ZTC4鈦合金透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的開發(fā)及應(yīng)用

李偉東,紀(jì)大偉,賈國成,賈壯飛,孫宏喆，楊紅霞,劉茵琪

(洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000)

ZTC4鈦合金透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的開發(fā)及應(yīng)用

李偉東,紀(jì)大偉,賈國成,賈壯飛,孫宏喆，楊紅霞,劉茵琪

(洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000)

開發(fā)了一種ZTC4鈦合金葉片，用于替代腐蝕磨損的電廠透平機(jī)轉(zhuǎn)子不銹鋼葉片。首先采用三維掃描逆向工程技術(shù)測繪受損的透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，然后利用石墨型真空鑄造法鑄造ZTC4鈦合金葉片，最后采用超音速火焰噴涂技術(shù)噴涂WC防護(hù)涂層。對葉片底座配合面進(jìn)行機(jī)械加工，并將機(jī)加工后的葉片進(jìn)行裝配、動平衡測試，完成整個試制過程。所生產(chǎn)葉片的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿足用戶要求，并已裝機(jī)使用2年，沒有發(fā)生腐蝕磨損，也不需要清理塵污，得到了用戶的高度認(rèn)可。

ZTC4鈦合金；透平機(jī)；逆向工程技術(shù)；石墨型鑄造

0 引 言

透平機(jī)是將流體介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的機(jī)器。其工作介質(zhì)可以是氣體也可以是液體。鋼廠自備電廠用的透平機(jī)是以高爐煤氣為工作介質(zhì)，將高爐氣體的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。傳統(tǒng)的透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)為不銹鋼，在水煤氣及灰塵環(huán)境中服役易受到腐蝕和磨損。此外，葉片表面還極易吸附灰塵。因此，每兩年就需要對葉片表面的灰塵進(jìn)行清理，并對透平機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速動平衡校驗(yàn)測試。某鋼廠自備電廠的透平機(jī)轉(zhuǎn)子，由于環(huán)境和介質(zhì)等原因，使用壽命更短，需要每年進(jìn)行更換，極大地影響了生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本。因此，亟需尋求透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的替代材料，以滿足工作環(huán)境的需求。

鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)小、耐蝕性好、耐熱性好等特點(diǎn)[1-2]，是制造透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的理想材料[3-4]。由于鈦元素具有很強(qiáng)的活性，無法用傳統(tǒng)的鑄造方法成形鈦合金鑄件。目前國內(nèi)外普遍采用石墨型真空鑄造和熔模精密真空鑄造[5-6]兩種方法成形鈦合金鑄件。石墨型鑄造法成形的鑄件具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高等特點(diǎn)。因此，本研究采用三維掃描逆向工程技術(shù)測繪腐蝕磨損的葉片，采用石墨型真空鑄造法制備鈦合金透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，用于替代受損的不銹鋼透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。

1 透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的測繪

透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片輪廓尺寸為328.8 mm×196.6 mm×88.2 mm。因葉片結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的弧面結(jié)構(gòu)，且破損較為嚴(yán)重且，無法用常規(guī)的測量方法進(jìn)行精確測量。針對實(shí)際情況，采用三維掃描逆向工程技術(shù)，用MAX shot 3D三維激光掃描儀(精度±0.04 mm)對受損葉片(圖1a)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,獲得小平面體數(shù)模(圖1b)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對點(diǎn)云進(jìn)行降密處理，保留輪廓及邊緣部位點(diǎn)云。依據(jù)降密后的點(diǎn)云和小平面體繪制出葉片輪廓線，并將繪制的輪廓線編輯成面體，再繪制成可編輯的三維實(shí)體數(shù)模,見圖1c。依據(jù)可編輯的三維實(shí)體數(shù)?？衫L制二維鑄件圖及二維零件工程圖。將繪制好的可編輯的三維實(shí)體數(shù)模與掃描數(shù)據(jù)所獲得的小平面體數(shù)模進(jìn)行比對(見圖1d)，兩者誤差控制在±0.3 mm以內(nèi)。

圖1 受損葉片照片及葉片的三維數(shù)模Fig.1 Photo of damaged blade and 3D numerical simulation blades

2 透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的制造

2.1 石墨型鑄造鈦合金葉片

根據(jù)葉片所處的工作環(huán)境，選用ZTC4鈦合金鑄錠(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 15073—1999)作為葉片材料，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 ZTC4鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of ZTC4 titanium alloy ingot

根據(jù)三維掃描逆向工程繪制的葉片三維模型，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和模具，加工石墨模型。采用真空除氣爐對石墨模型進(jìn)行除氣處理，然后將模型組型裝配。采用真空電弧熔煉爐熔煉ZTC4鈦合金，真空度為0.9 Pa，熔煉電流為22 kA。熔融鈦合金澆注在石墨型腔內(nèi)，在真空狀態(tài)下保溫1 h出爐。對澆注的鑄件進(jìn)行熱等靜壓處理(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為HB/Z 234—1993)及無損檢測(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5677—1985 Ⅰ級)。隨爐澆鑄拉伸試樣。圖2為澆鑄的ZTC4鈦合金葉片鑄件。

