大型涡轮叶片精密铸造尺寸精度控制研究——反变形技术

针对大型涡轮叶片精密铸造变形问题,提出了一种简单高效的变形补偿方法--基于测量与统计的逆向校正蜡模法.采用三坐标测量机进行模型的测量,设计特征参数来表征模型,并通过统计测量的特征参数平均值与理论值的比较进行模型的反变形重构,然后,根据反变形后的模型设计蜡模校正模,对蜡模实施逆向校正,补偿涡轮叶片在铸造过程中的变形.试验结果表明,基于测量的反变形技术对解决铸件尺寸超差是有效的,可以提高铸件尺寸合格率,具有实用价值.     

提高空心叶片铸型精度的光固化原型内腔结构设计方法

在空心涡轮叶片型芯型壳一体化陶瓷铸型制备过程中,对光固化叶片原型进行整体式内腔结构设计,可显著降低原型烧失过程中铸型的热应力,避免型壳开裂。但在大尺寸叶片铸型的凝胶注模成形过程中,叶片原型榫根部位因刚度偏低,在陶瓷浆料静压力作用下会变形,导致铸型精度较差。为此,提出了一种原型分区域内腔结构设计方法,并基于叶片原型静压力结构刚度-铸型热结构强度有限元模拟,确定了叶身和榫根部位分别采用0.7 mm和0.9 mm的内腔结构尺寸。采用工业CT及逆向精度分析比较了分区域内腔结构设计前后铸型的精度变化,结果表明:分区域内腔结构设计方法降低了凝胶注模过程中原型榫根部分的静压力变形,有效改善了铸型的整体精度,避免了脱脂过程中铸型开裂,可制备出精度高、结构完整的大尺寸叶片陶瓷铸型。     

蜡模误差与叶片精度控制技术研究进展

镍基高温合金涡轮叶片作为航空发动机、燃气轮机的关键热端部件,主要采用熔模铸造制备。介绍了熔模铸件精度的内涵,阐述了精确控形对于叶片性能提升的重要意义,分析了镍基高温合金涡轮叶片铸造用蜡模制备过程中误差形成的影响因素。总结了近年发展起来的叶片尺寸精度控制技术研究成果,并对其发展趋势进行了展望。     

K465等轴晶铸造涡轮叶片热等静压工艺及其组织性能初步研究

对K465合金等轴晶铸造涡轮叶片进行了热等静压,研究了热等静压工艺对铸造涡轮叶片的显微疏松、组织、性能及极限疲劳试验的影响。通过与熔模铸造涡轮叶片对比,验证了热等静压对涡轮叶片显微疏松和疲劳强度的作用效果。结果表明:采用热等静压能够显著减少K465等轴晶铸造涡轮叶片的显微疏松及孔洞类缺陷,并能提高叶片的室温拉伸强度、高温持久强度和极限疲劳强度等性能。     

大型涡轮转子叶片熔模精铸特点

四级涡轮转子叶片是某型号燃汽轮机高压转子部件动力涡轮中零件尺寸最大、外形结构复杂、叶片各项性能要求极高（如叶片弯扭度、型面尺寸精度、表面粗糙度及铸件内部冶金质量等）的熔模精密铸件。其材料为国际镍公司研制的新型ＩＮ７３８高温镍基合金，化学成分复杂，力学性能要求高，所以精铸工艺难度大。通过四级涡轮转子叶片的试制，对大型叶片熔模精铸生产过程中的变形和疏松两大工艺难点及采取的工艺措施作了介绍。     

单晶空心涡轮叶片精确控形技术的研究进展

针对航空发动机单晶空心涡轮叶片的精确控形技术,结合国内外相关工作的研究状况,从空心涡轮叶片复杂陶瓷型芯精密成形技术、单晶高温合金叶片近净形熔模精密铸造技术及叶片精铸过程尺寸精度控制方法等方面,对单晶空心涡轮叶片精确控形技术领域取得的研究成果进行了总结和分析。重点介绍单晶空心涡轮叶片精确控形技术领域内取得的研究成果,论述了我国单晶空心涡轮叶片精确控形技术的未来研究重点。     

