学会简介
【铸造活动周】燃气轮机关键铸件先进制造技术论坛
发布时间:2021-11-08   阅览次数:2183次


10月24日,燃气轮机关键铸件先进制造技术论坛在七楼汇景厅(一)会议室举行。本论坛由东方电气集团东方汽轮机有限公司杨功显副总工程师和清华大学许庆彦教授主持。

燃气轮机关键铸件先进制造技术论坛


主持人:杨功显、许庆彦


哈尔滨汽轮机厂有限责任公司总工程师助理彭建强通过线上方式作了题为《工业燃气轮机透平叶片用铸造高温合金材料》的报告。

彭建强通过线上方式作报告

他提到与航空发动机相比,工业燃气轮机的寿命长、工作介质腐蚀性大、部件尺寸大。因此,要求工业燃气轮机透平叶片具有优异的高温长时组织稳定性和抗热腐蚀性能、良好的铸造工艺性能以及较低的成本。介绍了国内外工业燃气轮机透平叶片用高温合金材料应用情况,包括单晶合金、定向凝固合金和等轴晶合金,并重点介绍了每类合金中典型材料的高温长时组织稳定性、铸造工艺性能、成分特点等。最后对工业燃气轮机透平叶片用铸造高温合金材料的发展趋势做了展望。


北京航空材料研究院高温材料研究所副所长张明军作了题为《燃气轮机涡轮叶片用高温合金材料研制及工程技术研究进展》的报告。

张明军作报告

他提到铸造镍基高温合金具有优异的高温力学性能和抗氧化/抗热腐蚀性能,同时成型工艺性能良好,是制造电力和舰船动力用燃气轮机涡轮叶片等核心热端部件的关键材料。阐述了燃气轮机涡轮叶片用铸造高温合金研制及工程技术研究现状,介绍了燃气轮机涡轮叶片用可焊接耐热腐蚀等轴晶合金K439B、耐热腐蚀定向合金DZ466、第一代耐热腐蚀镍基单晶合金DD488和第二代耐热腐蚀镍基单晶合金DD489研制及燃气轮机涡轮叶片工程技术研究方面取得的进展。


江苏隆达超合金航材有限公司部长王博作了题为《铸造高温合金超高纯净化熔炼技术》的报告。

王博作报告

他提到铸造高温合金母合金广泛用于航空发动机和燃气轮机热端部件的制造,母合金的纯净度对所制备铸件的疲劳性能和长时性能具有显著影响。铸造高温合金母合金的纯净度指标主要包括母合金中杂质元素含量和夹杂物含量。本报告围绕高温合金母合金中杂质元素和夹杂物含量控制问题,通过研究母合金熔炼所需原辅材料中杂质元素种类及含量对母合金纯净度的影响,以及真空感应熔炼中精炼温度、精炼时间、电磁搅拌功率、电磁搅拌时间等关键参数对母合金纯净度的影响,明确了不同等级原材料中杂质元素富集规律,掌握了铸造高温合金母合金纯净化熔炼方法。此外对超高纯铸造高温合金母合金的优势及应用进行了举例说明。


中国科学院金属研究所副研究员侯介山作了《抗热腐蚀铸造镍基高温合金微观组织控制研究》的报告。

侯介山作报告

他提到抗热腐蚀铸造高温合金广泛应用于陆地发电等用工业燃气轮机和舰船用燃气轮机以及舰载机等航空发动机,需要具有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能,以及良好的组织稳定性和使用可靠性。由于合金化程度很高,此类合金在长期服役过程中往往析出TCP(Topologically Close-Packed Phase)及δ等金属间化合物相。本研究采用多种元素相互作用的成分优化设计方法及热处理工艺对抗热腐蚀铸造高温合金包括此类相的微观组织进行调控,从而得到具有优异综合性能的合金。报告重点阐述了调控对合金的微观组织演变过程的影响规律及机理,进而对合金的长期力学性能,主要是长时蠕变性能的影响,为研发新型抗热腐蚀镍基高温合金材料提供理论依据和实验基础。


