CN107457358B

CN107457358B - 微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法

Info

Publication number: CN107457358B
Application number: CN201710734700.7A
Authority: CN
Inventors: 刘广勤; 阎成祥; 刘力铭
Original assignee: Xi'an Zhong Gong Power Energy Co Ltd
Current assignee: Xi'an Zhong Gong Power Energy Co Ltd
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: CN107457358A

Abstract

本发明公开了一种微型燃气轮机涡轮转子，涡轮转子的材质为K4002高温合金。本发明还公开了利用K4002高温合金铸造微型燃气轮机涡轮转子的方法。本发明中的微型燃气轮机涡轮转子，由于采用K4002作为涡轮转子的材料，能够保证微型燃气轮机在涡轮进口温度1200K情况下，核心机转子转速在45000rpm转速下长期运转，工作可靠。本发明中的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，能够保证叶片的充型，消除欠铸的问题；采用球型浇铸系统，防止疏松，产生裂纹。

Description

微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法

技术领域

本发明涉及微型燃气轮机技术领域，尤其涉及一种微型燃气轮机涡轮转子及该转子的铸造方法。

背景技术

微型燃气轮机是一类微小型热力发动机，功率在30KW-500KW之间，结构采用离心式压气机和向心式透平。微型燃气轮机主要作为发电机组的动力源，具有结构简单、适用多种燃料、热效率高、低污染等诸多优点，可广泛应用于分布式能源发电、并网发电、调峰发电、备用电站、热电联供等诸多领域。

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。涡轮转子是燃气轮机的核心部件，其最高工作转速在90000RPM，工作时温度高达1000℃，叶承受最大应力900MPA左右，为保证涡轮转子的稳定工作，必须采用耐高温、强度好的材料作为涡轮转子材料。

发明内容

为解决现有技术中，微型燃气轮机涡轮转子存在的不能稳定工作的技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种微型燃气轮机涡轮转子，其涡轮转子的材质为K4002高温合金。

本发明将高强度镍基铸造高温合金K4002作为涡轮转子材料，其高温性能水平属现有等轴晶铸造镍基高温合金的最高级别，组织稳定性、抗高温氧化、耐腐蚀性良好，铸造工艺性能及成形性能良好，可铸成各种形状复杂的涡轮转子叶片、导向叶片和整体涡轮盘等。K4002中有较多的钨和贵重的钽和铪，密度较大，密度8.5g/cm³，适用于1000℃以下的燃气轮机涡轮。

本发明还公开了上述微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，包括如下步骤：

步骤1、根据待浇铸涡轮转子的结构、参数，设计球型浇铸系统；

步骤2、制造涡轮转子蜡模、球形蜡模及流道蜡模，其中涡轮转子蜡模的涡轮叶片叶尖处开设流道；

步骤3、将步骤2中的涡轮转子蜡模、球形蜡模及流道蜡模组合形成蜡模壳；

步骤4、利用蜡模壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；

步骤5、型壳脱蜡；

步骤6、将在1560±10℃精炼完成的K4002合金液在温度1480±10℃条件下向步骤5的型壳内浇铸；

步骤7、浇铸完成后，冷却脱壳。

在一种优选的实施方式中，步骤3中的涡轮转子蜡模、球形蜡模及流道蜡模均利用蜡模机在55℃、4bar的压力下制得。

在一种优选的实施方式中，步骤4包括：

步骤4.1、将硅溶胶与粉料混合制得粘度为36～40s的料浆，将其涂覆于步骤3的蜡模壳表面后，利用细石英砂挂砂，干燥；

步骤4.2、重复步骤4.1，直至在步骤3的蜡模壳表面挂砂8次。

在一种优选的实施方式中，步骤5包括：

步骤5.1、对型壳脱蜡，脱蜡温度为500℃；

步骤5.2、将步骤5.1所得型壳置于真空炉中，加热至1000±20℃，对型壳烘烤。

在一种优选的实施方式中，步骤6浇铸钱，在型壳外部包覆保温棉。由于涡轮转子的叶片长而薄，合金液进入叶片后温度降的很快，很容易冷却，出现欠铸的情况。为避免该情况的出现，在型壳外部包覆了保温棉，当合金液流到涡轮转子的边缘位置也就是叶片位置，温度还未降低尚有流动性，从而将叶片充满，保证了叶片的良好充型。

