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

沈旭 殷亞軍 李振濤 郭釗 肖艮 周建新/華中科技大學華鑄CAE中心

張曉鐵/北京航空航天大學 趙敬軒/北京科技大學

大尺寸整鑄雙聯(lián)單晶葉片是先進航空發(fā)動機渦輪葉片設計發(fā)展的重要方向，中國航發(fā)商發(fā)在國內開創(chuàng)先河，其高壓渦輪導向葉片采用了整鑄雙聯(lián)單晶葉片的設計方式。由中國航發(fā)航材院牽頭組建的創(chuàng)新團隊打破西方國家對我國單晶葉片的長期技術封鎖與進口限制，成功制備出大尺寸雙聯(lián)單晶葉片。

單晶葉片的應用是先進航空發(fā)動機獲得高渦輪進口溫度和高推重比的關鍵因素。單晶葉片能夠在高溫下保持優(yōu)異的綜合力學性能、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。在國內商用發(fā)動機設計中，中國航發(fā)商發(fā)首次采用了整鑄雙聯(lián)單晶渦輪導向葉片。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，其復雜的形成過程與設備狀態(tài)、葉片結構、合金特性等多因素耦合相關。葉片的尺寸越大、結構越復雜、單晶凝固溫度場控制越困難，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)動機大尺寸雙聯(lián)單晶葉片，其雜晶控制難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：葉片多處存在結構突變，僅葉片緣板展角長為70mm，導致突變處溫度場與枝晶生長熱力學、動力學關系復雜，單晶生長難度很大；葉片整體跨度達270mm，模組高達380mm，尺寸遠大于其他單晶產(chǎn)品，整個凝固過程至少需要120min，期間溫度場的任何一個環(huán)節(jié)控制不當誘發(fā)的雜晶將導致葉片報廢；葉片喉道及緣板尺寸居同類導葉產(chǎn)品前列，葉片的緣板尺寸大，且存在高度的復合彎扭（圓周角達40°），致使葉片在凝固過程中溫度場的分布與控制難度極大，對設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)葉片構成的喉道區(qū)域散熱困難，很難形成單晶生長的有效溫度梯度，且雙聯(lián)復雜的結構使單晶生長界面容易發(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，而國內在大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制造技術的應用和研發(fā)方面基本處于空白狀態(tài)。然而，要實現(xiàn)國產(chǎn)商用發(fā)動機的先進性，達到高能效和高可靠性設計目標，必須在大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制造技術方面有所突破。

面對這樣的機遇與挑戰(zhàn)，創(chuàng)新團隊開展了產(chǎn)學研相結合的系列工作，主要思路是從雜晶形成的基礎理論出發(fā)，通過實際測溫建立單晶葉片凝固抽拉過程數(shù)字化溫度場，結合凝固理論和數(shù)值模擬技術，推導單晶葉片雜晶判據(jù)，并將其應用于大尺寸雙聯(lián)單晶葉片的實際生產(chǎn)中，從而完成工藝條件量化控制與葉片制造工程化。該項成果不僅填補了國內大尺寸雙聯(lián)單晶葉片制造領域的技術空白，按節(jié)點保質保量地完成產(chǎn)品交付，而且所建立的單晶葉片判據(jù)也可對其他單晶葉片的鑄造工藝參數(shù)進行評價與指導，逐步構建起行業(yè)標準，從而推動整個單晶葉片制造業(yè)的發(fā)展。

項目總體思路和方案

本項目通過實際測溫，建立單晶葉片定向凝固數(shù)字化溫度場，并結合雜晶形成的熱力學與動力學特征，實現(xiàn)大尺寸雙聯(lián)單晶葉片工藝技術攻關與產(chǎn)品交付?？傮w方案如圖2所示。

材料凝固數(shù)字化溫度場建立與熱物性參數(shù)反求

通過對實際高溫合金DD6葉片、典型鑄件、模殼和生產(chǎn)設備環(huán)境的特征點進行測溫，獲得準確的高溫合金DD6葉片鑄件生產(chǎn)過程中的溫度曲線，對比華鑄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算，反求出與實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)、結晶器、擋板的基礎熱物性參數(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、設備等各要素的屬性之間的相互作用性及科學邏輯關聯(lián)性，設備狀態(tài)、工藝參數(shù)、葉片模組及材料構成溫度場的分布特征，溫度場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價標準，過冷度時間是將材料凝固過程中熱力學、動力學與溫度場進行結合推導得出的，基于過冷度時間（ΔT/v）進一步推演出材料與雜晶缺陷形成傾向性的數(shù)學判定模型，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)單晶葉片的工程應用

