Turbinų mentės: liejimo medžiaga, tolerancijos ir tikslaus apdirbimo reikalavimai 

Turbinos mentės veikia esant ypač aukštos temperatūros dujų srautui, cikliniam šiluminiam įtempimui ir korozinėms terpėms, todėl jos yra viena iš sudėtingiausių komponentų tiksliai liejant energetikos pramonėje. Dauguma pirkimų ir inžinierių komandų, įsigydamos turbinos mentes, susiduria su nuolatiniais gamybos iššūkiais: plonasieniai aerodinaminiai profiliai susitraukia ir deformuojasi, dėl sudėtingų vidinių aušinimo kanalų lūžta šerdis, o superlydinės medžiagos sukelia rimtų apdirbimo sukietėjimo ir griežtos tolerancijos kontrolės iššūkius.

Šiame vadove aprašomas lydinio medžiagų pasirinkimas, investicinio liejimo proceso valdymas, aušinimo kanalų struktūros ribos, matmenų tolerancijos standartai, tikslaus apdirbimo maršrutai ir visos NDT tikrinimo taisyklės, skirtos turbinų mentėms. Jis skirtas pagal užsakymą pagamintam peilių gamybai, padedant sumažinti liejimo laužą, kontroliuoti apdirbimo ribą ir išvengti brangaus aukštai temperatūrai ir korozijai atsparių dalių pertvarkymo.

1. Darbo sąlygos ir pagrindiniai turbinų menčių gamybos iššūkiai

Turbinos mentės veikia nuolat aukštai įkaitus, šiluminiu ciklu ir sulfidų korozija. Pirmosios pakopos dujų turbinos mentės gali išlaikyti ilgalaikę eksploataciją aukštesnėje nei 900°C temperatūroje. Pakartotinis šiluminis plėtimasis ir susitraukimas sukuria šliaužimo deformaciją ir terminio nuovargio įtrūkimus.

Geometrinis sudėtingumas smarkiai padidina gamybos sunkumus:

• Dėl plono aerodinaminio profilio sienelės storio (dažnai mažesnio nei 1 mm) išlydyto lydinio užpildymas prastai ir netolygus kietėjimas.
• Sudėtingiems vidiniams aušinimo kanalams reikalingos įterptos keraminės šerdys, kurios pilant lengvai pasislenka arba lūžta.
• Sudėtingi laisvos formos lenkti paviršiai negali būti pagaminti naudojant įprastą smėlio liejimą. Tik vakuuminiu tikslumu liejant galima gauti beveik tinklinės formos liejimo ruošinius.
• Nikelio pagrindu pagaminti superlydiniai pasižymi stipriu šalto darbo kietėjimu. Tai pagreitina įrankio susidėvėjimą ir destabilizuoja matmenų tikslumą CNC apdirbimo metu.

Pagrindiniai gamybos skausmo taškai yra liejimo poringumas, šerdies poslinkis, ašmenų profilio iškraipymas, apdirbimo deformacija ir nekvalifikuotas aušinimo plėvelės skylių matmenų tikslumas.

2. Aukštos temperatūros lydinio medžiagų parinkimas lietų turbinų mentėms

Tinkamo superlydinio pasirinkimas yra ilgo ašmenų tarnavimo pagrindas. Medžiagos klasė turi atitikti darbo temperatūros, korozinės aplinkos ir atsparumo valkšnumui reikalavimus. Šiame skyriuje dėmesys sutelkiamas į pagrindinius nikelio pagrindu pagamintus superlydinius, plačiai naudojamus liejamos turbinos mentės.

2.1 Pagrindinės turbinų menčių superlydinio klasės

• Inconel 718 (UNS N07718)
  Nepertraukiama eksploatavimo temperatūra iki 700°C, pasižyminti puikiu atsparumu tempimui ir vidutiniu šliaužimu. Jis plačiai naudojamas žemos ir vidutinės temperatūros turbinų mentėms ir kompresoriaus mentėms, pasižyminčioms geru atsparumu rūgščiosioms dujoms ir šlapiai korozijai.
• Inconel 625 (UNS N06625)
  Stiprus atsparumas taškinei ir plyšinei korozijai, atitinkantis NACE MR0175 rūgštaus aptarnavimo standartus. Jis stabiliai veikia iki 650°C ir tinka peiliams, veikiamiems korozinių dūmų dujų.
• Renė 80
  Įprastas lygiagrečias lietinis superlydinys su subalansuotu stipriu aukštoje temperatūroje ir atsparumu oksidacijai, skirtas vidutinės pakopos turbinų mentėms, veikiančioms žemesnėje nei 950°C temperatūroje.
• CMSX-4 (vieno kristalo lydinys)
  Aukščiausios klasės atsparumas šliaužimui, skirtas HPHT pirmos pakopos peiliams. Nuolatinis aptarnavimas gali pasiekti 1150°C be akivaizdaus šliaužimo atsipalaidavimo. Kryptinis kietėjimas pašalina grūdų ribas, kad pagerintų stabilumą aukštoje temperatūroje.

