铸件分布方式对单晶空心涡轮叶片精铸质量的影响

基于ProCAST 的高Nb-TiAl 合金叶轮熔模铸造刘金虎1*, 纪志军1,2,3, 李 峰1,2,3, 冯 新1,2,3,余 稳1, 丁贤飞1,2,3, 南 海1,2,3（1．中国航发北京航空材料研究院 铸造钛合金技术中心，北京 100095；2．北京百慕航材高科技股份有限公司，北京100094；3．北京市先进钛合金精密成型工程技术中心，北京 100095）摘要：通过铸造模拟软件ProCAST 实现高Nb-TiAl 合金叶轮熔模铸造充型凝固过程的模拟仿真，研究浇注充型工艺对合金熔体充型、缩孔缩松等充型凝固特性的影响，优化相应工艺；进行浇注实验与铸件的无损检测分析，并进行铸件的解剖分析验证缩孔缩松分布；使用附注试棒研究叶轮在室温和高温下的力学性能。

结果表明：ProCAST 软件对高Nb-TiAl 铸件缩孔缩松预测较为准确，通过模拟仿真预测结果优化了工艺方案从而避免了铸件中大尺寸缩孔缩松的形成，在最终的铸件中只存在尺寸小于22 μm 的显微缩孔；所有铸件均实现完整充型，铸件室温抗拉强度约580 MPa ，850 ℃高温抗拉强度约450 MPa 。

关键词：ProCAST ；高Nb-TiAl 合金；叶轮；数值模拟；熔模铸造doi ：10.11868 /j.issn.1005-5053.2020. 000058中图分类号：TG249.5；V252.4 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2021)02-0061-11γ-TiAl 合金轻质高强、高温强度与抗氧化抗蠕变性能较好，是一种极具潜力的高温结构材料，近年来已经成功应用于汽车发动机叶轮与飞机发动机涡轮叶片等构件[1-4]。

通过在γ-TiAl 合金中加入5%～10%（原子分数）的Nb 可以使室温塑性与蠕变和抗氧化性能有较好的匹配，近年来得到了较多的研究与发展，此类合金称为高Nb-TiAl 合金[5-11]。

汽车发动机叶轮的服役环境要求合金具有优异的高温强度和耐腐蚀性，同时较低的比重可有效提升发动机起动速度与瞬态响应性能，减少废气排放。

126研究与探索Research and Exploration ·工艺流程与应用中国设备工程 2023.12 （上）1 前言在航空工业领域中，涡轮导向叶片是重要的结构件之一。

由于其具有较高强度和刚度以及良好的抗冲击性能等特点，因此被广泛应用于飞机发动机上，并且也应用到了一些其他类型的机械加工中。

但是因为涡轮导向叶片自身存在较大的缺陷，所以很难保证加工出来的产品能够满足相关标准要求。

而通过采用真空技术可以有效地改善这种情况。

目前对于涡轮导向叶片来说,主要有两种焊接方法：一种是熔化极惰性气体保护焊(MIG)；另一种则是钨极氩弧焊(TIG)。

前者属于传统的焊接方式,后者则属于新型的焊接方式。

虽然这两种焊接方式各有利弊,但都需要经过一定时间才能完成整个过程。

如果想提高生产效率，就必须缩短这一过程所消耗的时间,这样一来，就会导致生产成本大大增加。

因此，在实际工作中应该尽量避免使用这两种焊接方式。

目前我国正在大力推进航空事业的发展,所以对于航空器来说,其性能要求非常高,不仅仅只是能够正常飞行那么简单,还需要具备较好的稳定性与可靠性。

为了满足这些需求,涡轮导向叶片的制造技术也得到了快速提升。

但是，因为受到材料自身特性的限制,使得涡轮导向叶片很难实现整体化制造,只能采用分段加工再拼装的方法进行制造,从而降低了生产效率并且增大了制造难度。

在实际的工作过程中,涡轮导向叶片会受到较大的离心力作用,因此要保证它们不会出现变形问题。

如果想解决这一问题，就可以利用焊接技术,将导向叶片固定在一起形成一个完整的结构体。

目前,我国主要应用的是钎焊技术来完成这项任务,通过该技术可以有效地提高叶片的强度以及刚度,同时还具有良好的密封效果。

然而,由于涡轮导向叶片所承受的温度较高,所以对其表面质量提出了更高的要求。

传统的钎焊技术无法满足这样的条件,需要不断创新和完善才能够适应现代工业发展的趋势。

为了进一步提升叶片的性能,人们开始研究新型的钎焊材料,例如，镍基、钴基等。

单号作业题汇总一、（1）缩孔，缩松是铸件中的常见缺陷，哪些因素影响其形成，如何采取措施进行防止，举例说明合金成分对形成缩孔和缩松的影响。

影响缩孔和缩松形成的因素1）合金本身的液态收缩率和凝固收缩率2）铸件结构的设计、型壳的散热能力3）浇注系统和浇注条件4）合金的导热率和结晶温度范围采取何种措施防止根本：利于铸件的顺序凝固和进行充分地补缩具体措施：1）在满足铸件性能要求的前提下，尽量选择液态收缩和凝固收缩小的合金；2）改进铸件的结构。

