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1、CS AA9 9 - PT- 0 2 5 某低压涡轮工作叶片整体晶粒 细化工艺研究 中国南方航空动力机械公司 李志贤 1 前言 我们公司在新 研制的某发动机试车中， 低压涡轮叶片出 现断裂， 造成整盘涡轮报废。 事后经专家分析，认为是发动机产生颤震而导致涡轮叶片大应力疲劳断裂。同时分析涡轮 叶片的金相组织，发现叶片表面晶粒细小均匀，而内部则是针状的柱状晶，且针状柱状晶 贯通整个横切面;因叶片小而薄，浇注温度偏高，枝晶较粗。这是由于低压涡轮叶片是采 用传统的表面晶粒细化工艺生产的。 影响疲劳寿命的关键因素是裂纹的扩展速率。在中、低温度下，细等轴品粒的合金有 较高的 低周疲劳极限，这是由于在中、
2、低温度下的 疲劳断裂，一般以穿晶破裂开始并沿晶 内 传播扩展，而裂纹在晶内的向前推进受到取向不同的相邻晶粒的限制，细小的品粒对形 变带的约束较大，并易于引 起滑移弥散分布。 叶 片断裂说明叶片本身存在着质量问 题。 用叶片直接在梁式振动台上进行 7 0 0 振动 疲 劳 试 验的 结 果 ( 数 据见表 6 ) 说明， 表面晶 粒 细化叶 片的 疲劳 性能 较差。 为了 提高 某 低压涡 轮叶片的综合性能，进行了如下所述的一系列试验研究工作，最终获得了用热控法生产的 整体品 粒细化的 叶片，叶片性能显著提高， 顺利地进行了6 0 h 和1 5 0 h 摸底试车以 及6 0 h 正 式试车，试车
3、后分解检查，情况良 好。现在装有该叶片的某发动机装在空军某新型教练机 上正在试飞。 2某低压涡轮叶片整体晶粒细化工艺方案选择 2 . 1 试验 对象和试验条件 研究对象零件为某机低压涡轮工作叶片，外观如图I ，叶片小而薄，长7 6 m m .最小壁 厚排气边仅为。 .3 m m e 叶 片材料为K 4 0 3 合金， 其成分和性能 见表1 和表2 。 试验用母合金符合H B 5 1 5 5 的规 定。 表1 K 4 0 3 合金成分 oh o 刀勺 主要元素含量W t %一 CC0 C r一 M 。一 R A ITiB Zr一 N i ， 6 K 4 0 3 - 7 50 . 1 45 . !
4、 91 0 . 83 . 9 75 一 2 95 . 6 92 . 7 4 0 .0 1 2 0 . 0 5一 基 : II B 5 1 5 5 规定 0 .1 1- 0 .18 4 . 5 0 - 6, . 0 0 1 0 . 0 -1 2 . 0 一 3 . 8 0 刁 . 5 0 . 4 .8 0- 5 .5 05 .3 0- 5 .8 02 . 3 0 2 一 ， 0 0 . 0 1 2 0 . 0 2 20 .0 3- 11.0 8 基 1 1 0 表2 K 4 0 3 合金力学性能 合金炉号 8 0 0 C 瞬时拉T 中 性能 9 7 5 持久 w( %) 训一箭 6 K4 0 3
5、 - 7 5 应力 ( M P a ) 1 9 5 断裂时间( h ) 5 1 HB 1 5 5 规定 a b ( MP a ) 9 0 5 ) 7 8 5 1 9 54 0 合金熔炼与浇注在Z G - 0 . 0 2 5 真空炉内进行。 叶片壳型为: 表面层和第二层为刚玉一 硅溶胶涂料， 不涂铝酸钻细化层; 加固 层为 煤研 石一硅酸已醋水解液涂料。壳型经9 0 0 预焙烧。 2 . 2 试验方案的 选择 对表面晶粒细化的涡轮叶片进行金相低倍组织分析中，经常发现由 表向 里生长的针状 柱状品 贯 通整个 横切 面( 图2 ) ， 这 种 梳子 状的晶 粒结 构， 必 然降 低叶 片 横向 的
