李紅

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

目前機械制造領(lǐng)域毛坯生產(chǎn)企業(yè)面臨的最急迫的任務(wù)之一，是開發(fā)一些能降低昂貴強熱合金鑄造毛坯金屬消耗量的經(jīng)濟工藝。燃氣輪機葉片的高效定向凝固法，所在凝固區(qū)鑄件熱量不斷地傳給爐的表面，導(dǎo)致凝固前沿區(qū)正溫度梯度，從而創(chuàng)造了定向凝固條件。

控制澆鑄過程的關(guān)鍵在于保持鑄件上部液態(tài)合金恒溫。根據(jù)此參數(shù)值可能有三種狀態(tài)：熔化狀態(tài)，凝固狀態(tài)，凝固速度與熔化速度相等的動態(tài)平衡狀態(tài)（零速度）。鑄造過程中的電參數(shù)是施加于鑄件的電流密度和電壓。當(dāng)固態(tài)層增大時整個鑄件的電阻減小，結(jié)果是電流密度增大，這時如對過程不予控制，則可能導(dǎo)致鑄件上部液態(tài)合金溫度升高，也就是說凝固中斷。這種溫度升高的可能性可以通過降低電壓予以消除，使電液密度保持恒定（在加熱爐內(nèi)表面溫度不變時）；或者在鑄件上電壓恒定時通過降低加熱爐溫度來消除。在第二種方法中，當(dāng)固態(tài)層增大時電流密度增大，但是液態(tài)合金溫度的升高被加熱爐溫度的降低所抵消。

電流作用下鑄件定向凝固新方法的優(yōu)點在于：能保證砂型和鑄件在澆鑄過程中不全在加熱區(qū)外脹，無需石墨加熱設(shè)備，工藝周期短，這一點在真空鑄造時因尺寸受限尤為重要。

2 定向凝固工藝方案

為了實現(xiàn)這種方法在生產(chǎn)中考慮了過程的工藝參數(shù)，其中最重要的是：電流強度，加熱爐溫度和凝固時間。這些參數(shù)能確保在難以補縮區(qū)大程度的合金過濾和較小程度的雙相區(qū)。在澆鑄燃氣輪機中由合金制造第四級合金時，通過利用鑄件直接電加熱組件的澆鑄過程自動化模擬系統(tǒng)考慮了過程參數(shù)。

由于合金的電阻系數(shù)與溫度有關(guān)，在從砂型表面向加熱爐進行外部散熱的情況下鑄造的凝固前沿開始定向位移。這一點已由反映鑄件垂直方向9個測點溫度與時間關(guān)系的溫度曲線的分析予以證實。所有這些曲線都依次與合金的液相線和固液相線的等溫線相交。正如過程模擬所表明的那樣，鑄件在凝固區(qū)的等溫線趨于保持與鑄件表面的正交性，即使在這些表面有大量散熱情況下也是如此，其原因是由于在凝固區(qū)電勢躍值與附加放熱的相互影響而產(chǎn)生的自動保持過程的延續(xù)。

在鑄件每一點依靠電流的放熱現(xiàn)象取決于該點的電勢梯度，每一時刻的電勢場分布又取決于鑄件的幾何形狀和其中的溫度分布，并要考慮外部電勢的引入點和電勢值。因此，為了考慮電流的影響，必須確定鑄件中的電勢分布并考慮溫度場。

目前人們已用數(shù)值法來求解橢圓微分方程。當(dāng)存在復(fù)雜的幾何形狀和非正交（任意方向）邊界時求解這種方程的最好方法是有限元法?？紤]到鑄件凝固問題也可以用有限元法求解，故在總體求解熱問題（求解不穩(wěn)定傳熱率方程）的算法中可以引入電勢分布情況的計算，并考慮由電流附加的散熱現(xiàn)象，這樣就可以同時求解熱問題和電問題，并考慮其相互影響。

這種方法已應(yīng)用于計算機模擬系統(tǒng)的新模塊，其中供給鑄件邊界表面的外部電勢通過各種方法給定：時間與電流的關(guān)系函數(shù)，已考慮供電導(dǎo)線電阻時的電壓與時間的關(guān)系函數(shù)，以及沿鑄件和砂型之間上述邊界的電流或電壓與邊界傳熱率（邊界熱流量）的關(guān)系函數(shù)。通過最后一種方法可以得出結(jié)論，即這種改變電壓的方式或許可以保證定向凝固所需的條件。

為了利用無支撐填料的薄殼剛玉砂型澆法生產(chǎn)燃氣輪機的大型葉片，設(shè)計制造了一套可以實現(xiàn)這種葉片定向凝固的裝置。新的工序過程能確保通過在金屬結(jié)晶過程中創(chuàng)造熱條件，并施加電力的作用獲得密實金屬組織。借此能夠細化鑄件的樹枝狀結(jié)晶組織，從而對合金的塑性、瞬時性能和持久高溫強度產(chǎn)生良好的作用。

此外，還對燃氣輪機的第三級透平葉片在900℃下進行了疲勞試驗。該葉片用100%返回合金鑄造，在以固有振頻178～190Hz 進行疲勞試驗時先后承受了最大應(yīng)力分別為140、160、180MPa 時的載荷，每次承載2000 萬個循環(huán)，最后在220MPa 應(yīng)力下經(jīng)過1470 萬個循環(huán)斷裂。也就是說在140～220MPa 應(yīng)力下累計承載了7470 萬個循環(huán)。

在生產(chǎn)燃氣輪機第四級透平葉片時的兩個葉片重量應(yīng)為10kg，而澆口系統(tǒng)重量為6kg。在采用傳統(tǒng)的澆鑄法時兩個葉片只能采用100%全新合金，而其冒口重量≥30kg?？紤]到當(dāng)全新合金返回冶煉廠重熔時其價格要降低70%，故用直接電加熱進行定向凝固工藝是一個節(jié)省資源的工藝。

3 結(jié)論

根據(jù)所進行的試驗結(jié)果，以及強熱合金耗量小的特點可以得出下列結(jié)論：在電流作用下大型葉片的定向凝固工藝具有令人滿意的技術(shù)經(jīng)濟指數(shù)，能確保生產(chǎn)大尺寸加強型薄壁的散熱風(fēng)門鑄件以及≥110MW 動力燃氣輪機葉片時的高利潤。