將工程應用中單晶葉片研制過程進行數(shù)字化處理，應用模擬系統(tǒng)智能完成溫度場及材料雜晶缺陷形成過程與結果的綜合輸出，達到驗證與指導單晶葉片工程應用的目的。凝固過程中設備涉及加熱區(qū)、擋板、冷卻區(qū)的材料、尺寸及相對位置關系，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、葉片結構尺寸、角度與分布，這些參數(shù)的調整試驗可通過模擬系統(tǒng)完成驗證，從而實現(xiàn)指導工程應用中的設備研發(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

項目實施情況

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)過程溫度測試是本項目的前提與基礎，其溫度測試的內容如圖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，葉片結構突變最薄處不足1mm。在此過程中，溫度場的變化十分復雜與快速，鑄件結構的復雜性對熱電偶的精確安裝帶來了極大的挑戰(zhàn)。同時，由于定向凝固設備是在真空環(huán)境下以電磁方式加熱，使得在有限的空間內同時完成各個部分的溫度測試變得極為困難。如圖5所示，本項目在高溫、長時及電磁輻射的復雜環(huán)境下進行測溫，通過對熱電偶觸頭至數(shù)據(jù)采集終端的一系列技術優(yōu)化，實現(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 典型平臺試樣與預埋熱電偶的型殼

圖5 復雜環(huán)境下系統(tǒng)測溫方案

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，且材料與設備在真空高溫環(huán)境存在復雜的熱交互作用，直接測量熱交換物性參數(shù)十分困難。同時，準確的熱物性參數(shù)是數(shù)值模擬結果準確的重要保證。根據(jù)系統(tǒng)大量的測溫數(shù)據(jù)，本項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 設備與鑄件輻射強度計算模擬

圖8 雙聯(lián)單晶葉片抽拉過程溫度場模擬

該方法包括：分析選擇準確的溫度曲線，基于單晶葉片鑄造過程特點和溫度曲線特征選擇關鍵物性參數(shù)（材料的熱容、導熱系數(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設計、數(shù)次的模擬仿真、模擬曲線與測溫曲線的綜合誤差分析，得出實際凝固過程中模擬仿真用的等效熱物性參數(shù)。

溫度場與雜晶缺陷的關聯(lián)性研究

為研究雜晶缺陷的形成機制，需要科學的、準確的溫度場數(shù)據(jù)來獲得一般性的定量雜晶形成臨界條件。在本項目中，統(tǒng)籌工程定向凝固過程中的設備、材料及工藝等各個要素，通過試驗測溫數(shù)據(jù)的綜合分析，建立較完整準確的鑄造過程溫度場。根據(jù)典型件試驗測溫結果，繪制了典型鑄件定向凝固過程溫度場分布數(shù)據(jù)，并分析得出工藝條件及鑄件結構在定向凝固過程中的相互關聯(lián)性。

定向凝固全系統(tǒng)仿真模擬

單晶合金定向凝固在設備結構、工藝參數(shù)、模組特征及合金屬性相互作用的條件下進行，實際凝固的邊界條件十分復雜。根據(jù)系統(tǒng)大量的試驗數(shù)據(jù)，構建了設備與鑄件的熱量輻射關系，如圖7所示，對型芯、型殼、合金、模組之間的熱量傳導及界面換熱進行了模擬計算，如圖8所示，并根據(jù)溫度場與雜晶缺陷的判定式仿真模擬單晶及雜晶形成機制，如圖9所示。本項目完成了在復雜邊界條件下進行從宏觀設備到微觀枝晶的全系統(tǒng)仿真模擬。

圖9 雜晶形成機制

大尺寸雙聯(lián)單晶葉片技術攻關與工程化

針對中國航發(fā)商發(fā)采用的獨特的雙聯(lián)設計及高度復合彎扭結構，基于材料熱物性參數(shù)反求結果與溫度場的特征，依據(jù)過冷度時間進行分析與判定，將仿真模擬與工程試驗相結合，實現(xiàn)了對雙聯(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攻關與工程化制造。

結束語

本項目實現(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。項目在科學原理、型號意義及行業(yè)推動方面都取得較大成果。