CN112157245B - 利用lmc定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法 - Google Patents
利用lmc定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用LMC定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法,属于大尺寸定向柱晶叶片的铸造技术领域。该方法是在利用LMC定向凝固技术制备叶片时,使用水冷铜盘作为结晶器,所述结晶器上涂覆隔热涂料,该涂层能够保护结晶器不发生腐蚀反应,并且不使低熔点金属发生大量凝固和粘连。本发明方法能够增加叶片初始晶粒,改善固液界面形态,使得大尺寸定向叶片晶粒数量和宽度符合相关技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及大尺寸定向柱晶叶片的铸造技术领域,具体涉及一种利用LMC定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法。
背景技术
燃气轮机是军/民用飞机和水面舰艇的核心动力装备,在能源与电力工业可持续发展中有长远的、全局性的、不可替代的战略地位。燃气轮机的热端部件,其设计和制造技术属于燃气轮机的关键核心基础,是研制具有自主知识产权燃气轮机必须攻克的关键技术。目前重燃的热端部件制造技术仍掌握在国外公司手中,国外对这些核心技术的技术封锁和价格垄断导致我国燃气轮机电站运行维护费用居高不下,能源洁净生产受制于人,对我国能源经济性和安全性也带来很大的隐患。因此,面对我国庞大的燃气轮机市场需求以及燃气轮机在我国未来能源结构汇总的重要地位,开展重型燃气轮机核心技术的研发和产业化对我国有着极为重要的战略意义。
F/E级重型燃气轮机是当前市场销售的主流产品,它的关键热端部件——涡轮工作叶片采用第一代抗热腐蚀定向合金空心叶片。因此,掌握具有复杂内腔结构的大型定向柱晶叶片铸造技术将为我国F/E级重型燃气轮机的研制和应用奠定坚实的基础,也可以为我国舰用燃气轮机的性能升级提供技术保障。同时,不仅可打破国外的技术与价格垄断,而且还可显著降低燃机制造和运行成本,对于我国燃机业的自主、长远可持续发展具有重要的经济和政治意义。
具有复杂内腔结构的大型定向柱晶叶片铸造技术目前仅国外少数公司掌握。近年来在巨大市场需求的推动下,叶片的尺寸越来越大(重型燃机叶片的尺寸一般是航空发动机叶片的3-5倍,叶片的重量为后者的20-30倍)。由于大尺寸定向叶片的制造工艺复杂,定向凝固时间长,无法照搬相对成熟的航空叶片生产工艺,因此传统定向凝固技术在大尺寸燃机叶片制造中遇到很多困难,国外几大燃机生产商均针对大尺寸定向和单晶叶片定向凝固新技术—液态金属冷却(LMC)定向凝固技术开展了大量的研发工作。
2003年开始,国内针对大型定向空心叶片的制造工艺,开展了LMC定向凝固技术的研发。目前已经完成了LMC设备的研发,并掌握了相关的关键技术,在大尺寸定向空心叶片制备技术方面也开展了一些研究工作。
在传统定向凝固工艺中,陶瓷型壳始终放置于结晶器(水冷铜盘)上,当熔融合金液浇注到保温炉内的陶瓷型壳中时,合金液与结晶器接触快速凝固,形成细小的等轴晶,厚度约为1~5mm。定向凝固开始后结晶器带动充满熔融合金液的陶瓷型壳以一定的抽拉速率离开保温炉,在合金液的固液界面形成单向温度梯度,实现定向柱晶生长,由于水冷铜盘激冷效果好,初始晶粒多,最终形成的定向柱晶数量较多,能够满足相关技术要求。