2.2 Medžiagos atrankos taisyklės, pagrįstos paslaugų aplinka

1. Šlapių rūgščių dujų ir jūros vandens korozijos sąlygos: pasirinkite Inconel 625, kad užtikrintumėte išskirtinį atsparumą korozijai (korozijai atsparios dalys).
2. Vidutinės temperatūros elektros energijos generavimo turbinos mentės (≤700°C): Inconel 718 yra ekonomiškas variantas su subalansuotu apdirbamumu ir mechaninėmis savybėmis.
3. Aukštos temperatūros dujų turbinos karšto profilio mentės (950–1150 °C): naudokite Rene 80 lygiašį liejinį arba CMSX-4 vieno kristalo kryptinio kietėjimo liejinį, kad apsaugotumėte nuo šliaužimo.
4. Venkite per daug specifikacijų: vieno kristalo lydiniai sukelia daug didesnes liejimo išlaidas; naudokite juos tik aukščiausios temperatūros ašmenų padėtyse.

Laukiama patikros: tikslūs ASTM medžiagų standartai, NACE korozijos laipsnis ir ilgalaikio valkšnumo plyšimo duomenys kiekvienai lydinio rūšiai.

3. Tikslūs investiciniai turbinų menčių liejimo valdikliai

Tikslus liejimas (investicinis liejimas / prarasto vaško liejimas) yra vienintelė brandi technologija, skirta gaminti tuščiavidures turbinos mentes su vidiniais aušinimo kanalais. Prasta proceso kontrolė sukels susitraukimo poringumą, šerdies poslinkį ir ašmenų profilio iškraipymus.

3.1 Pagrindiniai „Blade Investment Casting“ sunkumai

1. Plonasienis užpildas: Išlydytas superlydinys greitai kietėja. Plonos aerodinaminio profilio sekcijos linkusios formuoti šaltai uždarytą ir nepilną užpildymą.
2. Keraminės šerdies stabilumas: įterptos šerdys lūžta arba pasislenka veikiant aukštai temperatūrai metalo smūgiui, todėl aušinimo kanalai užblokuojami arba pasislenka.
3. Kietėjimo susitraukimas: Netolygus aušinimas sukelia didelį matmenų nuokrypį ir vidinį susitraukimo poringumą.
4. Grūdų struktūros kontrolė: Išlyginti grūdeliai lengvai formuojasi be kryptingo kietėjimo, todėl sutrumpėja valkšnumo trukmė aukštoje temperatūroje.

3.2 Near-Net-Shape liejimo proceso valdikliai

• Lydymas ir liejimas vakuume: Ištirpinkite nikelio superlydinius esant dideliam vakuumui, kad sumažintumėte deguonies kiekį ir išvengtumėte oksidų įtraukimo defektų. Įkaitinkite keraminę formą iki 900–1100 °C, kad pagerintumėte išlydyto metalo sklandumą.
• Kryptinis kietėjimo valdymas: nustatykite kontroliuojamą aušinimo gradientą (10–50 °C/min aušinimo greitis), kad susidarytų stulpeliniai grūdeliai arba vienakristalinės struktūros, o tai labai pagerina atsparumą valkšnumui aukštoje temperatūroje.
• Karštas izostatinis HIP presavimas: Apdorokite liejimo ruošinius HIP, kad uždarytumėte vidines mikroporas ir susitraukimo ertmes, pagerintumėte vidinį tankį ir pagerintumėte nuovargio savybes.
• Vaško rašto susitraukimo kompensacija: Iš anksto nustatytas formos susitraukimo greitis (apie 1,6–1,7 % ilgio kryptimi), kad būtų kompensuotas liejimo susitraukimas ir kontroliuojamas bendras matmenų nuokrypis.