6、 力 学性能， 而 垂直主应力轴的横切面正是负荷校大的 部位。因此，消除 这些柱状晶 而代之以 细小的等轴 晶，成为改进叶片性能的首选目 标。 小而薄的叶片。 在浇注时由 于凝固 速度快，同时在表面细化剂的作用下。晶 粒生长从 叶盆和叶背分别由 外表向内 部发育，薄小的叶片必然被柱状晶贯通， 这是薄小型叶片应用 表面细化工艺的典型特征。由 此， 提出的 试验方案即是寻求一种代替表面品 粒细化的对叶 片整体晶粒细化的工艺方法，以 达到提高涡轮叶片综合性能的目 的。 我们认为，这种整体晶粒细化叶片 应不同于 “ 细晶铸造” 。 “ 细晶铸造”要求晶粒尺寸 较小， 适用于中、 低温工作的盘类和转子类
7、零件。 而叶片整体晶 粒细化是为了 使叶片在凝 固过程中 获得从内 部到外表全部为等轴晶， 其晶粒尺寸控制在0 .5 - - 2 m m范围内。 整体晶粒细化与 “ 细品铸造” 均是对铸件的 凝固结晶过程进行有序的 控制， 其工艺方 法趋同，由 于整体品 粒细化要求晶 粒尺寸 较大， 其工艺方法应该更简 单、 经济 和适用。 根据金属凝固原理，使品粒细小的主要途径是在金属凝固结品过程中，促使晶核的生 成数量多， 凝固速度加快， 并抑制品 粒的长大。 其方法有如下三种: 化学法:在金属液中添加孕育剂，增加金属液中的成核质点而细化晶 粒。试验初期， 在 K 4 0 3合金液中 加入一种金属间 化合
8、物作为孕育剂， 但效果不理想，孕育剂 熔混不均匀 不充分， 未熔解的质点形成夹杂， 造成对金属的 污染。 此法试验数次 后放弃。 机械法: 通过对正在凝固结晶过程中的金属液进行机械振动、 搅拌， 破碎己 形成的 枝 晶， 抑制晶粒生长，可达到细化晶粒的效果。 我们曾在Z G - 0 . 0 2 5 真空炉内安 装一台 机械震 动器， 振动频率5 0 11 z ,振幅0 . 5 m m。 试验证明， 震动对壁厚较大的 铸件效果较佳，而 对小 而薄的叶片效果欠佳，甚至不能 起作用。因为叶片很薄， 凝固速度很快， 金属液浇注入壳 型后，全 巨 决 结品己 经完成。 用振动法浇注的铸件试样， 其浇注系
9、统和试棒晶 粒明显细化， 而叶片却不起细化作用。 热控法:一方面通过降低浇注温度即增加金属液的过冷度来增加品核的 数目，同时调 整铸型温度。加快凝固速度以 抑制品粒生长 ， 从而得到细小品 粒。热控法是一种最简单、 最经济的控制铸件结品过程的方法，但是，对于小而薄的涡轮叶片，降低浇注温度则难以 充t o 铸型因而实施起来也很困难，但在前两项方法己无法达到涡轮叶片核体细化效果时， 也只有选择热控法作为试验研究的唯一 方法 2 . 3 热控法整体品粒细化试验方案 试验方案按浇注温度与铸i 9 温度进行不同的组合来设计。其安排见表3 . 1 1 1 表3 热控法试 验方案 试验方案 浇 注 温 度
10、( )( 液 相 线 以 上 )片9 0 0 铸型温度( ) 9 5 0 1 0 0 01 0 5 0 201洲140一刘一70-90 注: l l ) - 表示为 试验组 合方案; ( 2 ) 第7 方 案为 低压 涡轮 叶片原生 产 方案。 ( 3 ) K 4 0 3 合金 液相线 温度为1 3 3 0 试验中浇注 温度比 原浇注温度降 低很多，为了 使叶 片薄边( 排气边) 能够浇注成型， 使之 不 产生欠注缺陷， 采用了 排气边叶 背加工艺补贴的 措施( 图3 ) 0 采用金属 液 流程 最短的 浇注 系 统 一顶注 图4 ) 。 试验 壳型 表面 层不 涂铝酸 钻细 化层。 2 .4
11、 热控法整体晶 粒细化试验结果 2 .4 . 1 浇 注 温 度与晶 粒 度的 关系 浇注温度是影响晶粒度的最关键因素。 试验结果表明，当浇 注温度不超过液相线上 4 0 ， 可以 获得细小的、 均匀的 等轴晶; 超过液相线上5 0 C ，晶粒明 显变粗( 表4 和图5 ) 。二 次 枝品 臂距也随 着浇注温度的 增高而加大( 图6 ) 0 表4 不同浇注温度下的晶粒平均直径和枝晶臂距 浇 注温度( ) ( 液相线以 上)3 0 4 0 5 07 0 9 0 1 4 0 晶 粒平均直径 ( m m ) 0 .6 1 . 6 2 . 12 . 84 . 0 柱状晶 二次枝晶臂 距 ( p m )
