重型燃機(jī)渦輪空心葉片定向凝固數(shù)值模擬

張瓊元，劉艷領(lǐng)，楊功顯，鞏秀芳

（東方汽輪機(jī)有限公司長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)，618000）

重型燃機(jī)渦輪空心葉片定向凝固數(shù)值模擬

張瓊元，劉艷領(lǐng)，楊功顯，鞏秀芳

（東方汽輪機(jī)有限公司長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng)，618000）

文章采用鑄造模擬軟件Procast，模擬了重型燃機(jī)渦輪空心葉片的定向凝固過(guò)程，研究了不同的抽拉速度對(duì)凝固時(shí)固液界面形態(tài)及鑄件微觀組織的影響，得到了較優(yōu)抽拉速度。模擬結(jié)果表明，隨著抽拉速度減小，固液界面趨于水平，定向柱晶分布均勻，取向良好。對(duì)模擬得到的較優(yōu)抽拉速度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，制備了具有較為理想的晶粒組織的實(shí)物葉片。

空心葉片，定向凝固，數(shù)值模擬，固液界面

0 引言

重型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的熱效率已經(jīng)達(dá)到了60%，在復(fù)雜能源系統(tǒng)中占有重要的地位。隨著重燃技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)獬鯗睾驼麢C(jī)功率都有了顯著的提高，這對(duì)熱端材料和冷卻技術(shù)提出了嚴(yán)格的要求。重型燃機(jī)中的熱端部件是工作環(huán)境最?lèi)毫?、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的零件之一，為了提高熱端部件的高溫機(jī)械性能和使用壽命，一方面在等軸晶的基礎(chǔ)上發(fā)展了定向結(jié)晶和單晶技術(shù)，另一方面采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)，例如使用熱障涂層、氣膜冷卻等技術(shù)，提高材料的耐高溫能力。

我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年重型燃機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研究，已經(jīng)掌握了大部分部件的制造能力，但是重型燃機(jī)的熱端部件核心技術(shù)仍掌握在國(guó)外少數(shù)幾個(gè)公司手中，尤其是渦輪空心葉片的定向凝固技術(shù)和單晶技術(shù)，仍需要我們進(jìn)一步自主研發(fā)。定向凝固技術(shù)是一種先進(jìn)的鑄造成形方法，在液態(tài)金屬冷卻、凝固的過(guò)程中，采用一定的方法，在已凝固金屬和熔融金屬之間建立一溫度梯度，使得熱量沿著固定的方向傳遞，而晶粒沿著相反的方向生長(zhǎng)為柱狀晶。采用定向凝固技術(shù)，可以得到定向結(jié)晶組織，甚至是單晶，能夠大大提高葉片的高溫強(qiáng)度、蠕變性能和持久性能等[1-2]。

獲得良好定向結(jié)晶組織的關(guān)鍵是對(duì)溫度梯度和抽拉速度的控制[3-4]。凝固過(guò)程中，溫度梯度越高，抽拉速度越慢，則定向柱狀晶〈001〉晶向與葉片主應(yīng)力軸的夾角越小，雜晶、偏晶、斷晶等缺陷出現(xiàn)的概率越小。在定向凝固爐一定的情況下，可以通過(guò)控制擋板形狀、提高液態(tài)金屬溫度等措施來(lái)提高溫度梯度。另一方面，抽拉速度太慢，會(huì)造成凝固時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，同時(shí)模殼、陶芯在液態(tài)金屬中浸泡的時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致模殼、陶芯出現(xiàn)裂紋，因此抽拉速度不宜過(guò)慢。

精密鑄造過(guò)程復(fù)雜，影響因素多，尤其是定向凝固過(guò)程，容易出現(xiàn)各種缺陷[5-6]。為了研究重型燃機(jī)渦輪空心葉片定向凝固工藝，本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，以減少試驗(yàn)次數(shù)、加快研發(fā)進(jìn)度、降低試驗(yàn)成本。通過(guò)鑄造模擬軟件Procast[7]，觀察凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)和固液界面前沿的變化，研究不同的抽拉速度對(duì)定向柱晶生長(zhǎng)的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，以獲得最優(yōu)抽拉速度。

