定向凝固工艺对DZ125合金叶片表面缺陷及组织性能的影响

发布时间：2020-06-08 13:36

【摘要】：涡轮工作叶片在航空发动机中处于高温工作的恶劣的环境中,以至于涡轮工作叶片性能的好坏直接关系到整个发动机性能指标的高低。本文采用DZ125合金的定向凝固工艺,通过前期工艺研究,发现荧光显示缺陷及晶粒度取向不合格的现象。针对前期产生缺陷进行晶粒度及荧光疏松进行数值模拟,对浇注采用的定向炉的冷却环境进行实际测量,获得真实的边界条件,结合测试及计算的物性参数,对已经浇注的方案进行模拟,发现晶粒度及缺陷情况与实际一致,然后通过优化浇注系统来解决缘板内侧疏松缺陷及叶身晶粒的取向偏离问题。通过对DZ125合金定向凝固叶片表面荧光显示的部位和形貌进行解剖分析,进而研究了定向凝固定向叶片表面荧光缺陷显示产生的原因及形成机理。分析结果表明合金叶片表面荧光缺陷显示由两部分构成:其一为合金液与型壳之间的界面反应形成“粘砂”所致,而非合金中的夹杂,型壳材料与合金熔体界面作用机制及接触角θ值(润湿性)密切相关;其二是凝固时枝晶间补缩不足产生的显微疏松和壳液反应产生气体造成的显微气孔,这两种不用性质的缺陷共同作用形成枝晶间的显微孔洞,显微疏松与叶片定向凝固过程中固-液界面前沿的温度梯度有关;同时,凝固过程中型壳表面存在流离态的Si O2及α-Al2O3与合金中的C发生置换反应产生显微气孔。“粘砂”和显微孔洞均破坏了合金叶片表面致密度的完整性,是引起荧光缺陷显示主要原因。通过改进定向型壳面层制壳工艺及提高固-液界面前沿的温度梯度,是减少合金叶片表面荧缺陷光显示的关键措施。为了获得良好的组织和力学性能,采用1480℃、1510℃和1540℃三种不同的拉晶温度进行实验分析,试棒按照设计技术标准里要求的热处理制度进行热处理,通过观察三种不同拉晶温度的微观组织形貌,以及对其进行力学性能的测试,来确定拉晶温度的范围,以获得性能优异的叶片。对经数值模拟优化的方案以及确定的拉晶温度(1490~1510)℃进行批量浇注,合格率高达71.5%,处于国内领先水平,叶片性能达到设计要求,经加工后通过试车。
【图文】：

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采用定向凝固技术生产的铸件，塑性性能中、高温性能与原合金相比，得到了非常大的提界高，被普遍用在铸机中[8]。定向凝固技术发展迅速，世界各国的材料方面的科年内陆续对定向凝固技术进行了研究及改进。在这种情况下凝固合金也应运而生，他们具有更加稳定的组织及优异的性程化应用，美国的 F-16 飞机发动机就采用了大量定向凝固技某公司所生产了最大尺寸为（300 ~650）mm 的燃气轮机叶方面对定向叶片的要求越来越高，科研技术人员各种先进的续采用较多的技术有：高速凝固法、功率降低法、液态金属等。我国在国外的技术基础上研制了属于自己的定向凝固设行改良，，现在国内有很多厂家及研究所在研制定向单晶炉，设备即为自主设计并组装的，我们单位采用的大部分设备为的应用已经非常广泛。设备的原理及大致结构都是统一的，固设备结构简图，采用区域熔化液态金属冷却法。图 1-2，采向凝固。加料系统

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质量有着较高的要求。涡轮工作叶片形状复杂，且尺寸精度要求产品的铸造带来很大的困难，一般来讲，在制造的过程中会产生气孔、再结晶、夹杂、欠铸、应力过大、尺寸偏差等缺陷。因此片铸件的生产过程中，需要对铸件的质量进行严格的监控，这也涡轮工作叶片铸造领域的技术难题。生产无余量、结构复杂、满足技术设计要求的大型发动机涡轮工成熟的定向凝固铸造工艺，完善的铸造设备以及技术精湛的研究Z125 叶片概况DZ125 叶片结构尺寸轮工作叶片为带冠大展弦比结构，榫齿均为单齿结构，叶冠为“有叶身超薄、狭窄、细长等特点，该叶片叶身最薄处仅 0.6mm，，且叶身狭长，长约 140mm，除榫头、叶冠等位置留有 1～1.5身及榫头伸根等位置均为无余量精密铸造。叶片三维模型图片见
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V263

【参考文献】