12、 3 0 - 5 04 0 - 6 05 0 - 8 0 注: 壳型温度为9 5 0 C . 2 . 4 .2 铸型 温度与品 粒度的关系 当铸型温度不高于 9 0 0 时，晶粒细小， 但易产生欠铸缺陷: 铸型温度不低于 1 0 0 0 0C 时， 浇注温度对晶 粒度的影响很敏感; 铸型温度在 9 0 0 - 1 0 0 0 之问时，晶粒尺寸随浇注温 度的 变化而波动， 铸型温度的 波动对晶粒 尺寸的 影响较小。 2 . 4 .3 合金性能与品 粒尺寸的 关系 试验数据表明，K 4 0 3合金的品 粒尺寸在 1 m m 以 下时， 9 7 5 C 高温持久性能下降; 而 品 粒 尺寸 在2 -
13、 3 m m时， 能 得到 较 好的 综 合性 能; 品 粒粗 大 ( 晶 粒 尺寸5 - 8 m m ) 的 试样， 9 7 5 高 温持 久 性能 有 所提高 ( 如 表5 ) 0 表5 K 4 0 3 合金品 粒 尺寸 与高 温持 久 性能的关 系 ( 铸态 ) 晶 粒尺寸 ( m m ) 持久寿命( h )8 0 0 C 瞬时拉伸性能 8 0 0 C 5 1 0 D I P a ， 7 5 1 9 5 MP a o n ( n 1 P a )6 , ( %)W ( Y. , ) 5 0 h s l h l Z m i n 4 0 h 5 8 h 4 2 mi n器 1 4 .6 76
14、. 2 96 8 2l l mi n 3 4 s1 6 5 2 6 2 整体晶 .粒细化 ! 1 5 3 h 2 5 mi n 1 3 2 h l g m i n 1 4 3 h 4 mi n 1 1 4 h s mi n 凡 9 6 _ 9 ( 均值) 8 . 1 21 1 . 4 ; ; ; 2 2 mi n 3 4 s 3 l mi n 3 0 s 1 0 2 7 7 1 2 1 3 2 9 9 5 9 * 叶片直接在梁式振动台上试验，叶 尖双振幅为2 . s m m。 3某低压涡轮叶片生产实践 3 . 1 整体晶 粒细化的效果 用热控法按照上述工艺参生产整体品粒细化的某低压涡轮叶片，
15、在生产实践中 存在着 不少操作上的技术难关。其关键之一是金属液温度的控制，热控法要求准确的温度控制， 误差要求在土5 之内。目 前我们使用热偶测温系统，其系统误差则大于 5 ，稍有故障， 则误差远远大于此值，造成叶片晶粒度不合格。 同时，熔池内 金属液温度存在严重的垂直温度偏差，在静态测温时，金属液表面的温 度比 柑祸底部的 温度要低 6 0 一 80。 操作者要有熟练的技术和一套严格的操作规范， 将金 属液温度用电磁搅匀并控制到所需的浇注温度，以 最快的速度充填铸型，使叶片整体得到 均匀细小的等轴品组织。 整体晶 粒细化叶片表面和剖面晶 粒尺寸 基本一 致，晶 粒直径0. 5 0 砚.0 o
16、 m m ，相当 于2 一 4 级。叶片按技术要求进行剖面低倍检查，任意抽取几批数据如表7 和图7 。 表7 叶片品粒尺寸 炉批号 晶粒 1咔身 寸 ( m m ) 桦头 9 6 D7 5 4 9 6 D7 5 6 9 6 D8 2 1 9 6 D8 2 2 欣5 1 . 0 几5 1 . 1 0 一 08 0 石1 . 2 0.5 1 . 0 0 . 6 12 0.5 一1 . 0 几8 ! . 药 3 . 2 显微缩松 热控法要求金属液有较高的过冷度，随 着浇注温度的降 低，品 粒尺寸变小，由 于金属 维持液态的时问变短，金属液粘度增大，当枝品骨架形成后，过冷的金属液难以渗透枝品 间隙，金属冷凝后则形成显微缩松，这是木T艺存在的难以克服的缺陷。 在试验中曾系统摸索显微缩松与浇注温度的关系，发现浇注温度降至 1 3 80以 下，叶 片产生显微缩松的趋势明显增加。浇注温度 . 3 川，缩松率为 ”.% . ，1 3 6 5 时，缩松率高 达3 0 叹 .