无余量精铸工艺及质量控制

航空发动机上涡轮的零件由难于机械加工的耐热合金制成,零件的尺寸要求精确且形状复杂,例如图1所示为涡轮转子叶片。要制造内腔带有冷却孔道的,形状复杂的叶片零件,通常采用无余量熔模精密铸造的方法。一、对无余量精铸件的精度要求无余量精密铸造并非不留一点加工余量,只是将余量控制在允许范围内,表1列举了斯贝发动机的几个典型精铸件的尺寸公差。二、无余量精铸工艺精铸件主要工作表面由加工到不加工,必     

高Nb-TiAl增压涡轮熔模铸造过程数值模拟

采用Procast铸造模拟软件模拟了两种浇注方式(顶注式与侧注式)下的Ti-45Al-8Nb合金增压涡轮重力及离心铸造工艺过程。结果显示,在重力铸造条件下,两种浇注方式均存在浇不足缺陷。侧注式较顶注式充填率高。铸件的充型率与模壳的预热温度成正比,即提高模壳的预热温度可以有效增加充型率。在离心浇注(400 r/min)时,两种浇注方式均能使金属液充满型腔。顶注式铸件的缩孔、缩松存在于增压涡轮心部,而侧注式则分布于涡轮片中,并且顶注式的缩孔、缩松缺陷体积比侧注式大很多。     

铸造高温合金涡轮叶片热冲击疲劳行为研究

为了研究不同材料涡轮叶片热冲击疲劳性能,采用感应加热热冲击试验装置对三种铸造高温合金涡轮叶片进行了试验研究。利用光学相机、视频显微镜和扫描电子显微镜对叶片表面裂纹形貌、叶片横截面和断口形貌进行观察。结果表明：单晶涡轮叶片热冲击疲劳寿命长于定向晶涡轮叶片热冲击疲劳寿命。定向晶涡轮叶片中添加Re元素延长了热冲击疲劳寿命。热冲击疲劳导致裂纹萌生于叶片中截面考核区并沿叶高方向扩展。裂纹的扩展方式与叶片合金成分及铸造工艺有关。     

复杂结构空心高压涡轮导向叶片精密铸造工艺

对双联复杂结构空心高压涡轮叶片的精密铸造工艺进行了研究。结果表明,采用硅基陶瓷型芯为主芯并组合石英管,使制备空心叶片铸造用陶瓷型芯工艺过程明显简单化,提高了陶瓷型芯的成品率。采用该型芯成功制备了合格的双联空心高压涡轮叶片。     

涡轮叶片精铸模具辅助机构参数化研究

涡轮叶片精铸模具是航空发动机涡轮叶片类零件精密铸造过程中的关键工装,其设计过程繁琐,使得采用现有通用软件系统进行模具设计时,只能依靠设计经验丰富的人员手工操作实现,自动化程度不高,严重制约了其设计周期。通过分析涡轮叶片的结构特征以及现有涡轮叶片精铸模具的结构特点,提取精铸模具的设计方案及模具辅助机构生成的设计知识,采用构建精铸模具模板库的方法,基于UG平台对涡轮叶片精铸模具辅助机构进行参数化设计,提高了设计效率,缩短了生产周期。     

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。     

Advances in multi-scale modeling of solidification and casting processes

The development of the aviation, energy and automobile industries requires an advanced integrated product/process R&D systems which could optimize the product and the process design as well. Integrated computational materials engineering (ICME) is a promising approach to fulfill this requirement and make the product and process development efficient, economic, and environmentally friendly. Advances in multi-scale modeling of solidification and casting processes, including mathematical models as well as engineering applications are presented in the paper. Dendrite morphology of magnesium and aluminum alloy of solidification process by using phase field and cellular automaton methods, mathematical models of segregation of large steel ingot, and microstructure models of unidirectionally solidified turbine blade casting are studied and discussed. In addition, some engineering case studies, including microstructure simulation of aluminum casting for automobile industry, segregation of large steel ingot for energy industry, and microstructure simulation of unidirectionally solidified turbine blade castings for aviation industry are discussed.     

