[发明专利]一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法

说明书

本发明是一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，本发明针对细长的大尺寸薄壁涡轮叶片，通过控制涡轮叶片凝固时的温度场，使涡轮叶片不同厚度的部位均形成均匀等轴晶，解决了该类型铸件排气边薄壁区域易出现柱状晶和激冷晶的问题；同时通过涡轮叶片的顺序凝固显著改善叶身疏松情况，提高了涡轮叶片的合格率，降低叶片研制成本。

技术领域

本发明是一种控制等轴晶高温合金涡轮叶片晶粒度的方法，属精密铸造技术领域。

背景技术

在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40％～60％。发动机推重比量级的每一次提高，无不强烈地依赖于高温合金的进步。随着发动机推重比不断增大，涡轮进口温度大幅提高，涡轮叶片材料从等轴晶合金逐渐发展到定向、单晶合金，其承温能力不断提高。目前定向、单晶合金已成为航空发动机涡轮叶片的主导材料，但是等轴晶高温合金在承温稍低的涡轮叶片、整体叶盘、大型复杂薄壁结构件以及其它高温结构件上仍有广泛应用，如K465、K403、K417G、MAR-M200、IN100、ЖС6K、ЖС6У等，可显著降低叶片制造难度及成本。如CFM56-5/7发动机中低压涡轮叶片采用IN100和Rene77合金；V2500发动机低压涡轮叶片采用普通铸造合金IN100和IN713合金。俄罗斯Д-30КП发动机(伊尔76飞机的动力装置)四级低压涡轮叶片均采用普通铸造合金ЖС6У-ВИ(国内仿制合金K465)。这些叶片的共同特点是尺寸较大，其叶片长度可达200mm以上，而弦宽较小，展弦比较大，如Д-30КП发动机VI级涡轮叶片长度高达256mm，而最大弦宽为40mm。此外，等轴晶合金在燃气轮机高温部件(工作叶片、导向叶片、涡轮喷嘴等)上也有广泛应用，如GJP450、U500、Rene80、X-40、In738、In792、In939、GTD 111、GTD222、ЧС88y-ВИ、ЧС91、ЧС104、BX4Л等，重型燃机涡轮叶片长度可达400mm以上。

目前等轴晶涡轮叶片均采用精密铸造工艺制备，由于叶片的尺寸、结构等因素，在浇注过程中易产生表面晶粒粗大、柱状晶、激冷晶等表面晶粒缺陷，比如叶片的排气边壁厚薄，极易产生柱状晶、激冷晶等晶粒缺陷。晶粒过大、超出标准要求的柱状晶和激冷晶均会使叶片的力学性能降低。因此，在涡轮叶片生产中，如何对其晶粒度进行有效控制，对于改善涡轮叶片质量、避免缺陷、提高产品合格率具有十分重要的意义。一般控制铸件晶粒有三种方法：热控法、机械法和化学法。化学法是通过加入孕育剂、细化剂，增加外来结晶核心来使铸件晶粒得到细化。对于要求表面细晶的高温合金涡轮叶片类铸件，多采用铝酸钴作为表面晶粒细化剂，可显著细化叶片的表面晶粒，但是对于排气边壁厚较薄的叶片，化学法不能抑制排气边柱状晶的形成。机械法包括电磁搅拌、超声振荡和机械旋转振动法，其原理是利用液体金属的惯性力冲刷、剪切凝固界面的枝晶，有效增加液体金属中的结晶核心，获得均匀的等轴细晶组织。机械法多用于整体结构件的生产，涡轮叶片由于凝固速度太快，并不适合采用机械法。而热控法是工业上比较简单实用的晶粒细化方法，是通过严格控制型壳温度和浇注温度，调整合金凝固过程中的温度梯度、合金的过冷度和细化剂中细化颗粒的非均匀形核数，达到限制晶粒长大的目的，从而获得细晶铸件。为获得较细的晶粒，此法需要较低的浇注温度，温度过低会带来严重的疏松缺陷且不能完全解决排气边柱状晶问题，致使铸件合格率极低，成本较高。此外还有通过增设工艺筋或在型壳内部植入保温材料，改变叶片凝固时的局部温度场，以解决铸件排气边柱状晶和激冷晶的控制问题，但这种方法只能在一定程度上减轻排气边柱状晶和激冷晶的问题，并不能完全解决。

采用普通精密铸造方法进行细长的大尺寸涡轮叶片生产时，叶片排气边等薄壁区域易形成柱状晶和激冷晶，而且合金溶液在瞬间凝固，补缩困难，极易产生疏松、气孔等铸造缺陷，同时非金属氧化物夹杂无法上浮去除，叶身内部易形成夹杂等冶金缺陷，难以满足铸件的冶金质量要求。因此对于细长的大尺寸薄壁涡轮叶片而言，在控制晶粒度的同时还要保证叶片冶金质量，对铸造工艺是非常大的挑战。

发明内容