某航改燃氣輪機發(fā)動機機匣工藝設計及優(yōu)化

某航改燃氣輪機發(fā)動機機匣工藝設計及優(yōu)化

發(fā)動機是油耗的主要因素之一。發(fā)動機是發(fā)動機的重要部件之一。結構復雜，零件設計和制造難度大。確保發(fā)動機內(nèi)部的質(zhì)量和尺寸的正確一致性對發(fā)動機的效率具有重要意義。某航改燃氣輪機的發(fā)動機機匣,采用高強度低合金鋼材料,單件重7000kg,技術及質(zhì)量要求較高:100%射線檢測、全域超聲檢測、內(nèi)外表面磁粉檢測,加之該機匣結構復雜、尺寸精度(輪廓度)要求高,為制造該機匣提出了極大的挑戰(zhàn)。1施工方案1.1冒口補縮和補縮該機匣由于其內(nèi)環(huán)和外環(huán)的結構特征,在分型、澆注方案選擇上,圖1方案外環(huán)得到了很好的補縮,但內(nèi)環(huán)上產(chǎn)生了兩個孤立的熱節(jié),通過內(nèi)環(huán)的6根筋將之引導至上端的熱節(jié),再通過設置補貼將熱節(jié)引導至中分面后用冒口補縮。方案中補貼雖需要后期氣割的方式去除,這對于狹小的內(nèi)環(huán)腔室來說,增加了后期鑄件的清整難度,但是保證致密度、確保鑄件質(zhì)量顯然更加重要。1.2砂芯方案設計合理的砂芯方案既能保證產(chǎn)品形狀準確、尺寸精度高,也可以降低制造成本及操作難度。本機匣確定如圖2中的砂芯方案,其中1#芯設計為整體的方式來形成內(nèi)腔的結構,2#芯也采用整體的方式,但是組裝的過程中,由于機匣存在局部特征較薄,導致2#芯在下芯時與1#砂芯間隙較小,增加了下芯難度,這是本機匣下芯方案的難點之一。對于內(nèi)外環(huán)之間的6根筋,通過采用3#蓋板砂芯的方式來形成筋的特征。1.3延長方案確定了鑄件的澆注位置后,分型面及冒口的位置也基本確定,外環(huán)通過M1.4保證鑄件的充入型腔本機匣預計澆注重量將達到15t,采用開放式的底返澆注系統(tǒng),內(nèi)澆口分散分布,能夠保證金屬液平穩(wěn)、均勻的充入型腔,并在規(guī)定的時間內(nèi)充滿,得到形狀完整的鑄件。結合車間實際,確定采用22t包,熔煉鋼液16t,根據(jù)澆包尺寸及鋼液在包內(nèi)時的液壓力,確定選取了直徑為80cm的水口單眼澆注,澆注時間通過鋼液上升速度計算法:t=G1.5優(yōu)化制造方案本機匣的工藝設計采用了MAGMA進行模擬及優(yōu)化,對設計工藝中的補縮方案、充型方案進行溫度場及流場模擬,預測出缺陷產(chǎn)生的位置及程度,分析后再對方案進行優(yōu)化,通過這樣的循環(huán)過程,直至得到優(yōu)質(zhì)的制造方案。圖5所示即為工藝最終版的模擬結果,經(jīng)模擬驗證,方案合理。2質(zhì)量控制2.11布片工藝的制備100%射線檢測是本機匣相比其他鑄件的最大難點。透照前,依據(jù)圖紙要求、操作標準、驗收標準,制定了詳細的檢測操作規(guī)程,對透照方式、透照設備、靈敏度、曝光量、膠片類型等進行了定義。并依據(jù)標準、圖紙要求以及設備等情況,考慮拍片位置、拍片張數(shù)、透照工藝,制備了詳盡的布片圖,見圖6所示。機匣復雜的形狀和多變的厚度造成本件必須采用多種射線源,本件采用Co60與Co60+加速器并用的方式,保證了該機匣從最小48mm壁厚至最大280mm壁厚的部位都能透照,引用加速器保證厚大部位透照的同時,也縮短了曝光時間,機匣內(nèi)外雙層較復雜,透照源與布片存在諸多不便,但出于從結構、底片質(zhì)量角度考慮,仍然選取單壁單影透照,但部分結構由于壁厚變化急劇,采取了雙片透照的方式。