1 模擬方法

試驗(yàn)中采用快速凝固法（HRS-high rate solidification）制備渦輪空心定向葉片。由于HRS定向凝固過(guò)程較為復(fù)雜，為了便于進(jìn)行數(shù)值模擬，本文對(duì)整個(gè)凝固過(guò)程進(jìn)行了一定程度的抽象和簡(jiǎn)化，其凝固系統(tǒng)示意圖如圖1所示。定向凝固爐主要由加熱室、鑄型室、真空系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。當(dāng)合金液澆注進(jìn)入模殼后，靜止5 min左右，然后通過(guò)升降系統(tǒng)以一定的速度向下抽拉，以形成定向溫度梯度。抽拉過(guò)程中熱量傳遞有兩種方式:一是向下通過(guò)已凝固合金、水冷銅盤(pán)的熱傳導(dǎo)，另一種是模殼與鑄型室之間的熱輻射。通過(guò)對(duì)抽拉速度和澆注溫度等工藝參數(shù)的控制，獲得穩(wěn)定的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)葉片晶粒的定向生長(zhǎng)。

圖1 定向凝固系統(tǒng)示意圖

在數(shù)值模擬時(shí)，要先對(duì)三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸越小，模擬的精度越高，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，而且對(duì)計(jì)算用服務(wù)器的配置要求較高。一般而言，為了獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，需要保證在模擬件最小尺寸方向上至少有三層網(wǎng)格。由于重型燃機(jī)空心葉片尺寸較大，長(zhǎng)度約為350 mm，如果網(wǎng)格尺寸選擇過(guò)小，會(huì)使得網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到千萬(wàn)級(jí)，大大降低計(jì)算效率。在實(shí)際模擬中，采用了非均勻網(wǎng)格劃分的方法，對(duì)葉片不同的部位選擇不同的網(wǎng)格尺寸，如在出汽邊的網(wǎng)格尺寸0.5 mm，葉根網(wǎng)格尺寸為3 mm，澆冒口網(wǎng)格尺寸為5 mm，這樣既保證了模擬結(jié)果的可靠性，又可以適當(dāng)?shù)販p少計(jì)算時(shí)間，最后網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)170萬(wàn)。

在設(shè)置Materials、Interfaces和Boundary Conditions時(shí)，相關(guān)的參數(shù)或通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到，或查找相關(guān)手冊(cè)獲得。根據(jù)合金的液相線溫度，澆注溫度及模殼溫度均設(shè)置為1 500℃。模擬計(jì)算時(shí)，模殼固定不動(dòng)，通過(guò)設(shè)置Enclosure向上移動(dòng)的速度，研究不同的抽拉速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響。在溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)束之后，再通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)模型（CA）-有限元（FE）耦合模塊CAFE，計(jì)算其微觀組織，觀察晶粒的生長(zhǎng)情況。

2 模擬結(jié)果

由于動(dòng)葉片葉根粗大，凝固時(shí)需要釋放的潛熱較多，冷卻速度較慢，為了保證定向凝固時(shí)葉根部位固液界面前沿的水平，且具有一定的溫度梯度，需要降低該部位的抽拉速度。而動(dòng)葉片葉身壁厚尺寸較小，散熱較快，可以適當(dāng)?shù)靥岣咂涑槔俣?。為了獲得不同部位的最優(yōu)抽拉速度，模擬工作分為兩步:第一步，研究勻速抽拉下的凝固過(guò)程，抽拉速度分別是2 mm/min、4 mm/ min、6 mm/min、8 mm/min；第二步，根據(jù)第一步的模擬結(jié)果，研究變速抽拉下的凝固過(guò)程。