但是,在LMC定向凝固法中,采用低熔点液态金属锡作为冷却介质,由于熔融金属锡与金属铜极易发生化学反应,并且水冷铜盘的冷却会使低熔点金属锡发生凝固和粘连,导致设备损坏,因此无法采用传统定向凝固中的水冷铜盘作为结晶器,大多数都是采用实心不锈钢作为结晶器。这种结晶器制备小尺寸铸件可以满足要求,但是在制备大尺寸定向铸件时,由于合金液多,热容量大,不锈钢的热传导率较低,冷却效果差,因此造成初始晶粒少,随着定向凝固进行,晶粒发生竞争生长,晶粒进一步减少,极易造成晶粒数量(一般要求不少于5个定向柱晶)不合格,或者个别晶粒宽度超标的缺陷,最终导致叶片报废。
发明内容
针对现有技术利用LMC法制备大尺寸定向柱晶叶片时易产生的晶粒数量过少或晶粒宽度过大的问题,本发明提供一种利用LMC定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法,通过改进LMC法结晶器,优化定向凝固工艺等方式,增加叶片初始晶粒,改善固液界面形态,使得大尺寸定向叶片晶粒数量和宽度符合相关技术要求。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
一种利用LMC定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法,该方法是在利用LMC定向凝固技术制备叶片时,使用水冷铜盘作为结晶器,所述结晶器上涂覆隔热涂料,该涂层能够保护结晶器不发生腐蚀反应,并且不使低熔点金属(Sn)发生大量凝固和粘连。
所述结晶器的基材为纯铜,基材上所涂隔热涂料的原料组成为:莫来石粉(320目)、硅溶胶、直径1-2mm的空心氧化铝球和碳纤维。
所述隔热涂料的制备过程为:将莫来石粉与短碳纤维按照(1000~5000):1的重量比例进行预混,混合均匀后得混合粉料;将混合粉料与硅溶胶按照(5~10):1的重量比例混合后得到混合料浆,将空心氧化铝球加入混合料浆中,空心氧化铝球的体积为混合料浆体积的5-20%,搅拌均匀后即得到所述隔热涂料。
所述隔热涂料均匀涂覆在所述结晶器四周和底部,上表面不进行涂覆;每涂覆一层后待表面干燥(自然干燥或利用烘干器进行辅助烘干)后再涂挂下一层涂料,共涂覆5~10次,每次涂抹厚度0.5~2mm;全部涂覆完毕后隔热涂料需要自然干燥24小时后方可使用。
利用LMC定向凝固技术进行大尺寸定向叶片的制备,过程为:将大尺寸定向叶片陶瓷型壳放在结晶器上,并进行固定;将放有陶瓷型壳的结晶器升至保温炉底部,保证型壳全部进入保温炉内部,在型壳下部预铺10-20mm厚空心氧化铝球,保温炉温度到达预定值后将熔融合金液浇注到型壳中,静置一段时间后结晶器带动型壳以一定的抽拉速率拉入低熔点金属(Sn)熔池中,实现定向凝固。
本发明的优点和有益效果如下:
本发明利用高温度梯度液态金属冷却定向凝固技术制备长度大于300mm的大尺寸定向柱晶涡轮叶片的工艺方法(LMC定向凝固技术的具体特点在专利200910220148.5中具有表述)。本发明通过优化和改进定向凝固用结晶器,在其表面涂覆耐蚀防护涂层,避免了在铸造大尺寸定向结晶叶片过程中产生定向柱晶晶粒数目不符合要求和复杂结构形状突变处晶粒生长缺陷。
附图说明
图1为本发明中结晶器结构示意图。
图2为大尺寸叶片宏观腐蚀晶粒图;其中:(a)利用本发明方法制备;(b)未采用本发明。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,以下结合实例对本发明进行描述,但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述,而不是对本发明权利要求的限制。
本发明工艺中所用结晶器结构如图1,冷却水从结晶器中部进入,内部设置螺旋形导流器,冷却水通过导流器最后从排水口排出。
所述结晶器上涂覆隔热涂料,所述隔热涂料的制备过程为:将莫来石粉(320目)与短碳纤维按照(1000~5000):1的重量比例进行预混,混合均匀后得混合粉料;将混合粉料与硅溶胶按照(5~10):1的重量比例混合后得到混合料浆,将直径1-2mm空心氧化铝球加入混合料浆中,空心氧化铝球的体积为混合料浆体积的5-20%,搅拌均匀后即得到所述隔热涂料。
