涡轮叶片是涡扇发动机的关键性零件
涡扇发动机广泛应用于战斗机、运输机、客机、无人机,是目前最为核心的航空发动机。各类叶片(包括风扇叶片、压气机叶片、涡轮叶片)是涡扇发动机的核心部件,占据发动机制造 30%以上的工作量;其中,风扇/压气机叶片属于冷端部件,多使用钛合金材料,复合材料用量在不断加大;涡轮叶片属于热端部件,使用高温合金等材料,通过精密铸造加工而成,是涡扇发动机中制造难度和制造成本最高的叶片,占涡扇发动机叶片总价值的 60%以上。
各类燃气涡轮发动机的基本原理都是把空气压缩以后喷入燃料,获得高温高压的燃气,再把燃气的内能转化为机械能。在这个过程中,负责提取燃气能量的涡轮叶片要直面高温气流冲击,尤其是第一级涡轮叶片,处在最恶劣的工作环境中。
先进的涡轮发动机的涡轮进口温度超过1600℃,不仅远超镍基高温合金本身的耐热极限,甚至超过了合金的熔点,因而要用最先进的材料、结构和工艺来制造。
现阶段,提高涡轮燃气温度主要通过三种手段:
一是开发新的高温合金材料,以不断提升叶片的承温能力,
二是研制新型的热障涂层,
三是改善涡轮叶片的气冷结构,提高叶片的冷却效率。
涡轮叶片的制造过程中,传统的锻造、机加等手段不能成形复杂的叶片内腔形状,只能采用熔模铸造工艺生产。
熔模铸造中,形成空心铸件内腔形状的陶瓷型芯,其性能和质量对铸件生产的质量和合格率起到重要影响。
陶瓷型芯在压制蜡模时要承受蜡液的高压,部分产品在压制过程中需在叶盆、叶背对称粘贴一定厚度蜡纸。在给蜡液提供一定流道的同时,防止陶瓷型芯受到高速蜡液冲击而漂移。
蜡模应不存在缺肉、油纹、冷隔、缩坑、夹杂物、气泡和裂纹,不偏芯、不露芯、不断芯。并根据有效的设计,进行人工组树,将浇口杯、浇道、叶片蜡模进行组拼,构成一个浇铸系统。
组后检查蜡模及模组标识是否清晰准确,是否有漏号、重号;模组浇道使用是否正确,模组组合方式是否正确;零件与浇道焊接处有无漏缝、虚焊、模型损伤;查浇口杯翻边是否圆滑;
进而进行清洗,洗后进行制作型壳。
型壳固化形成一定强度后,将需要脱蜡的模壳装入专用小车,将小车推入脱蜡釜中,陶瓷型芯要经受高速机械冲击脱蜡时在高压釜内要经受热水和蒸汽的蒸煮。
型壳开始焙烧。
焙烧结束后,待炉温自然冷却至室温,打开炉门,然后将台车移出,手动将型壳取出。
型壳必须在炉温低至200℃以下后方可打开炉门加速降温。
出炉后去除型壳浇口杯的翻边,浇口杯朝上并用专用一次性清洁袋罩住整个型壳,防止灰尘进入壳内。
型壳焙烧时长时间的热作用,会对型壳及型芯质量产生影响。
逐组检验型壳有无裂纹、缺件、壳皮、壳砂等缺陷。
将型壳轻轻左右晃动,以型壳内部是否有声音来判断型壳内型芯有无断裂。
将甲基蓝酒精溶液灌入,查看是否漏液。
期间,会应用到的便是泡沫陶瓷过滤网及陶瓷坩埚。
在真空冶炼炉中进行,浇铸。
高温合金叶片定向凝固过程中,在叶片、铸型以及叶片-铸型边界,热量主要以热传导的形式进行传递,在铸型与炉壁、水冷铜板之间通过辐射换热。
随着合金液自下而上凝固,铸型也逐渐下降,离开单晶炉的加热区,同时在铸型底部水冷,形成下冷上热的温度梯度,维持从下往上的单一凝固方向,确保长成单晶。
陶瓷型芯以二氧化硅、氧化铝等为主要成分。铸造完成后,用高温高压碱液(NaOH\KOH)处理,可以溶解去除型芯。(污染较大,是需攻破的技术瓶颈)
接下来,通过机加工去除多余的浇道、冒口,就得到叶片毛坯。
铸件按对应的批次和试棒一起进行真空和惰性气体下热处理。
摆放要缘板在下与地面垂直放置,避免相互挤压。
叶片表面不允许有裂纹、露芯、砂眼、划痕、冷隔、欠铸等,以及线性、对称性和穿透性缺陷。叶片表面不允许存在氧化现象。叶身与缘板的转接R处和进、排气边不允许有因机械作用而形成的划痕和凹坑等。叶片精铸件非加工表面的粗糙度应符合铸件图样的要求。
以等离子体弧为热源,把热障涂层原料粉末加热并喷涂到工件表面(另一种方法是电子束物理气相沉积,即以电子束为热源)。
热障涂层分为两层,外层为耐高温陶瓷材料,如钇稳定ZrO2(YSZ);
内层为金属黏结层,用于缓冲陶瓷涂层和高温合金基体间热膨胀系数的差异,并提高叶片的抗氧化腐蚀能力,一般为MCrAlY(M=Fe,Co,Ni)合金材料。