3.3 Turbinų menčių liejimo tolerancijos pradinė linija

Liejimo ruošinio tolerancija atitinka ISO 8062 ir VDG P690 standartus. Investicinio liejimo turbinos menčių liejimo ruošiniams:

• Profilio profilio matmenų nuokrypis: ±0,30 mm po susitraukimo kompensavimo.
• Rekomenduojamas vienpusis apdirbimo stažas: 0,3–1,5 mm; storesnė priemoka skirta deformuotoms ašmenų antgaliams ir briaunoms.
• Lietų tuščiavidurių peilių sienelės storio nuokrypis: ±0,15 mm plonasienėms sekcijoms.

Laukiama patikros: visos VDG P690 tolerancijos klasės ir tikslios skirtingų dydžių ašmenų apdirbimo leistinų vertės.

4. Menčių vidinių aušinimo konstrukcijų liejimo reikalavimai

Tuščiavidurės turbinos mentės remiasi vidiniais aušinimo kanalais, kad sumažintų mentės temperatūrą. Aušinimo kanalų kokybė tiesiogiai nulemia turbinos šiluminį efektyvumą, o šerdies gamyba – ar galima visiškai suformuoti vidinę struktūrą.

4.1 Bendras aušinimo kanalų dizainas ir gamybos ribos

Įprastos aušinimo struktūros apima serpantininius kelių praėjimų kanalus, priekinio krašto susidūrimo aušinimo ertmes, galinio krašto siaurus plyšius ir kaiščio turbulencijos struktūras.

Šerdies liejimo apribojimai:

• Minimalus praktinis liejamos sienelės storis su kvalifikuotomis keraminėmis šerdimis ir vakuuminiu liejimu: 0,5 mm. Ši vertė priklauso nuo ašmenų dydžio ir lydinio tipo.
• Minimalus šerdies dydis: 0,5 mm skersmens mažoms aušinimo plėvelės skylutėms; per plonos šerdys pilant lūžta.
• Siauriems plyšiniams kanalams reikalingas didelis šerdies stiprumas ir mažas šiluminis plėtimasis, kad būtų išvengta deformacijos esant aukštai temperatūrai.

4.2 Pagrindinės gamybos ir apsaugos nuo lūžimo priemonės

Aliuminio oksido pagrindu pagamintos keraminės šerdys yra pagrindinis pasirinkimas liejant turbinos menčių liejimą. Pagrindiniai veikimo reikalavimai:

1. Didelis atsparumas ugniai: atlaiko aukštesnę nei 1500°C temperatūrą, nesuminkštėja liejant lydinį.
2. Mažas šiluminio plėtimosi koeficientas (mažesnis nei 4×10⁻⁶/K), kad būtų išvengta šiluminio įtempimo įtrūkimų ir matmenų poslinkio.
3. Vidutinis atsparumas lenkimui (>15 MPa) ir geras išplovimas, skirtas cheminiam pašalinimui po liejimo.

Pagrindiniai sprendimai nuo lūžių:

• Prie ilgų ir plonų šerdies dalių pridėkite atramines briaunas, kad atsispirtumėte metalo srauto poveikiui.
• Suderinkite keraminės šerdies ir superlydinio šiluminio plėtimosi koeficientą, kad išvengtumėte šiluminio plėtimosi neatitikimo įtrūkimų.
• Kontroliuokite šerdies sukepinimo susitraukimą iki 5%, kad išlaikytumėte vidinio kanalo matmenų stabilumą.

5. Tiksliojo apdirbimo tolerancijos ir apdorojimo schema

Net ir beveik tinklinės formos liejimo ruošiniams reikalingas 5 ašių CNC tikslumas apdirbimas, kad atitiktų aerodinaminio profilio ir surinkimo tolerancijos reikalavimus. Superlydinio apdirbimas patiria didelį sukietėjimą, kuris turi būti kontroliuojamas naudojant optimizuotus pjovimo parametrus.

