微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法技术

本发明专利技术公开了一种微型燃气轮机涡轮转子，涡轮转子的材质为K4002高温合金。本发明专利技术还公开了利用K4002高温合金铸造微型燃气轮机涡轮转子的方法。本发明专利技术中的微型燃气轮机涡轮转子，由于采用K4002作为涡轮转子的材料，能够保证微型燃气轮机在涡轮进口温度1200K情况下，核心机转子转速在45000rpm转速下长期运转，工作可靠。本发明专利技术中的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，能够保证叶片的充型，消除欠铸的问题；采用球型浇铸系统，防止疏松，产生裂纹。

Micro gas turbine turbine rotor and its casting method

The invention discloses a micro gas turbine turbine rotor. The material of the turbine rotor is K4002 high temperature alloy. The invention also discloses the method of using K4002 superalloy to cast the turbine rotor of a micro gas turbine. The micro gas turbine rotor in the invention can be used as a material of the turbine rotor because of adopting K4002 as a material for the turbine rotor. It can ensure that the rotor speed of the core rotors runs long term at the speed of 45000rpm when the turbine inlet temperature is 1200K, and the operation is reliable. The casting method of the micro gas turbine rotor in the invention can ensure the filling of the blades and eliminate the problem of under cast. The ball casting system is adopted to prevent loosening and crack.

