大尺寸雙聯(lián)單晶葉片雜晶缺陷控制工藝研究

■ 賈玉亮 張劍 楊振宇 鄭帥 陳升平 姜華 郭媛媛 駱宇時(shí)/中國航發(fā)航材院

沈旭 殷亞軍 李振濤 郭釗 肖艮 周建新/華中科技大學(xué)華鑄CAE中心

張曉鐵/北京航空航天大學(xué) 趙敬軒/北京科技大學(xué)

大尺寸整鑄雙聯(lián)單晶葉片是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片設(shè)計(jì)發(fā)展的重要方向，中國航發(fā)商發(fā)在國內(nèi)開創(chuàng)先河，其高壓渦輪導(dǎo)向葉片采用了整鑄雙聯(lián)單晶葉片的設(shè)計(jì)方式。由中國航發(fā)航材院牽頭組建的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)打破西方國家對(duì)我國單晶葉片的長(zhǎng)期技術(shù)封鎖與進(jìn)口限制，成功制備出大尺寸雙聯(lián)單晶葉片。

單晶葉片的應(yīng)用是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)獲得高渦輪進(jìn)口溫度和高推重比的關(guān)鍵因素。單晶葉片能夠在高溫下保持優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、組織穩(wěn)定性和抗氧化腐蝕性能。但是，單晶葉片具有極高的制造難度，只有歐美少數(shù)航空企業(yè)全面掌握其制備技術(shù)。在國內(nèi)商用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，中國航發(fā)商發(fā)首次采用了整鑄雙聯(lián)單晶渦輪導(dǎo)向葉片。與單體葉片再焊接方法相比，雙聯(lián)葉片的可靠性高，其承載能力大幅提升，但也給葉片鑄造帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 大尺寸雙聯(lián)單晶葉片

雜晶是單晶葉片凝固過程控制的主要缺陷之一，其復(fù)雜的形成過程與設(shè)備狀態(tài)、葉片結(jié)構(gòu)、合金特性等多因素耦合相關(guān)。葉片的尺寸越大、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、單晶凝固溫度場(chǎng)控制越困難，越容易形成雜晶，使得大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制備十分困難。圖1為商用發(fā)動(dòng)機(jī)大尺寸雙聯(lián)單晶葉片，其雜晶控制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：葉片多處存在結(jié)構(gòu)突變，僅葉片緣板展角長(zhǎng)為70mm，導(dǎo)致突變處溫度場(chǎng)與枝晶生長(zhǎng)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)關(guān)系復(fù)雜，單晶生長(zhǎng)難度很大；葉片整體跨度達(dá)270mm，模組高達(dá)380mm，尺寸遠(yuǎn)大于其他單晶產(chǎn)品，整個(gè)凝固過程至少需要120min，期間溫度場(chǎng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)控制不當(dāng)誘發(fā)的雜晶將導(dǎo)致葉片報(bào)廢；葉片喉道及緣板尺寸居同類導(dǎo)葉產(chǎn)品前列，葉片的緣板尺寸大，且存在高度的復(fù)合彎扭（圓周角達(dá)40°），致使葉片在凝固過程中溫度場(chǎng)的分布與控制難度極大，對(duì)設(shè)備與工藝的條件要求更加苛刻；雙聯(lián)葉片上下緣板及兩聯(lián)葉片構(gòu)成的喉道區(qū)域散熱困難，很難形成單晶生長(zhǎng)的有效溫度梯度，且雙聯(lián)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使單晶生長(zhǎng)界面容易發(fā)生紊亂而形成雜晶。資料顯示，大尺寸雙聯(lián)單晶導(dǎo)向葉片即使在國外也是屬于研制難度較高、合格率較低的一類單晶制件，而國內(nèi)在大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制造技術(shù)的應(yīng)用和研發(fā)方面基本處于空白狀態(tài)。然而，要實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)商用發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)性，達(dá)到高能效和高可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)，必須在大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制造技術(shù)方面有所突破。

面對(duì)這樣的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開展了產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的系列工作，主要思路是從雜晶形成的基礎(chǔ)理論出發(fā)，通過實(shí)際測(cè)溫建立單晶葉片凝固抽拉過程數(shù)字化溫度場(chǎng)，結(jié)合凝固理論和數(shù)值模擬技術(shù)，推導(dǎo)單晶葉片雜晶判據(jù)，并將其應(yīng)用于大尺寸雙聯(lián)單晶葉片的實(shí)際生產(chǎn)中，從而完成工藝條件量化控制與葉片制造工程化。該項(xiàng)成果不僅填補(bǔ)了國內(nèi)大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制造領(lǐng)域的技術(shù)空白，按節(jié)點(diǎn)保質(zhì)保量地完成產(chǎn)品交付，而且所建立的單晶葉片判據(jù)也可對(duì)其他單晶葉片的鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)與指導(dǎo)，逐步構(gòu)建起行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從而推動(dòng)整個(gè)單晶葉片制造業(yè)的發(fā)展。