2.1 固液前沿變化

2.1.1 勻速抽拉

不同抽拉速度下，固液界面形態(tài)隨凝固率的變化如圖2所示?？梢钥吹?，在葉身下半段，由于距離水冷銅盤(pán)較近，自上而下的熱傳導(dǎo)是主要的傳熱方式，在不同的抽拉速度下固液界面均可較好地保持水平。隨著模殼繼續(xù)向下抽拉，熔融合金液逐漸遠(yuǎn)離水冷銅盤(pán)，模殼向四周輻射散熱的影響開(kāi)始凸顯，固液界面不再保持水平，而且抽拉速度越大，固液界面下凹的弧度越大，這樣就會(huì)導(dǎo)致葉片鑄件兩側(cè)的晶向偏離〈001〉方向，出現(xiàn)偏晶，偏晶繼續(xù)長(zhǎng)大，可能會(huì)阻斷中間的晶粒生長(zhǎng)，出現(xiàn)斷晶。當(dāng)固液界面推進(jìn)至葉根厚大部位時(shí)，模殼輻射散熱的影響變得更加顯著，尤其是在較大的抽拉速度下，如圖2（c）和（d），固液界面下凹比較嚴(yán)重。

對(duì)比圖2（a）～（d）可以看到，在相同的凝固率時(shí)，抽拉速度越小，固液界面越趨于水平。但是抽拉速度的降低會(huì)造成抽拉時(shí)間增加，尤其是對(duì)于大尺寸重型燃機(jī)定向空心葉片，模殼和陶瓷型芯在高溫合金液中浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，越增加了合金液被模殼和型芯污染的概率，以及模殼和型芯出現(xiàn)裂紋的可能，因此抽拉速度不宜過(guò)低。

圖2 不同的勻速抽拉速度下固液界面的變化

2.1.2 變速抽拉

針對(duì)葉片復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用變速抽拉的方法。葉身部位距離水冷銅盤(pán)較近，其抽拉速度可以適當(dāng)加快。葉根遠(yuǎn)離水冷銅盤(pán)，且比較厚大，凝固時(shí)釋放大量的潛熱，該部位通過(guò)模殼的熱輻射對(duì)溫度梯度的影響比較大，其抽拉速度應(yīng)有所降低。澆冒口和葉根處陶芯工藝筋由于要切除，其抽拉速度可以設(shè)為最大值。從圖2中可以看到，葉身部位的較優(yōu)抽拉速度為6～8 mm/min；對(duì)于葉身與葉根的轉(zhuǎn)角R附近以及葉根部位，其較優(yōu)抽拉速度為2～4 mm/min。

變速抽拉時(shí)固液界面形態(tài)的變化如圖3所示，其葉身部位的抽拉速度為7 mm/min，葉根部位的抽拉速度為4 mm/min，澆冒口部位的抽拉速度為20 mm/min，葉片總體抽拉速度為7-4-20 mm/min?？梢钥吹?，在葉身和葉根處，固液界面都較為水平，只有在葉身與葉根的轉(zhuǎn)角R附近以及葉根工藝筋處，固液界面呈現(xiàn)一定的彎曲。與勻速抽拉相比，變速抽拉一方面可以使得在凝固過(guò)程中固液界面能夠保持較好的水平，定向柱晶生長(zhǎng)良好；另一方面也可以減少抽拉時(shí)間，當(dāng)抽拉速度為4 mm/min時(shí)，需要抽拉時(shí)間約為117 min，而速度為7-4-20 mm/min時(shí)，所需時(shí)間僅為70 min左右，減少了約40.2%。

圖3 變速抽拉時(shí)固液界面的變化（7-4-20 mm/min）

2.2 微觀組織計(jì)算

模擬計(jì)算了抽拉速度分別是4 mm/min和7-4-20 mm/min時(shí)，葉片不同橫截面的微觀組織，如圖4所示。圖中不同的顏色表示不同的枝晶，其中圖4（a）和4（c）是葉身中部橫截面的微觀組織，圖4（b）和4（d）是葉根橫截面的微觀組織。