透照過程中最大限度地保證射線垂直于膠片,部分位置由于形狀和結構原因無法做到時,采用傾斜入射方式。2.2全對比試塊的制作為保證該機匣在超聲檢測時的準確性,在進行超聲檢測前,通過圖紙、現(xiàn)場檢查等全面了解鑄件情況,明確鑄件的材質(zhì)、結構特征、澆注方式、冒口位置分布、工件擺放的形式、可接觸到的檢測面、工件各部位的厚度尺寸、表面情況及熱處理狀態(tài)等。并按照ASTMA609專門制作了與鑄件材質(zhì)相同的對比試塊,試塊原坯與機匣同爐鋼液冶煉、同爐熱處理,保證了對比試塊的衰減系數(shù)與機匣的衰減系數(shù)一致,能夠得到較準確的靈敏度調(diào)節(jié)結構,完全保證該機匣超聲檢測需求。本方案以直探頭為主、必要時斜探頭為輔的掃查方式,依據(jù)標準范圍單直選用D2S,雙直選用SEB4用于檢測外層50mm以內(nèi)近表面區(qū)域,單斜探頭用以輔助檢測直探頭掃查不易發(fā)現(xiàn)、與表面成一定角度的缺陷。2.3缺陷消除過程在對機匣的磁粉檢測過程中,發(fā)現(xiàn)存在部分點狀、線狀、面狀的磁粉缺陷顯示。多在上表面與金屬液流動不流暢的部位,經(jīng)過打磨后缺陷消除。經(jīng)過分析,為金屬液在澆注過程中的氧化物,在被帶入型腔后由于流動不暢,并未隨著液面的上升而進入到冒口中,而是附著在型腔中某些位置,隨著溫度的降低,與內(nèi)生夾雜物交織在一起形成夾雜物顆粒,凝固后形成缺陷。對于這類缺陷,需要通過提高鋼液純凈度、優(yōu)化鑄件結構方式來解決,前者能夠盡量減少夾渣的數(shù)量,后者能夠使夾渣易于上浮至冒口中,提高鑄件質(zhì)量。2.4爐溫均勻性試驗機匣模樣采用全木加鋼結構制作,造型選用呋喃自硬樹脂砂,造型時對舂砂等工序進行了重點控制。熔煉過程采用電弧爐+精煉爐的雙聯(lián)冶煉方式,并按照內(nèi)控標準控制各元素成分和鋼液溫度。熱處理爐按照ASTMA991進行了爐溫均勻性試驗,確保爐況良好。在機匣熱處理中,也采用了增加本體熱電偶的方式進行測溫,裝爐示意圖見圖7。2.5保溫時間足夠的預熱處理在機匣施焊前,按照材料規(guī)范、ASTMA488等規(guī)范要求編制了焊接工藝卡,本機匣這種合金鋼材質(zhì),淬硬性傾向大、冷焊易裂,補焊時進行了保溫時間足夠的預熱處理。焊條按照要求進行了合格的烘干和預熱,補焊過程中形成1個堆層后立即清除藥渣并錘擊補焊區(qū)域,考慮到補焊當時是冬天溫度較低,每補1層后還采用了氧炔加熱后再迅速補焊。過程中采用紅外測溫儀測量補焊區(qū)域溫度。以上一切盡量減小了焊接過程應力,避免產(chǎn)生焊接裂紋。焊后在690~700℃保溫足夠的時間進行去應力退火。針對缺陷的類型及發(fā)現(xiàn)方式,焊后同時進行了無損檢測、硬度檢查等,確保補焊區(qū)域組織的致密。2.6實物質(zhì)量經(jīng)過近6個月的生產(chǎn),該燃機機匣順利產(chǎn)出。爐前成分、成品成分在控制范圍內(nèi),力學性能均達到標準要求,無損檢測合格。3機表面材料的檢測,保證了機表本機匣采用分區(qū)補縮,通過采用針對性冷鐵及補貼的方式解決了分散熱節(jié)的補縮問題,得到了致密度較高的鑄件;采用整圈坭芯及特殊配合與定位方式,解決了造型操作難題并很好保證了機匣的尺寸精度;對機匣制造過程的特種工藝進行了重點研究與控制,特別對熱處理爐溫均勻性進行了測驗,對焊接工藝進行了研究,保證了機匣的過程質(zhì)量,為機匣的高