在一种优选的实施方式中，步骤4.1中的粉料为铝酸钴粉和刚玉粉的混合物，铝酸钴粉和刚玉粉的混合比例为1:15～25。

在一种优选的实施方式中，所述蜡模壳的组成结构由上至下依次为流道蜡模、球形蜡模、涡轮转子蜡模；所述各个蜡模之间焊接连接。

本发明中的微型燃气轮机涡轮转子及其铸造方法，与现有技术相比，其有益效果为：

本发明中的微型燃气轮机涡轮转子，由于采用高强度镍基铸造高温合金 K4002作为涡轮转子的材料，因此能够保证微型燃气轮机在涡轮进口温度1200K 情况下，核心机转子转速在45000rpm转速下长期运转，工作可靠。

本发明中的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，在涡轮转子蜡模的涡轮叶片叶尖处开设了流道，并在浇铸前，在型壳外部包覆保温棉，保证了叶片的充型，消除了欠铸的问题。浇铸完成后，使浇铸件自然降温，冷却脱壳；采用了球型浇铸系统，在浇铸时，首先冷却的是涡轮转子边缘位置，叶片、底部等，涡轮芯部中心位置温度高，此时芯部上方的金属液体因为补缩的作用会向芯部中心位置流动，如果不采用球型浇铸系统，那么小轴部位的金属液体会流向下方，造成疏松。采用球型浇铸系统的金属液体会补充到芯部和小轴部位，防止疏松。

附图说明

图1是本发明中微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法中的蜡模壳的示意图；

图2是本发明中利用微型燃气轮机涡轮转子的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

微型燃气轮机涡轮转子最高工作转速在90000RPM，工作时温度高达 1000℃，叶承受最大应力900MPA左右，为保证涡轮转子的稳定工作，本发明采用了高强度镍基铸造高温合金K4002作为涡轮转子材料。K4002的化学成分 (按质量百分比)如表1所示：

表1

C

Cr

Ni

Co

W

Mo

AL

0.13～0.17

8.0～10.0

余

9.0～11.0

≦0.5

5.25～5.75

Ti

Fe

Ta

Hf

V

B

Zr

1.25～1.75

≦0.5

2.25～2.75

1.3～1.7

≦0.10

0.01～0.02

0.03～0.08

Mn

Si

S

P

Cu

Mg

Ag

≦0.20

≦0.010

≦0.10

≦0.003

≦0.0005

Pb

Bi

≦0.0005

≦0.00005

从表1中可看出，K4002中有较多的钨和贵重的钽和铪，密度较大，其持久强度表见表2。

表2

θ/C	δ50/Mpa	δ100/Mpa	δ300/Mpa	δ500/Mpa
					800	669	618	544	515
900	379	362	293	266
					1000	181	161	127	114

通过上表可知，K4002的密度大、持久性强度高，适用于1000℃以下的燃气轮机涡轮转子。

本发明还公开了铸造上述微型燃气轮机涡轮转子的方法，包括如下步骤：

步骤2、制造涡轮转子蜡模 2、球形蜡模 4及流道蜡模 3，其中涡轮转子蜡模 2的涡轮叶片1的叶尖处开设流道5；其结构如图1所示。

涡轮转子蜡模的涡轮叶片1形状、结构参数以及球形蜡模 4、流道蜡模 3的参数均由步骤1中的球形浇铸系统设定。设定好以后，利用蜡模机在55℃、4bar 的压力下制成涡轮转子蜡模 2、球形蜡模 4及流道蜡模 3。为防止浇铸过程中，出现欠铸的情况，在涡轮转子蜡模 2的涡轮叶片1叶尖处开设了流道5。

步骤3、将步骤2中的涡轮转子蜡模 2、球形蜡模 4及流道蜡模 3组合形成蜡模壳，蜡模壳的结构如图1所示；

蜡模壳的粘结结构为流道蜡模 3、球形蜡模 4、涡轮转子蜡模 2依次连接；各个蜡模之间焊接连接，即使用高温烙铁将蜡模连接部分熔化后使之凝固在一起。

步骤4、利用蜡模壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；

步骤4.1、将硅溶胶与铝酸钴粉、刚玉粉的混合物制得的粉料进行混合后，制得粘度为38s的料浆，将其涂覆于步骤3的蜡模壳表面后，利用细石英砂挂砂，干燥；其中铝酸钴粉、刚玉粉的混合比例为1:17。铝酸钴粉可以起到细化铸造等轴晶粒的作用；刚玉粉具有尺寸稳定性、热稳定性和高温化学稳定性好的特点。