确保铸件在凝固中能从冒口不断地补充高温金属液，冒口的尺寸和数量要适当，力求做到顺序凝固；3）改善局部散热条件。

如合理组模，每组多件时，使蜡模之间保持适当的距离，每组单件时，则尽量使热节处置于模组的边缘，以利于铸件的顺序凝固和充分补缩；4）浇注温度不能过高。

浇注温度过高会使合金液态收缩增加，若补缩不充分，将增加缩孔的体积；5）选择合适的浇注条件，如高温出炉，低温浇注，对于大组模宜采用先快后慢，再补浇的办法，以利于铸件的顺序凝固和浇冒口对铸件的补缩；6）必要时采用冷铁与补铁来改变铸件的温度分布，以利于顺序凝固。

举例：球墨铸铁1）碳：提高碳量，增大了石墨化膨胀，可减少缩孔缩松。

此外，提高碳当量还可提高球铁的流动性，有利于补缩；2）磷：铁液中含磷量偏高，使凝固范围扩大，同时低熔点磷共晶在最后凝固时得不到补给，以及使铸件外壳变弱，因此有增大缩孔、缩松产生的倾向；3）稀土和镁：残余镁量及残余稀土量会增加球铁的白口倾向，使石墨膨胀减小，当它们的含量较高时，会增加缩孔、缩松倾向。

一、（2）热应力产生的原因，举例说明如何采取措施减少应力对铸件性能的影响。

热应力产生的原因：铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力，为铸造残留应力。

措施：1）合理地设计铸件的结构：铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。

因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀；2）采用同时凝固的工艺：使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。

气流分级机涡轮转子叶片角度对分级精度的影响
涡轮转子分级原理：涡轮转子在主轴的带动下高速旋转，气固混合物在风机风力的作用下进入涡轮转子的分级区，被分级的粒子在涡轮子转子的离心力的作用下在分级区高速运动，高速离子在涡轮转子径向受到转子的离心力和风机的引力，大颗粒的离子受到的离心力大于风机的引力向远离涡轮转子半径方向运动成为粗粉从出料口收集，小颗粒的离子受到的离心力小于风机引力穿过涡轮转子叶片之间的缝隙进入分级轮从分级细粉出口被收集，从而实现物料分级的目的，因此涡轮转子叶片的安装角度对分级精度至关重要。

涡轮转子叶片安装角度与分级精度的关系：
一、叶片角度越大，阻力越大，分级精度越高，分级效率越低，反之，角度越小，阻力越小，分级精度越低，分级效率越高；涡轮的叶片角度，分级不同粒度、不同比重的物料涡轮的叶片角度是不同的。

二、合适的涡轮叶片的数量也决定不同比重和粒度的分级物料的分级精度。

三、叶片的厚度也与分级精度息息相关，一般来说叶片越薄，分级精度越高。

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涡轮叶片的形状和原理
涡轮叶片是涡轮机中至关重要的部件，其形状和原理直接影响着涡轮机的性能
和效率。