无锡透平叶片有限公司所长崔慧然作了《燃气轮机涡轮叶片制造工艺现状及发展方向》的报告。

崔慧然作报告

她提到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。报告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。


清华大学许庆彦教授作了题为《重型燃气轮机透平叶片定向凝固建模与仿真》的报告。

许庆彦作报告

他提到针对重型燃气轮机透平叶片定向凝固过程,考虑了宏观、介观及微观单元之间的物理信息传递特点,建立了重燃叶片定向凝固过程多尺度耦合计算模型。针对实际重型燃气轮机透平叶片,开展了多尺度耦合定向凝固过程数值模拟,通过分层及并行计算方法实现了300mm以上重燃叶片的晶粒组织模拟。针对快速凝固法(HRS)及液态金属冷却法(LMC)工艺对所建立的多尺度模型进行了实验验证。研究了不同工艺参数对重型燃气轮机透平叶片晶粒组织及枝晶臂间距等的影响。通过温度场数值模拟及实验结果,分析并预测了重燃叶片中缩孔缩松及杂晶的产生情况,提出了预防缺陷产生的措施。通过对重型燃气轮机透平叶片定向凝固过程开展模拟仿真工作,优化叶片生产工艺参数,叶片质量得到提升,为重燃叶片的铸造技术提供了有力支持。


北京钢研高纳科技股份有限公司总工程师吴剑涛作了题为《抗热腐蚀定向凝固合金及大尺寸柱晶叶片研制进展》的报告。

吴剑涛作报告

他提到为满足我国发展重型燃机技术需求,开展了重型燃机所必需的耐腐蚀定向凝固合金及大尺寸涡轮叶片制备技术研究。在高温合金成分设计理论的指导下,综合考虑重型燃机叶片用耐热腐蚀定向凝固高温合金对持久蠕变强度、热腐蚀抗力、长期组织稳定性、合金定向凝固可铸性等多方面的要求,通过热力学平衡相和电子空位数计算,并经过试验验证,研制出具有自主知识产权的抗腐蚀定向凝固合金。该合金具有良好的综合性能,并与国外DS GTD111合金的水平相当。在合金研制的基础上,同时开展了重型燃机用定向凝固涡轮叶片铸造工艺研究,突破了型壳、型芯制备技术难题,获得满足定向凝固工艺要求的型壳和型芯;结合凝固过程数值模拟,开展了动态变拉速定向凝固工艺研究,有效地提高了榫头及橼板凝固过程的G值及G/V值,促进了定向凝固组织生长,消除和减少了杂晶及柱晶大角度偏转等缺陷。目前已拉制出长度约达300mm,重量约达5kg的定向凝固实心和空心叶片,该技术在国内处于领先水平。


东方电气集团东方汽轮机有限公司赵代银作了题为《某型重型燃机实心动叶片的精密铸造过程尺寸控制》的报告。

赵代银作报告

他提到在东方汽轮机某型重型燃机叶片的开发过程中,采用3D打印光敏树脂叶片进行铸造工艺实验,获得铸造收缩率,结合蜡料收缩率参数开具了蜡模模具;通过Moldflow模拟发现,采用冷蜡芯可以有效的减小蜡模的非均匀收缩并将蜡模尺寸控制在公差控制范围之内。通过对解剖后的叶片陶瓷型壳进行蓝光扫描获得了烧结状态的陶瓷型壳内腔尺寸,发现蜡模在陶瓷型壳制备阶段发生了变形。铸件浇注结果表明,模具的收缩率设置合理,采用冷蜡芯工艺和胎具反变形工艺有助于最终铸件尺寸的保证。


沈阳铸造研究所有限公司刘孝福研究员作了题为《重型燃机大尺寸定向空心叶片用陶瓷型芯制备技术研究》的报告。

刘孝福作报告

他表示陶瓷型芯是制备重型燃气轮机大尺寸定向空心叶片的关键部件,直接决定着叶片的尺寸精度和合格率。本报告叙述了陶瓷型芯的国内外技术发展现状,介绍了氧化铝基陶瓷型芯和氧化硅基陶瓷型芯各自的优缺点以及相应的制备方法和关键技术,分析了模具及型芯结构对大尺寸陶瓷型芯湿态成型和烧结裂纹的影响。


