涡轮叶片精密铸造技术：从单晶枝晶细化到晶体缺陷控制

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涡轮叶片精密铸造技术：从单晶枝晶细化到晶体缺陷控制

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http://wedgehk.com.cn/technology-detail/id-3.html

涡轮叶片是航空发动机的核心部件，其制造工艺直接关系到发动机的性能和可靠性。本文将介绍涡轮叶片精密铸造技术的最新进展，包括单晶枝晶组织细化技术、单晶导叶制备及多联整铸技术、单晶叶片晶体取向控制技术以及单晶铸件晶体缺陷控制技术。

单晶枝晶组织细化技术

一次枝晶间距λ是单晶组织最重要的特征尺度，是铸件质量检验的重要指标之一。λ值越小，枝晶组织越细密，铸件的机械性能就越好。目前国内外普遍使用HRS工艺生产高温合金单晶铸件，由于温度梯度G较低，导致枝晶组织过于粗大，λ值偏高。为此人们多年来⼀直在开发液态金属或气体冷却方式，但由于效果不理想和工艺复杂，难以进行工业化应用。因此急需开辟新途径，从而能够有效细化单晶铸件枝晶组织。

新型枝晶细化技术

常规技术	随型技术（细晶技术）
在保持辐射换热的条件下，通过改进冷热区之间的隔热，使得温度梯度G成倍提高，显著减小了枝晶间距λ；新技术具有成本低，效果显著的优势，目前已大量应用于单晶叶片生产中（细晶技术）。
在应用细晶技术的基础上，正在继续开发一种超细晶新技术，通过大幅提高模壳全表面的换热效率，来进⼀步提高温度梯度G和减小枝晶间距λ，已取得明显效果。

单晶导叶制备及多联整铸技术

现有工艺的缺陷

相比狭长的动叶片，导向叶片由于结构宽大而难以制成单晶铸件。因为导叶不论采用直排还是横排组树方式，单晶生长都很难从细小的选晶器扩展到宽大的缘板，因此极易产生杂晶缺陷。

对于双联和多联导向叶片，缘板面积成倍增加，更难制成单晶。通常采用单片铸造后再将其焊接连接的工艺路线。不但工艺复杂，更由于经常发生焊缝漏气问题而造成报废，成为航空发动机制造中的卡脖子问题。

新型导叶制备工艺

通过叶片倾斜组模，可实现选晶器向缘板的渐进式过渡，实现了叶身与缘板斜上方向上的顺序凝固，有效的避免了杂晶缺陷的产生，并显著降低了铸件上表面的疏松缺陷。

采用多联导叶倾斜组模和整体铸造方式，实现了多联导向叶片的无焊接整体铸造，不但大大减少了制造工序和成本，而且显著提高了叶片质量，保证了多联叶片结构的完整性和组织取向的⼀致性。

单晶叶片晶体取向全方位控制技术

制备单晶叶片铸件可以采用选晶技术或籽晶技术。选晶技术比较简单，而采用籽晶技术可以控制铸件的一次和二次晶向，但会发生籽晶未熔或全熔，以及披缝、杂晶、氧化膜等问题，致使引晶成功率不高。本团队通过系统改进，严格控制籽晶的加热条件和回熔过程，基本消除各种缺陷，将籽晶技术成功运用于各种类型的单晶叶片，特别是导向叶片的精密铸造中。

单晶导叶的制备与晶向控制

采取倾斜组模+籽晶法可有效避免杂晶和疏松缺陷，同时精确控制一次和二次晶体取向，达到性能最优化。

对某型双联导叶8组铸件进行了检查，⼀次晶向偏差β最大值为9.8°，二次晶向偏差ɑ最大值为6.6°，优于β＜15°和α＜15°的技术标准。

某型单晶双联导叶的晶向控制

实测晶向偏离角（°）
经过系统改进，采用籽晶法制备单晶叶片可以达到95%以上的成功率。不论动叶还是导叶，一次和二次晶向偏差都能控制在10°以内, 已经在单晶叶片生产中得到广泛应用。

单晶铸件晶体缺陷全面控制技术

高温合金单晶铸件晶体缺陷分类

单晶铸件中的晶体缺陷可分为以下5种，包括铸造过程中产生的缺陷（杂晶，雀斑，条纹晶和小角度晶界）和热处理后的缺陷（再结晶），各种缺陷均引入了大角度或小角度晶界，破坏了单晶的完整性，危害材料性能。

杂晶	雀斑	条纹晶	再结晶	小角度晶界
铸件表面	铸件表面	铸件表面	铸件表面	铸件表面
横截面	横截面	横截面	横截面	横截面

单晶铸件铸造缺陷产生机理及防止措施

缺陷	种类	特征	出现位置	起源
杂晶	立体缺陷三维块状	轮廓扩大处(缘板/叶冠)	液相区	发生原因：熔体过冷超过临界值而引起新晶粒形核长大。影响因素：合金过冷度、铸件形状突变、凝固界面形状。预防措施：加引晶条，降低速度，减小过冷。
雀斑	表面缺陷一维链状	阴影侧/棱⻆处/轮廓收缩处	糊状区	发生原因：元素偏析引起密度反转及液体对流，冲断枝晶。影响因素：合金成分、糊状区宽度、铸件棱角及收扩效应。预防措施：提高温度梯度，增加凝固速度，加补贴。
条纹晶	表面缺陷一维条状	粘连处/夹杂处	糊状区	发生原因：凝固过程中枝晶收缩受阻，表面枝晶撕裂。影响因素：合金纯净度、型壳内壁状态、外来及内生夹杂。预防措施：净化合金料，清洗模壳，减少夹杂。
再结晶	立体缺陷三维块状	轮廓变化处	固相区	发生原因：铸件收缩受阻，形成残余应力，热处理时出现。影响因素：合金强度、铸件形状、型壳强度、凝固条件。预防措施：增加模壳退让性，铸件圆滑过渡，加强筋。
小角度晶界	二维缺陷表面/内部	超长尺寸处轮廓变化处分支汇合处	糊状区	发生原因：枝晶生长过程中因变形发生偏离，或分⽀汇合。影响因素：合金强度、糊状区宽度、铸件形状、凝固条件。预防措施：减少形状和速度突变，保持晶体稳定生长。