在涡轮机中，涡轮叶片起着承载动能、转换动能和传递动能的重要作用。

因此，设计合理的涡轮叶片形状和原理对于提高涡轮机的效率和性能至关重要。

首先，我们来看涡轮叶片的形状。

涡轮叶片通常采用空气动力学设计，其形状
一般为扇形或螺旋状。

这种形状可以使得气流在叶片上产生较大的升力，从而推动叶片旋转。

此外，涡轮叶片的表面通常会采用特殊的涂层或材料，以提高其耐高温、耐磨损的性能，从而延长叶片的使用寿命。

其次，涡轮叶片的原理是基于动能转换的。

当高速气流通过涡轮叶片时，会产
生较大的动能，涡轮叶片会利用这部分动能来推动自身旋转。

同时，涡轮叶片的形状和布局也会影响气流的流动状态和速度分布，进而影响涡轮机的输出功率和效率。

涡轮叶片的形状和原理对于涡轮机的性能有着直接的影响。

合理的叶片设计可
以提高涡轮机的效率，减小能量损失，提高动力输出。

因此，在涡轮机的设计和制造过程中，对涡轮叶片的形状和原理进行充分的研究和优化是非常重要的。

总的来说，涡轮叶片的形状和原理是涡轮机性能的关键因素之一。

通过合理的
设计和优化，可以提高涡轮机的效率和性能，从而更好地满足工业生产和能源需求。

希望本文对涡轮叶片的形状和原理有所帮助，也希望在涡轮机的设计和制造中能够更加重视涡轮叶片的重要性。

一种镍基单晶涡轮叶片取向设计的方法说实话一种镍基单晶涡轮叶片取向设计这事儿，我一开始也是瞎摸索。

我就知道这镍基单晶涡轮叶片的取向设计可重要呢，搞不好这叶片性能就不行。

我最早的时候啊，就想着简单粗暴的方法。

我看一些以往的设计范例，就照着葫芦画瓢，我觉得应该差不离儿吧。

结果呢，完全不行。

那叶片制作出来，性能测试的时候一塌糊涂。

我这才意识到，每个设计都是基于不同的工况和需求的，哪能这么简单就拷贝呢。

后来我就开始研究镍基单晶的特性。

我就想啊，这就跟做菜一样，你得了解你食材的性质才能做出好菜。

我研究它的晶体结构，各种参数，就跟研究菜怎么下锅多久能熟一样。

我把镍基单晶那些繁密的数据当成是一道道菜谱细则来对待。

确定了镍基单晶的基本特性后，我就开始根据涡轮的工作受力情况来设计取向了。

我把涡轮想象成一个大风扇，它高速旋转的时候啊，不同部位受到的力不一样。

靠近轴心的地方受力小，边缘的地方受力大并且方向还复杂。

那我设计叶片取向的时候，就希望在受力大的部位，晶体的取向能够最大程度地抵抗这些力。

我就像布置防线一样，这个方向不行，就换个角度再来，试了无数个角度和方式。

这中间又走了不少弯路。

比如有一次我过于关注一个局部的受力情况，把整体的协调性给忽略了，导致整体性能提升不大。

我还做了好多模拟实验。

不过关于这模拟实验，我也得说一下它的不确定性。

有些参数在实际情况中是有波动的，模拟的时候很难完全精准地模拟出来。

但通过模拟，我能大概确定一个合适的取向范围。

这个范围怎么样呢，就像你打猎时候瞄准的一个靶区一样，你虽然不能完全确定目标就在那一个点，但你知道大概就在这个区域。

然后我再根据实际的制作加工情况进行微调。

按照这样的流程一步一步来，最近做出来的几个镍基单晶涡轮叶片的取向设计，效果就非常不错了。

不过我也知道这方法还得不断改进，可能还有更科学更高效的途径，我也还在探索呢。

我还有一个小经验，就是多和同行交流。

有时候自己琢磨很久的难题，别人换个思维一点就通了。

某燃机涡轮工作叶片陶芯芯头制作工艺研究摘要：本文以某燃气轮机复杂空心内腔涡轮工作叶片为研究对象，选用正交试验法研究陶瓷型芯不同芯头结构设计以及自由端制作方案对该叶片的断芯率以及壁厚超差影响，得出该叶片最优的芯头设计方案，榫头定位应选用芯头延长内扣型设计，叶尖小柱子设置芯头高度差2mm，且不完全自由。

上述设计可实现该叶片断芯以及壁厚的有效控制，该研究可为其它此类叶片陶芯的芯头设计提供指导，此类叶片铸造过程报废率得到有效控制,极大地促进该类叶片熔模精密铸造能力的提升。

关键词：空心叶片芯头自由端断芯率壁厚熔模精密铸造0、引言燃气轮机的发展代表着国家重大装备制造业的总体水平，是国家高新技术与科技实力的重要标志之一，而其中发动机是燃气轮机的核心。

涡轮工作叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位被列为第一关键件，如何在铸造过程中保证叶片性能成为关键[1]。

对于细长复杂内腔结构叶片最重要的是保证壁厚问题，故陶芯芯头的设计以及自由端的制作成为限制性因素。

同样的陶瓷型芯选用不同的自由端设计对于叶片的壁厚及断芯结果会产生截然不同的结果。

本文针对某燃气轮机内腔结构复杂的工作叶片对陶芯自由端工艺进行详细的分析讨论，为后续同类叶片断芯以及壁厚控制问题提供指导。

1、叶片结构特点本文针对某机细长型复杂内腔结构工作叶片进行分析研究，其为精密铸造无余量复杂空心叶片，几何尺寸大、叶片气冷通道和缘板结构复杂，内腔结构如图1所示。

该叶片长达150mm，内腔网状交错，弦宽长、扭度大，叶盆、叶背表面有很多横、纵向肋交叉，厚度相差悬殊，最薄处仅0.6mm，该叶片排气齿缝由Φ1.2mm的25个排气齿缝组成。

陶瓷型芯在金属浇注过程中与叶片凝固过程中承受复杂的应力，若陶芯自由端制作定位不当极易造成断芯、漏芯，特别是排气齿缝，壁厚无法保证。

图1 铸件内腔示意图此外，该叶片需要检测5个截面30个壁厚点，具体检测截面以每个截面壁厚检测点位置如图2，是铸造难度极大的无余量空心熔模精密铸造叶片[2]。