【技术实现步骤摘要】
微型燃气轮机涡轮转子及其铸造方法
本专利技术涉及微型燃气轮机
，尤其涉及一种微型燃气轮机涡轮转子及该转子的铸造方法。
技术介绍
微型燃气轮机是一类微小型热力发动机，功率在30KW-500KW之间，结构采用离心式压气机和向心式透平。微型燃气轮机主要作为发电机组的动力源，具有结构简单、适用多种燃料、热效率高、低污染等诸多优点，可广泛应用于分布式能源发电、并网发电、调峰发电、备用电站、热电联供等诸多领域。燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。涡轮转子是燃气轮机的核心部件，其最高工作转速在90000RPM，工作时温度高达1000℃，叶承受最大应力900MPA左右，为保证涡轮转子的稳定工作，必须采用耐高温、强度好的材料作为涡轮转子材料。
技术实现思路
为解决现有技术中，微型燃气轮机涡轮转子存在的不能稳定工作的技术问题，本专利技术的技术方案如下：本专利技术公开了一种微型燃气轮机涡轮转子，其涡轮转子的材质为K4002高温合金。本专利技术将高强度镍基铸造高温合金K4002作为涡轮转子材料，其高温性能水平属现有等轴晶铸造镍基高温合金的最高级别，组织稳定性、抗高温氧化、耐腐蚀性良好，铸造工艺性能及成形性能良好，可铸成各种形状复杂的涡轮转子叶片、导向叶片和整体涡轮盘等。K4002中有较多的钨和贵重的钽和铪，密度较大，密度8.5g/cm3，适用于1000℃以下的燃气轮机涡轮。本专利技术还公开了上述微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，包括如下步骤：步骤1、根据待浇铸涡轮转子的结构、参数，设计球型浇铸系统；步骤2、制造涡轮转子蜡膜、球形蜡膜及流道蜡膜，其中涡轮转子蜡膜的涡轮叶片叶尖处开设流道；步骤3、将步骤2中的涡轮转子蜡膜、球形蜡膜及流道蜡膜组合形成蜡膜壳；步骤4、利用蜡膜壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；步骤5、型壳脱蜡；步骤6、将在1560±10℃精炼完成的K4002合金液在温度1480±10℃条件下向步骤5的型壳内浇铸；步骤7、浇铸完成后，冷却脱壳。在一种优选的实施方式中，步骤3中的涡轮转子蜡膜、球形蜡膜及流道蜡膜均利用蜡膜机在55℃、4bar的压力下制得。在一种优选的实施方式中，步骤4包括：步骤4.1、将硅溶胶与粉料混合制得粘度为36～40s的料浆，将其涂覆于步骤3的蜡膜壳表面后，利用细石英砂挂砂，干燥；步骤4.2、重复步骤4.1，直至在步骤3的蜡膜壳表面挂砂8次。在一种优选的实施方式中，步骤5包括：步骤5.1、对型壳脱蜡，脱蜡温度为500℃；步骤5.2、将步骤5.1所得型壳置于真空炉中，加热至1000±20℃，对型壳烘烤。在一种优选的实施方式中，步骤6浇铸钱，在型壳外部包覆保温棉。由于涡轮转子的叶片长而薄，合金液进入叶片后温度降的很快，很容易冷却，出现欠铸的情况。为避免该情况的出现，在型壳外部包覆了保温棉，当合金液流到涡轮转子的边缘位置也就是叶片位置，温度还未降低尚有流动性，从而将叶片充满，保证了叶片的良好充型。在一种优选的实施方式中，步骤4.1中的粉料为铝酸钴粉和刚玉粉的混合物，铝酸钴粉和刚玉粉的混合比例为1:15～25。在一种优选的实施方式中，所述蜡膜壳的组成结构由上至下依次为流道蜡膜、球形蜡膜、涡轮转子蜡膜；所述各个蜡膜之间焊接连接。本专利技术中的微型燃气轮机涡轮转子及其铸造方法，与现有技术相比，其有益效果为：本专利技术中的微型燃气轮机涡轮转子，由于采用高强度镍基铸造高温合金K4002作为涡轮转子的材料，因此能够保证微型燃气轮机在涡轮进口温度1200K情况下，核心机转子转速在45000rpm转速下长期运转，工作可靠。本专利技术中的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，在涡轮转子蜡膜的涡轮叶片叶尖处开设了流道，并在浇铸前，在型壳外部包覆保温棉，保证了叶片的充型，消除了欠铸的问题。浇铸完成后，使浇铸件自然降温，冷却脱壳；采用了球型浇铸系统，在浇铸时，首先冷却的是涡轮转子边缘位置，叶片、底部等，涡轮芯部中心位置温度高，此时芯部上方的金属液体因为补缩的作用会向芯部中心位置流动，如果不采用球型浇铸系统，那么小轴部位的金属液体会流向下方，造成疏松。采用球型浇铸系统的金属液体会补充到芯部和小轴部位，防止疏松。附图说明图1是本专利技术中微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法中的蜡膜壳的示意图；图2是本专利技术中利用微型燃气轮机涡轮转子的结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1微型燃气轮机涡轮转子最高工作转速在90000RPM，工作时温度高达1000℃，叶承受最大应力900MPA左右，为保证涡轮转子的稳定工作，本专利技术采用了高强度镍基铸造高温合金K4002作为涡轮转子材料。K4002的化学成分(按质量百分比)如表1所示：表1CCrNiCoWMoAL0.13～0.178.0～10.0余9.0～11.09.0～11.0≦0.55.25～5.75TiFeTaHfVBZr1.25～1.75≦0.52.25～2.751.3～1.7≦0.100.01～0.020.03～0.08MnSiSPCuMgAg≦0.20≦0.20≦0.010≦0.10≦0.10≦0.003≦0.0005PbBi≦0.0005≦0.00005从表1中可看出，K4002中有较多的钨和贵重的钽和铪，密度较大，其持久强度表见表2。表2θ/Cδ50/Mpaδ100/Mpaδ300/Mpaδ500/Mpa8006696185445159003793622932661000181161127114通过上表可知，K4002的密度大、持久性强度高，适用于1000℃以下的燃气轮机涡轮转子。本专利技术还公开了铸造上述微型燃气轮机涡轮转子的方法，包括如下步骤：步骤1、根据待浇铸涡轮转子的结构、参数，设计球型浇铸系统；步骤2、制造涡轮转子蜡膜2、球形蜡膜4及流道蜡膜3，其中涡轮转子蜡膜2的涡轮叶片1的叶尖处开设流道5；其结构如图1所示。涡轮转子蜡膜的涡轮叶片1形状、结构参数以及球形蜡膜4、流道蜡膜3的参数均由步骤1中的球形浇铸系统设定。设定好以后，利用蜡膜机在55℃、4bar的压力下制成涡轮转子蜡膜2、球形蜡膜4及流道蜡膜3。为防止浇铸过程中，出现欠铸的情况，在涡轮转子蜡膜2的涡轮叶片1叶尖处开设了流道5。步骤3、将步骤2中的涡轮转子蜡膜2、球形蜡膜4及流道蜡膜3组合形成蜡膜壳，蜡膜壳的结构如图1所示；蜡膜壳的粘结结构为流道蜡膜3、球形蜡膜4、涡轮转子蜡膜2依次连接；各个蜡膜之间焊接连接，即使用高温烙铁将蜡膜连接部分熔化后使之凝固在一起。步骤4、利用蜡膜壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；步骤4.1、将硅溶胶与铝酸钴粉、刚玉粉的混合物制得的粉料进行混合后，制得粘度为38s的料浆，将其涂覆于步骤3的蜡膜壳表面后，利用细石英砂挂砂，干燥；其中铝酸钴粉、刚玉粉的混合比例为1:17。铝酸钴粉可以起到细化铸造等轴晶粒的作用；刚玉粉具有尺寸稳定性、热稳定性和高温化学稳定性好的特点。步骤4.2、重复步骤4.1，直至在步骤3的蜡膜壳表面挂砂8次。步骤5、型壳脱蜡；步骤5.1、将型壳内的蜡膜壳熔化去除，熔化本文档来自技高网...

【技术保护点】
微型燃气轮机涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子的材质为K4002高温合金。

【技术特征摘要】
1.微型燃气轮机涡轮转子，其特征在于，所述涡轮转子的材质为K4002高温合金。2.微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、根据待浇铸涡轮转子的结构、参数，设计球型浇铸系统；步骤2、制造涡轮转子蜡膜、球形蜡膜及流道蜡膜，其中涡轮转子蜡膜的涡轮叶片叶尖处开设流道；步骤3、将步骤2中的涡轮转子蜡膜、球形蜡膜及流道蜡膜组合形成蜡膜壳；步骤4、利用蜡膜壳、硅溶胶、粉料及细石英砂制造型壳；步骤5、型壳脱蜡；步骤6、将在1560±10℃精炼完成的K4002合金液在温度1480±10℃条件下向步骤5的型壳内浇铸；步骤7、浇铸完成后，冷却脱壳。3.根据权利要求2所述的微型燃气轮机涡轮转子的铸造方法，其特征在于，步骤3中的涡轮转子蜡膜、球形蜡膜及流道蜡膜均利用蜡膜机在55℃、4bar的压力下制得。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘广勤，阎成祥，刘力铭，
申请(专利权)人：西安中工动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61