圖2 ZTC4鈦合金葉片鑄件Fig.2 Photo of casting ZTC4 titanium alloy blade

2.2 葉片的加工、表面處理及裝配

采用五軸數(shù)控加工方法對鑄件葉片進(jìn)行機(jī)械加工。以受損葉片為基準(zhǔn)，對加工后的新葉片進(jìn)行尺寸復(fù)測，確保新葉片與受損葉片尺寸完全一致。圖3為新葉片與受損葉片進(jìn)行尺寸三維掃描比對圖。檢測結(jié)果顯示，新葉片與受損葉片頂部尺寸誤差在±1.5 mm之內(nèi)。

圖3 鑄造ZTC4鈦合金葉片與受損葉片三維比對圖Fig.3 3D dimensional comparison of ZTC4 titanium alloy blade and damaged blade

采用超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF)在ZTC4鈦合金葉片表面噴涂WC防護(hù)層，噴涂后的葉片見圖4。

圖4 噴涂WC防護(hù)層的ZTC4鈦合金葉片F(xiàn)ig.4 Photo of ZTC4 titanium alloy blades with WC protectivelayer

對葉片底座配合面進(jìn)行機(jī)械加工，然后將加工好的ZTC4鈦合金葉片裝配在透平機(jī)轉(zhuǎn)子軸上。圖5為裝配鈦合金葉片的透平機(jī)轉(zhuǎn)子。

圖5 裝配ZTC4鈦合金葉片后的透平機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.5 Photo of turbine totor after ZTC4 titanium alloy blades installed

3 透平機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的測試

3.1 鑄件葉片拉伸性能和硬度

對隨爐鑄造的試棒進(jìn)行力學(xué)性能和表面硬度測試。結(jié)果顯示，抗拉強(qiáng)度為915 MPa，屈服強(qiáng)度為840 MPa，延伸率為7.6%，布氏硬度HB為3 381 MPa，滿足GB/T 6614—1994標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 動平衡測試

采用SCHENCK Rotec Gmbh D-64273 Darmstadt動平衡測試設(shè)備,對裝配ZTC4鈦合金葉片后的透平機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速動平衡、3 300 r/min超高速動平衡測試。當(dāng)轉(zhuǎn)子配重為120 g時，不平衡量為46.5 g，滿足JIS B0905—1992動平衡等級中G2.5級要求。超高速動平衡測試時間為3 min，測試結(jié)果顯示進(jìn)氣端震動速度有效值與排氣端震動速度有效值分別為0.45 mm/s和0.32 mm/s，滿足用戶提出的震動速度有效值小于1.8 mm/s的要求。

4 應(yīng) 用

采用石墨型真空鑄造得到的ZTC4鈦合金葉片，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、布氏硬度分別達(dá)到915 MPa、840 MPa、7.6%、3 381 MPa，均滿足GB/T 6614—1994標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過五軸數(shù)控機(jī)床加工、表面改性處理后裝配在透平機(jī)轉(zhuǎn)子軸上。再經(jīng)低速動平衡和超高速動平衡測試合格后，裝機(jī)使用。截至到目前已經(jīng)安全使用了2年，沒有發(fā)生腐蝕磨損，也不需要清理塵污，得到了用戶的高度認(rèn)可。

[1] 游濤，吳鵬，姚謙，等.一種鈦合金鏡筒的石墨型離心鑄造工藝[J].鑄造，2012,61(4):434-436.

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[3] 南海，謝成木，魏華勝，等． 大型復(fù)雜薄壁類鈦合金精鑄件的研制[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2001(2)：12-14.

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Development and Application of ZTC4 Titanium Alloy Turbine Rotor Blade

Li Weidong，Ji Dawei，Jia Guocheng，Jia Zhuangfei，Sun Hongzhe，Yang Hongxia，Liu Yinqi

(Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co.,Ltd.，Luoyang 471000,China)

In order to replace the corroded and worn turbine rotor stainless steel blades of the power plant, a kind of ZTC4 titanium alloy blade was developed. Firstly, the technology of 3D scanning reverse engineering was used to survey and map the turbine rotor blades which were damaged, and then the ZTC4 titanium alloy blades were casted by graphite mold vacuum casting. At last, the method of hypersonic flame spraying technology was adopted to spray WC protective layer. Finally, the blades fitting surface was machined, and the blades were assembled and checked. The result shows that the various parameter indexes of the blades all can meet the customer’s requirements and have been used for two years, which were not corroded and also do not need to clean up the dust pollution. The products has been praised by users.

ZTC4 titanium alloy; turbine; reverse engineering; graphite mould casting

2016-05-03

李偉東(1985—)，男，工程師。

TG292

A

1009-9964(2016)06-0040-03