5.1 Matmenų tolerancijos reikalavimai pagrindinėms savybėms

1. Išlenktas paviršius ant sparno: GD&T profilio tolerancija ±0,02~0,05 mm; paviršiaus šiurkštumas Ra 0,8–1,6 μm, siekiant sumažinti oro srauto trinties nuostolius.
2. Eglės ašmenų šaknis: Tempimo surinkimo paviršiaus tolerancija ±0,015 mm; paviršiaus apdaila Ra 0,2–0,8 μm, kad būtų išvengta kontakto nuovargio esant ciklinei apkrovai.
3. Platformos sandarinimo paviršius: plokštumo tolerancija 0,02 mm; griežta lygumo kontrolė apsaugo nuo dujų nuotėkio tarp ašmenų eilių.
4. Aušinimo plėvelės skylės: Padėties tolerancija ±0,03 mm; skylės skersmens tolerancija ± 0,02 mm, daugiausia apdorojama EDM elektros išlydžio apdirbimu.

5.2 Apdirbimo maršrutas ir įrankių pasirinkimas

Standartinė lietinių turbinų menčių apdorojimo eiga:

1. Apdorojimas po liejimo: apvalkalo pašalinimas, šerdies išplovimas, šratavimas ir HIP tankinimas.
2. Grubus apdirbimas: Pašalinkite didžiąją liejimo rezervo dalį dengtomis karbido pjaustyklėmis, palikite 0,2–0,4 mm pusapdailos kraštą.
3. Pusiau apdaila: 5 ašių lenktų paviršių frezavimas ant sparno, pjovimo karščio sukeltos apdirbimo deformacijos valdymas.
4. Apdaila: didelio greičio frezavimas arba paviršiaus šlifavimas, kad būtų pasiektas galutinis profilio tolerancija ir paviršiaus šiurkštumas.
5. Antrinis apdirbimas: EDM išgręžkite mažas aušinimo plėvelės skyles ašmenų priekiniuose ir galiniuose kraštuose.

Superlydinių apdirbimo patarimai:

• Naudokite mažą pjovimo greitį, kad sumažintumėte darbo grūdinimą; palaikykite pakankamai aukštą padavimo greitį, kad perpjautumėte sukietėjusį paviršiaus sluoksnį.
• Venkite kartotinių negilių apdailos procedūrų, kurios tik nupoliruoja sukietėjusią odą ir pagreitina įrankių susidėvėjimą.

5.3 Leidimų kontrolė, siekiant sumažinti atliekų kiekį

Liejimo deformacija yra neišvengiama, todėl nustatant ruošinio dydį reikia atsižvelgti į netolygią apdirbimo ribą:

• 0,3–0,5 mm padidinkite apdirbimo ribą ant ašmenų galo, galinio krašto ir plonasienių sričių, kuriose yra didelė susitraukimo deformacija.
• Naudokite 3D mėlynos šviesos skenavimą, kad išmatuotų tikrąją liejimo deformaciją prieš apdirbant, tada sureguliuokite CNC programą, kad kompensuotumėte vietinį matmenų nuokrypį.

6. NDT ir lietinių turbinų menčių kokybės tikrinimo standartai

Visa apžiūros sistema apima medžiagų patikrą, matmenų matavimą, neardomąjį bandymą ir paviršiaus kokybės patikrą, kuri yra privaloma aukštai temperatūrai atsparioms dalims, naudojamoms dujų turbinose.

6.1 Neardomojo bandymo (NDT) elementai

1. Radiografinis tyrimas (RT / rentgeno tyrimas): 100 % patikrinimas, siekiant aptikti vidinį susitraukimo poringumą, inkliuzus ir šalto uždarymo defektus ašmenų profilio ir šaknies viduje.
2. Ultragarsinis testavimas (UT): Patikrinkite, ar storose ašmenų šaknų dalyse nėra gilių vidinių defektų, kurių rentgeno spinduliai negali nustatyti.
3. Prasiskverbimo bandymas (PT): Patikrinkite, ar ant visų ašmenų paviršių nėra mikroįtrūkimų, ypač ant aerodinaminio profilio kraštų ir ašmenų šaknų filė.
4. Pramoninis KT skenavimas: patikrinkite vidinių aušinimo kanalų vientisumą, aptikkite šerdies likučius ir užblokuotas aušinimo plėvelės angas, kurių negalima matyti kitais NDT metodais.

Laukiama patvirtinimo: NADCAP aerokosminės NDT standartai ir turbinų menčių liejinių defektų priėmimo klasės.