步骤4.2、重复步骤4.1，直至在步骤3的蜡模壳表面挂砂8次。

步骤5、型壳脱蜡；

步骤5.1、将型壳内的蜡模壳熔化去除，熔化蜡模壳的温度为500℃；

步骤5.2、将步骤5.1所得型壳置于真空炉中，加热至980℃，对型壳烘烤，烘烤时间为1小时。

步骤6、将在1550℃精炼完成的K4002合金液在温度1490℃条件下向步骤 5的型壳内浇铸，将型壳浇铸满；

其中选定的铸造温度为1490℃，其原因在于，本发明的涡轮转子的叶片轮盘为整体铸造，温度过高容易出现补缩，温度低易造成欠铸。经过多次铸造试验后，最终选定铸造温度为1490℃。该温度降低补缩或欠铸情况发生的几率，铸件无裂纹。

为避免出现欠铸的情况，在向型壳内浇铸合金液前，需要使用保温棉将型壳进行包覆，使得当合金液流到涡轮转子的边缘位置也就是叶片位置，温度还未降低尚有流动性，从而将叶片充满，保证了叶片的良好充型，不会出现欠铸的情况。

步骤7、对步骤6浇铸完成制得的涡轮转子，冷却脱壳。

因为涡轮转子蜡模的涡轮叶片1叶尖处开设流道5，因此，所制成的型壳的叶片叶尖处也具有流道。在步骤6浇铸完成后，检查是否存在欠铸情况，如存在，向型壳的叶片叶尖处开设的流道内浇铸K4002合金液，使其满足铸件要求。而后将型壳置于自然环境冷却至710℃，使浇铸件自然降温冷却脱壳，制得采用 K4002合金材料的微型燃气轮机涡轮转子。

采用本发明的方法制得的微型燃气轮机涡轮转子，其结构如图2所示，包括叶片6、小轴7及芯部8。采用该方法能够保证涡轮转子良好充型，并且芯部 8无疏松，质量得到明显的提升，力学性能满足要求。

实施例2

各个蜡模之间焊接连接，即使用高温烙铁将蜡模连接部分熔化后使之凝固在一起。

步骤4、利用蜡模壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；

步骤4.1、将硅溶胶与铝酸钴粉、刚玉粉的混合物制得的粉料进行混合后，制得粘度为40s的料浆，将其涂覆于步骤3的蜡模壳表面后，利用细石英砂挂砂，干燥；其中铝酸钴粉、刚玉粉的混合比例为1:22。铝酸钴粉可以起到细化铸造等轴晶粒的作用；刚玉粉具有尺寸稳定性、热稳定性和高温化学稳定性好的特点。

步骤4.2、重复步骤4.1，直至在步骤3的蜡模壳表面挂砂8次。

步骤5、型壳脱蜡；

步骤5.2、将步骤5.1所得型壳置于真空炉中，加热至999℃，对型壳烘烤，烘烤时间为1小时。

步骤6、将在1565℃精炼完成的K4002合金液在温度1475℃条件下向步骤 5的型壳内浇铸，将型壳浇铸满；

步骤7、对步骤6浇铸完成制得的涡轮转子，冷却脱壳。

因为涡轮转子蜡模的涡轮叶片1叶尖处开设流道5，因此，所制成的型壳的叶片叶尖处也具有流道。在步骤6浇铸完成后，检查是否存在欠铸情况，如存在，向型壳的叶片叶尖处开设的流道内浇铸K4002合金液，使其满足铸件要求。而后将型壳置于自然环境冷却至700℃，使浇铸件自然降温冷却脱壳，制得采用 K4002合金材料的微型燃气轮机涡轮转子。采用本发明的方法制得的微型燃气轮机涡轮转子，其结构如图2所示，包括叶片6。小轴7及芯部8。采用该方法能够保证涡轮转子良好充型，并且芯部8无疏松，铸件无裂纹，质量得到明显的提升，力学性能满足要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤4、利用蜡模壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；

步骤5、型壳脱蜡；

步骤7、浇铸完成后，冷却脱壳。

2.根据权利要求1所述的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，步骤3中的涡轮转子蜡模、球形蜡模及流道蜡模均利用蜡模机在55℃、4bar的压力下制得。

3.根据权利要求1所述的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4.2、重复步骤4.1，直至在步骤3的蜡模壳表面挂砂8次。

4.根据权利要求1所述的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，步骤5包括：

步骤5.1、对型壳脱蜡，熔化蜡模壳的温度为500℃；

5.根据权利要求1所述的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，步骤6浇铸前，在型壳外部包覆保温棉。

6.根据权利要求3所述的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，步骤4.1中的粉料为铝酸钴粉和刚玉粉的混合物，铝酸钴粉和刚玉粉的混合比例为1:15～25。