項(xiàng)目總體思路和方案

本項(xiàng)目通過實(shí)際測(cè)溫，建立單晶葉片定向凝固數(shù)字化溫度場(chǎng)，并結(jié)合雜晶形成的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)大尺寸雙聯(lián)單晶葉片工藝技術(shù)攻關(guān)與產(chǎn)品交付?？傮w方案如圖2所示。

材料凝固數(shù)字化溫度場(chǎng)建立與熱物性參數(shù)反求

通過對(duì)實(shí)際高溫合金DD6葉片、典型鑄件、模殼和生產(chǎn)設(shè)備環(huán)境的特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，獲得準(zhǔn)確的高溫合金DD6葉片鑄件生產(chǎn)過程中的溫度曲線，對(duì)比華鑄CAE高溫合金DD6鑄造模擬得到的曲線，通過多方案正交模擬計(jì)算，反求出與實(shí)際更為接近的高溫合金熱物性參數(shù)、模殼的熱物性參數(shù)及金屬與模殼之間的換熱系數(shù)，建立起高溫合金DD6鑄件、型芯型殼材料、爐膛壁面、水冷環(huán)、結(jié)晶器、擋板的基礎(chǔ)熱物性參數(shù)庫。

材料凝固特性與雜晶缺陷判定

建立凝固體系中合金、工藝、設(shè)備等各要素的屬性之間的相互作用性及科學(xué)邏輯關(guān)聯(lián)性，設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)、葉片模組及材料構(gòu)成溫度場(chǎng)的分布特征，溫度場(chǎng)的特征與材料凝固特性決定了雜晶缺陷形成傾向性。研究表明，材料的過冷度時(shí)間（t=ΔT/v，ΔT是臨界形核過冷度，v是冷卻速率）是雜晶缺陷形成的重要判定參量與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，過冷度時(shí)間是將材料凝固過程中熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與溫度場(chǎng)進(jìn)行結(jié)合推導(dǎo)得出的，基于過冷度時(shí)間（ΔT/v）進(jìn)一步推演出材料與雜晶缺陷形成傾向性的數(shù)學(xué)判定模型，并將雜晶缺陷判定模型植入數(shù)值模擬系統(tǒng)。

葉片雜晶缺陷模擬及在大尺寸雙聯(lián)單晶葉片的工程應(yīng)用

將工程應(yīng)用中單晶葉片研制過程進(jìn)行數(shù)字化處理，應(yīng)用模擬系統(tǒng)智能完成溫度場(chǎng)及材料雜晶缺陷形成過程與結(jié)果的綜合輸出，達(dá)到驗(yàn)證與指導(dǎo)單晶葉片工程應(yīng)用的目的。凝固過程中設(shè)備涉及加熱區(qū)、擋板、冷卻區(qū)的材料、尺寸及相對(duì)位置關(guān)系，工藝涉及溫度控制、抽拉速率及水流量控制，葉片模組涉及合金、葉片結(jié)構(gòu)尺寸、角度與分布，這些參數(shù)的調(diào)整試驗(yàn)可通過模擬系統(tǒng)完成驗(yàn)證，從而實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)工程應(yīng)用中的設(shè)備研發(fā)與葉片生產(chǎn)。

圖2 大尺寸雙聯(lián)單晶葉片雜晶缺陷研究總體方案

項(xiàng)目實(shí)施情況

單晶葉片生產(chǎn)過程溫度數(shù)據(jù)的在線高精度高速度采集

完成單晶葉片生產(chǎn)過程溫度測(cè)試是本項(xiàng)目的前提與基礎(chǔ)，其溫度測(cè)試的內(nèi)容如圖3和圖4所示。然而，單晶葉片的定向凝固是在1500℃以上的溫度進(jìn)行2h左右加熱和降溫的熱循環(huán)，凝固區(qū)間的溫度梯度為20～60℃/cm，葉片結(jié)構(gòu)突變最薄處不足1mm。在此過程中，溫度場(chǎng)的變化十分復(fù)雜與快速，鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對(duì)熱電偶的精確安裝帶來了極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，由于定向凝固設(shè)備是在真空環(huán)境下以電磁方式加熱，使得在有限的空間內(nèi)同時(shí)完成各個(gè)部分的溫度測(cè)試變得極為困難。如圖5所示，本項(xiàng)目在高溫、長(zhǎng)時(shí)及電磁輻射的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行測(cè)溫，通過對(duì)熱電偶觸頭至數(shù)據(jù)采集終端的一系列技術(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了單晶葉片定向凝固過程溫度數(shù)據(jù)的在線高精度高速度采集。

