粒細化概述[J】鋼鐵研究學報，1996，8
(3)：51—55．
【4】彭志江，賈淑芹，張澤海，等．復雜空心渦輪工作葉片表面細晶
工藝研究【J]．鑄造|2009，58(12)：31—35．
【5】熊玉華，李培杰．鑄造工藝參數和細化劑對K4169高溫合金鑄態
組織的影響[J]金屬學報，2002，38(5)：529—538．
【6】方建，于彬．高溫合金鑄件表面晶粒細化的研究【J】．金屬學報，
1982，18(3) ：225—263．
[7] Tausig G， xia K．Rheocasting and semisolid fIoming of a usually
wmught alumin啪alloy[D]／／In： 酗rkwood D H， K叩ranos P
Proc．of 4th Int．Conf on Semisolid Proeessing of Alloys a11d
Composites，UniVersity ofShemeld，England： 1996．
[8】Liu D， Cui J z， xia K．Non-dendritic stmctural 7075 aluminum
a110y by liquidus cast and its semisolid compression behavior[J】
Trans．Nonferrous Met．Soc．China，2000，10(2)：192—195．
(編輯：張允華，zyh@內undryworId．com)

網友評論 more

機械安全論文最新內容

01-25