所述结晶器的基材选用纯铜,所述隔热涂料均匀涂覆在所述结晶器四周和底部,上表面不进行涂覆;每涂覆一层后待表面干燥(自然干燥或利用烘干器进行辅助烘干)后再涂挂下一层涂料,共涂覆5~10次,每次涂抹厚度0.5~2mm;全部涂覆完毕后隔热涂料需要自然干燥24小时后方可使用。
该隔热涂层能够保护结晶器不发生腐蚀反应,并且不使低熔点金属(Sn)发生大量凝固和粘连。
实施例1
利用本发明进行长度300mm大尺寸定向柱晶叶片制备。
采用上述已涂覆隔热涂料的结晶器进行,防止结晶器在定向凝固过程中进入低熔点熔池后与低熔点金属锡进行反应,并且其隔热效果能够仿制低熔点金属凝固。将大尺寸定向柱晶叶片型壳放置在结晶器上并固定,升入LMC设备的保温炉中,保温炉温度设置为1550℃,熔融合金液浇注到型壳中,结晶器带动型壳以5~15mm/min的抽拉速率拉入保温炉下部的低熔点金属熔池中,实现叶片的定向凝固。在整个叶片制备过程中结晶器内部一直有循环冷却水进行冷却。利用本发明制备的大尺寸定向柱晶叶片如图2(a)所示,从图中可以看出,叶片底部起晶部位晶粒细小数量很多,随着定向凝固的进行,尽管由于晶粒竞争生长导致晶粒数量减少,但是最终贯穿整个叶片的定向柱晶数量符合技术要求,晶粒宽度比较均匀。
对比例1
本例在采用LMC定向凝固法制备大尺寸定向柱晶叶片时,采用常规结晶器(未涂覆防护涂层)。将大尺寸定向柱晶叶片型壳放置在传统结晶器上并固定,升入LMC设备的保温炉中,保温炉温度设置为1550℃,熔融合金液浇注到型壳中,结晶器带动型壳以5~15mm/min的抽拉速率拉入保温炉下部的低熔点金属熔池中,实现叶片的定向凝固。大尺寸定向柱晶叶片如图2(b)所示,从图中可以看出,叶片起晶段晶粒数量明显少于本发明制备的叶片,整个叶片晶粒质量明显不如本发明制备的叶片,并且叶片存在晶粒宽度超标的现象。
Claims (2)
1.一种利用LMC定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法,其特征在于:该方法是在利用LMC定向凝固技术制备叶片时,使用水冷铜盘作为结晶器,所述结晶器上涂覆隔热涂料,该隔热涂料能够保护结晶器不发生腐蚀反应,并且不使低熔点金属发生大量凝固和粘连;
所述结晶器的基材为纯铜,基材上所涂隔热涂料的原料组成为:320目莫来石粉、硅溶胶、直径1-2mm的空心氧化铝球和短碳纤维;
所述隔热涂料的制备过程为:将莫来石粉与短碳纤维按照(1000~5000):1的重量比例进行预混,混合均匀后得混合粉料;将混合粉料与硅溶胶按照(5~10):1的重量比例混合后得到混合料浆,将空心氧化铝球加入混合料浆中,空心氧化铝球的体积为混合料浆体积的5-20%,搅拌均匀后即得到所述隔热涂料;
所述隔热涂料均匀涂覆在所述结晶器四周和底部,上表面不进行涂覆;每涂覆一层后待表面干燥后再涂挂下一层涂料,共涂覆5~10次,每次涂抹厚度0.5~2mm;全部涂覆完毕后隔热涂料需要自然干燥24小时后方可使用。
2.根据权利要求1所述的利用LMC定向凝固技术制备大尺寸定向叶片过程中定向柱晶晶粒控制方法,其特征在于:利用LMC定向凝固技术进行大尺寸定向叶片的制备,过程为:将大尺寸定向叶片陶瓷型壳放在结晶器上,并进行固定;将放有陶瓷型壳的结晶器升至保温炉底部,保证型壳全部进入保温炉内部,在型壳下部预铺10-20mm厚空心氧化铝球,保温炉温度到达预定值后将熔融合金液浇注到型壳中,静置一段时间后结晶器带动型壳以一定的抽拉速率拉入低熔点金属Sn熔池中,实现定向凝固。
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