圖3 單晶葉片生產(chǎn)過程溫度數(shù)據(jù)采集

圖4 典型平臺(tái)試樣與預(yù)埋熱電偶的型殼

圖5 復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)測(cè)溫方案

圖6 參數(shù)反求過程

單晶葉片生產(chǎn)過程系列材料熱物性參數(shù)反求

單晶葉片生產(chǎn)過程涉及鑄造用多種特有的鑄造原輔材料，且材料與設(shè)備在真空高溫環(huán)境存在復(fù)雜的熱交互作用，直接測(cè)量熱交換物性參數(shù)十分困難。同時(shí)，準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)是數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確的重要保證。根據(jù)系統(tǒng)大量的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，本項(xiàng)目提出了一種單晶葉片生產(chǎn)過程系列材料熱物性參數(shù)反求方法，如圖6所示。

圖7 設(shè)備與鑄件輻射強(qiáng)度計(jì)算模擬

圖8 雙聯(lián)單晶葉片抽拉過程溫度場(chǎng)模擬

該方法包括：分析選擇準(zhǔn)確的溫度曲線，基于單晶葉片鑄造過程特點(diǎn)和溫度曲線特征選擇關(guān)鍵物性參數(shù)（材料的熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等；合金的液相線溫度、固相線溫度、潛熱等；各種材料間的界面換熱系數(shù)）；通過物性參數(shù)模擬方案的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)次的模擬仿真、模擬曲線與測(cè)溫曲線的綜合誤差分析，得出實(shí)際凝固過程中模擬仿真用的等效熱物性參數(shù)。

溫度場(chǎng)與雜晶缺陷的關(guān)聯(lián)性研究

為研究雜晶缺陷的形成機(jī)制，需要科學(xué)的、準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)來獲得一般性的定量雜晶形成臨界條件。在本項(xiàng)目中，統(tǒng)籌工程定向凝固過程中的設(shè)備、材料及工藝等各個(gè)要素，通過試驗(yàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的綜合分析，建立較完整準(zhǔn)確的鑄造過程溫度場(chǎng)。根據(jù)典型件試驗(yàn)測(cè)溫結(jié)果，繪制了典型鑄件定向凝固過程溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，并分析得出工藝條件及鑄件結(jié)構(gòu)在定向凝固過程中的相互關(guān)聯(lián)性。

定向凝固全系統(tǒng)仿真模擬

單晶合金定向凝固在設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、模組特征及合金屬性相互作用的條件下進(jìn)行，實(shí)際凝固的邊界條件十分復(fù)雜。根據(jù)系統(tǒng)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了設(shè)備與鑄件的熱量輻射關(guān)系，如圖7所示，對(duì)型芯、型殼、合金、模組之間的熱量傳導(dǎo)及界面換熱進(jìn)行了模擬計(jì)算，如圖8所示，并根據(jù)溫度場(chǎng)與雜晶缺陷的判定式仿真模擬單晶及雜晶形成機(jī)制，如圖9所示。本項(xiàng)目完成了在復(fù)雜邊界條件下進(jìn)行從宏觀設(shè)備到微觀枝晶的全系統(tǒng)仿真模擬。

圖9 雜晶形成機(jī)制

大尺寸雙聯(lián)單晶葉片技術(shù)攻關(guān)與工程化

針對(duì)中國航發(fā)商發(fā)采用的獨(dú)特的雙聯(lián)設(shè)計(jì)及高度復(fù)合彎扭結(jié)構(gòu)，基于材料熱物性參數(shù)反求結(jié)果與溫度場(chǎng)的特征，依據(jù)過冷度時(shí)間進(jìn)行分析與判定，將仿真模擬與工程試驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙聯(lián)單晶葉片的工藝優(yōu)化，經(jīng)過多輪循環(huán)工藝方案排除與優(yōu)化，每一輪優(yōu)化試驗(yàn)需要制粉、壓芯、燒芯、壓蠟、修模、組模、涂料、制殼、焙燒、熔煉、熱處理及后工序等上百道工序，最終完成了大尺寸雙聯(lián)單晶葉片晶體缺陷控制技術(shù)攻關(guān)與工程化制造。

結(jié)束語

本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了大尺寸雙聯(lián)單晶葉片雜晶缺陷的量化表征與穩(wěn)定控制，首次完成了大尺寸雙聯(lián)單晶葉片的制造。項(xiàng)目在科學(xué)原理、型號(hào)意義及行業(yè)推動(dòng)方面都取得較大成果。