迈格码(苏州)软件科技有限公司技术总监严世松作了题为《MAGMASOFT®自主设计在燃气轮机铸件工艺开发中的应用》的报告。

严世松作报告

他表示燃气轮机使用大量的铸钢件,其产品结构复杂、表观及尺寸要求极高、内部质量要求严苛、验收等级高。报告中主要围绕透平缸铸件铸造过程中常见的缩孔、氧化渣、变形及裂纹的缺陷展开讨论。在铸造工艺开发的过程中,使用MAGMASOFT® 凝固模拟分析软件对整个铸造工艺设计进行详细的评估。采用MAGMASOFT® 自主设计,就铸造方向的选择、冷铁位置和大小、冒口的大小和冒口套的类型、铸造补贴的大小以及浇注系统的设计方面,评估这些设计变量对上述缺陷的影响,从而确定给定条件下的铸造工艺,在满足对铸件质量的前提下降低铸造成本。


西安理工大学副院长邹军涛教授作了题为《热-力耦合作用下DF系镍基高温合金组织演变过程及断裂行为研究》的线上报告。


军涛通过线上方式作报告

他表示镍基单晶高温合金因其优异的高温力学性能和抗蠕变疲劳性能、良好的组织稳定性、抗氧化和抗热腐蚀性能而被广泛应用于航空航天和舰船能源等领域。镍基高温合金中γ和γ′两相的共格效应极大地限制了位错的运动从而提高了合金的断裂强度,较高的难熔元素含量尤其是Re的添加使得合金在复杂热场和应力的耦合作用下具有优良的组织稳定性。本研究选取在第二代镍基单晶高温合金基础上研发的三种不同Re含量的DF系列镍基单晶高温合金,分别对合金的微观组织演变过程进行表征,对合金的高温压缩性能、高温拉伸性能和持久性能进行实验,阐述了不同温度下合金各元素的扩散行为,研究了镍基高温合金反常的中温强度与K-W锁结构位错之间的关系,并对γ和γ′两相的共格效应阻碍位错运动从而引起合金变形机制和断裂行为发生改变的内在机理进行解释,为研发新型镍基高温合金材料提供理论依据和实验基础。


四川大学黄科副教授作了题为《增材制造在燃机领域方面的应用及实践》的报告。

黄科作报告

他表示燃气轮机发展面临多方面挑战,包括更高的效率,更低的污染物排放,更灵活的燃料种类等,迫切需要先进制造技术来提升关键零部件性能及寿命。增材制造,包括3D打印,是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,已应用于燃机关键零部件的制造和维修。本报告介绍增材制造在燃机领域方面的应用和实践、增材制造零部件的开发及认证流程、以及高通量材料开发测试平台应用于增材制造工艺优化和产品认证。


最后,东方电气集团东方汽轮机有限公司燃机研制团队的何建和李定骏与代表们进行了燃机系列产品自主研制成果交流。

何建作报告

李定骏作报告

东方电气集团东方汽轮机有限公司于2009年建立了一条完整的陶瓷型芯生产线和透平叶片精密铸造生产线。陶瓷型芯是制造燃气轮机和航空发动机空心透平/涡轮叶片用关键材料,需要具备极高的尺寸精度,稳定的高温热力学性能,与合金、型壳匹配的收缩率,不与高温合金反应以及易于被碱液脱除。自主开发的等轴晶、定向单晶用硅基陶瓷型芯已用于国内首台50MW燃气轮机透平叶片及多种其它型号叶片制造,具备成熟的陶瓷型芯设计、制造和全流程应用能力。得益于公司强大的燃气轮机整机设计制造能力和整机试验平台,公司拥有先进的透平叶片精密铸造、涂层制备技术和经验,同时具备叶片设计、检测、加工及装配能力。目前已完成多台份自主设计50MW燃气轮机全部透平动静叶片、护环的生产制造,具备大尺寸定向凝固叶片制造能力,单晶叶片长度达330mm。


(中国机械工程学会铸造分会 供稿)