6.2 Matmenų ir paviršiaus patikra

• CMM (koordinačių matavimo mašina): Visas 3D aerodinaminio profilio, ašmenų šaknies dydžio ir aušinimo plėvelės angos padėties matavimas matavimo tikslumu iki ±0,002 mm.
• Optinis lazerinis skenavimas: Palyginkite tikrąją ašmenų formą su CAD modeliu, kad įvertintumėte bendrą profilio nuokrypį.
• Paviršiaus šiurkštumo bandymas: Patikrinkite Ra vertes ant sparno, šaknų ir sandarinimo paviršių.
• Metalurginė apžiūra: patikrinkite grūdelių struktūrą, kad patvirtintumėte lygiagretę / kryptingai sukietėjusią / vieno kristalo grūdelių kokybę.

7. Dažnai užduodami klausimai

1 klausimas: ar paprastas lygiagretis lydinys gali pakeisti vieno kristalo peiliukus HPHT paslaugoms?
A: Ne. Lygiagrečių superlydinių grūdelių ribos tampa silpnomis vietomis esant aukštai temperatūrai ir ilgalaikei apkrovai. Vieno kristalo CMSX-4 pašalina grūdelių ribas ir palaiko valkšnumo stabilumą aukštesnėje nei 1000°C temperatūroje, o tai nepakeičiama pirmos pakopos karšto profilio peiliams.

2 klausimas: koks yra mažiausias sienelės storis, kurį galima išlieti aušinimo kanalo turbinos mentėms?
A: Naudojant didelio grynumo aliuminio oksido keramikos šerdis ir vakuuminį liejimą, praktinis minimalus liejamos sienelės storis yra 0,5 mm. Ši riba skiriasi priklausomai nuo ašmenų geometrijos ir lydinio pasirinkimo. Plonesnės sienos lems nepilną užpildymą ir didelius laužo kiekius.

3 klausimas: kiek apdirbimo atsargų reikėtų rezervuoti investiciniams liejimo ruošiniams?
A: Pradinė vienašalė nuolaida yra 0,3–1,5 mm. Padidinkite priedą 0,3–0,5 mm tose vietose, kuriose yra didelė liejimo deformacija, pvz., ašmenų antgaliai ir galiniai kraštai, kad išvengtumėte vietos medžiagų trūkumo apdirbant.

4 klausimas: koks tikrinimo metodas gali aptikti vidinį aušinimo kanalų užsikimšimą?
A: Pramoninis KT nuskaitymas yra patikimiausias būdas patikrinti vidinio aušinimo kanalo užsikimšimą, šerdies likučius ir netolygų sienelės storį nepažeidžiant liejinio. Rentgeno spinduliai gali aptikti tik didelius užsikimšimus, o mažus šerdies likučius galima nustatyti tik kompiuterinės tomografijos būdu.

8. Išvada ir tolesni žingsniai

Norint gaminti kvalifikuotas turbinos mentes, reikalinga koordinuota medžiagų parinkimo, tikslaus liejimo, aušinimo šerdies formavimo, 5 ašių apdirbimo ir pilnos NDT patikros kontrolė.

1. Griežtai suderinkite superlydinių klases su darbo temperatūra ir ėsdinančia medžiaga; rinkitės Inconel 718 / 625 vidutinės temperatūros korozinei aplinkai ir kryptinius / vieno kristalo lydinius aukštos temperatūros HPHT sąlygoms.
2. Norėdami sumažinti vidinį poringumą ir liejimo deformaciją, naudokite vakuuminį liejimą su kryptiniu kietėjimu ir HIP apdorojimu.
3. Sukurkite keramines šerdis su mažu šiluminiu plėtimu ir pakankamu stiprumu, kad išvengtumėte šerdies lūžimo ir užtikrintumėte visišką vidinių aušinimo kanalų susidarymą.
4. Rezervuokite pagrįstą apdirbimo ribą pagal liejimo deformaciją; naudokite 5 ašių CNC ir EDM, kad kontroliuotumėte profilio toleranciją ir aušinimo plėvelės skylių tikslumą.
5. Įdiekite visą RT, UT, PT ir CT neardomąjį bandymą ir CMM matmenų patikrą, kad garantuotumėte ašmenų kokybę.

Jei turite turbinos menčių 2D / 3D brėžinius ir jums reikia medžiagų įvertinimo, liejimo proceso planavimo, apdirbimo tolerancijos analizės arba individualaus tikslaus liejimo turbinų menčių pasiūlymo, galite pateikti savo technines specifikacijas, kad būtų atlikta išsami inžinerinė peržiūra.