Optimization of investment casting process parameters to reduce warpage of turbine blade platform in DD6 alloy

The large warping deformation at platform of turbine blade directly affects the forming precision. In the present research, equivalent warping deformation was firstly presented to describe the extent of deformation at platform. To optimize the process parameters during investment casting to minimize the warping deformation of the platform, based on simulation with Pro CAST, the single factor method, orthogonal test, neural network and genetic algorithm were subsequently used to analyze the influence of pouring temperature, shell mold preheating temperature, furnace temperature and withdrawal velocity on dimensional accuracy of the platform of superalloyDD6 turbine blade. The accuracy of investment casting simulation was verified by measurement of platform at blade casting. The simulation results with the optimal process parameters illustrate that the equivalent warping deformation was dramatically reduced by 21.8% from 0.232295 mm to 0.181698 mm.     

重型燃气轮机叶片熔模铸造凝固过程数值模拟

建立了重型燃气轮机叶片真空熔模铸造凝固过程的数理模型,对不同工艺下凝固过程的温度场、糊状区演变及缩孔、缩松形成过程进行了仿真,研究了缺陷形成规律.结果显示,原有工艺下,两种浇注系统均在榫头部位出现缩孔或缩松,与实验结果吻合.采用定向凝固工艺可以避免重燃气轮机叶片产生铸造缺陷.     

燃气轮机涡轮叶片制造工艺现状及发展方向

航空发动机和燃气轮机,被誉为工业"皇冠上的明珠",其涡轮叶片的制造工艺是典型的高科技、高附加值技术.本文概括阐述了近年来铸造涡轮叶片材料和构型的发展现状及未来发展方向,结合现阶段产品介绍了涡轮叶片的制造工艺特点现状,归纳论述了涡轮叶片制造工艺难点,并对涡轮叶片新材料的发展和制造工艺革新进行了展望.     

Modeling of grain selection during directional solidification of single crystal superalloy turbine blade castings

Single crystal superalloy turbine blades are currently widely used as key components in gas turbine engines. The single crystal turbine blade casting’s properties are quite sensitive to the grain orientation determined directly by the grain selector geometry of the casting, A mathematical model was proposed for the grain selection during directional solidification of turbine blade casting. Based on heat transfer modeling of the directional withdrawing process, the competitive grain growth within the starter block and the spiral of the grain selector were simulated by using the cellular automaton method (CA). Validation experiments were carried out, and the measured results were compared quantitatively with the predicted results. The model could be used to predict the grain morphology and the competitive grain evolution during solidification, together with the distribution of grain orientation of primary <001> dendrite growth direction, with respect to the longitudinal axis of the turbine blade casting.     

精密铸造三级动叶片缩松和缩孔缺陷的预测

采用SolidEdge造型软件和SRIFCast网格剖分软件作为前处理平台 ,实现了三级动叶片三维实体造型及非均匀网格的自动剖分。开发了铸件三维充型过程流体流动与传热的耦合模拟计算机程序。利用XUE判据和Niyama判据对三级动叶片凝固过程中缩松和缩孔缺陷的出现位置进行了预测。结果表明 :XUE判据能够准确预测三级动叶片铸件中缩松和缩孔缺陷出现的位置 ,对实际生产有一定的指导意义。     

基于事例与精铸特征的涡轮叶片模具型腔体设计

模具型腔体设计是涡轮叶片精铸模设计的前提,它直接影响精铸模的设计效率,是一项典型的强经验、弱理论的工作.为叶片递增模型建立特征库、事例库,将专家经验知识化、规则实例化,实现基于事例推理与基于特征推理技术相结合进行叶片模型转换,同时考虑收缩放型,生成型腔体模型,使得模具型腔体设计更加合理,从而提高精铸模的经济性和时效性.     

K465合金涡轮叶片叶身开裂分析

发动机厂内试车后进行荧光检测,发现多件K465合金涡轮叶片在叶冠叶身出现裂纹。采用体视显微镜和扫描电镜对叶片进行裂纹形貌及断口分析、金相组织检查等。结果表明：裂纹性质为疲劳开裂,起源于内腔表面。裂纹产生原因是叶片采用铝基型芯浇注以及模组方式不当,使得该位置产生较大铸造应力。通过将铝基型芯改为硅基型芯、改进铸造工艺和优化模组方式,可降低叶片的铸造应力,预防此类故障。