圖4 不同抽拉速度下橫截面的微觀組織

對(duì)比圖4（a）和4（c），可以看到葉身抽拉速度不同時(shí)，定向柱晶的數(shù)量和晶粒尺寸相差不大，與對(duì)圖2凝固時(shí)固液界面變化的分析一致，即由于葉身靠近水冷銅盤(pán)，自上而下的熱傳導(dǎo)很快，在抽拉速度差別不大的情況下，對(duì)溫度梯度影響較小。

從圖4（b）和4（d）看出，由于從葉身到葉根部位截面發(fā)生突變，葉根截面周?chē)辖鹨合饶?，定向晶向?nèi)部逐漸生長(zhǎng)，擠壓內(nèi)部晶粒，使得周?chē)Я４执?，?nèi)部晶粒細(xì)小。與抽速為4 mm/min相比，抽速為7-4-20 mm/min時(shí)截面中間晶粒和外部晶粒的尺寸相差較大，這主要是由于葉身部位抽拉速度較快，盡管在葉根部位抽拉速度降低，但仍然會(huì)對(duì)葉根的散熱造成一定的影響。為了減少對(duì)葉根散熱的影響，可以適當(dāng)提前降低抽拉速度，使得散熱更加充分。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)模擬的結(jié)果，試驗(yàn)所采用的抽拉速度為8-4-20 mm/min，將葉身部位的抽拉速度由模擬時(shí)的7 mm/min提高至8 mm/min，以進(jìn)一步減少抽拉時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)，在葉根部位降至擋板處之前，將抽拉速度由8 mm/min減少為4 mm/min，以減少葉身抽拉速度較快對(duì)葉根部位散熱的不利影響。葉片表面低倍組織如圖5所示。

圖5 葉片鑄件表面低倍組織

從圖5可以看到，葉片柱晶分布均勻，晶粒取向良好。在葉身下部，由于距離水冷銅盤(pán)近、散熱快，導(dǎo)致定向柱晶較細(xì)、較雜，隨著晶粒的生長(zhǎng)，部分晶粒被擠壓，出現(xiàn)斷晶。研究表明，通過(guò)增加啟晶器的高度，可以有效地減少葉身下部的細(xì)小雜晶。由于在葉根部位的抽拉速度降低為4 mm/min，可以看到當(dāng)柱晶由葉身過(guò)渡到葉根時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的斷晶、斜晶等缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明在通過(guò)數(shù)值模擬得到的最優(yōu)抽拉速度下，可以得到較為良好的定向柱晶組織。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬，分析了在不同的抽拉速度下渦輪空心葉片定向凝固過(guò)程中固液界面形態(tài)的演變過(guò)程，預(yù)測(cè)了其柱晶組織，對(duì)比、優(yōu)化得到了較優(yōu)的抽拉速度。

（2）由于葉片變截面的幾何特征，與勻速抽拉相比，在變速抽拉下，既可以使得固液界面前沿較好地保持水平，獲得良好的定向組織，也可以減少抽拉時(shí)間，提高澆注效率，同時(shí)減少了陶瓷型芯、模殼在合金液中的浸泡時(shí)間，降低了陶瓷型芯、模殼斷裂或出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，減少了合金液的污染。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，采用模擬得到的較優(yōu)抽拉速度，葉片定向柱晶分布均勻，晶粒取向良好。

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Numerical Simulation of Directional Solidification of Heavy-duty Gas Turbine Hollow Blade

Zhang Qiongyuan，Liu Yanling，Yang Gongxian，Gong Xiufang

（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000)

The directional solidification process of hollow blade used in heavy-duty gas turbine has been simulated by Procast software.The effects of different drawing speed on the solid-liquid interface morphology and the microstructure of casting are studied. The simulation results indicate that as the drawing speed decreases,the solid-liquid interface tends to level and the distribution of column crystal with good orientation is uniform.The optimized drawing speed obtained from the simulations is tested and the blade casting with relatively perfect microstructure is prepared.

hollow blade,directional solidification,simulation,solid-liquid interface

TG249

A

1674-9987（2017）02-0042-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.010

張瓊元（1987－），男，碩士，工程師，畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事重型燃機(jī)葉片研發(fā)工作。