文/林錦棠·天仟重工有限公司

賀小毛，蔣鵬·北京機(jī)電研究所

核電汽輪機(jī)大葉片鍛造生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

文/林錦棠·天仟重工有限公司

賀小毛，蔣鵬·北京機(jī)電研究所

林錦棠，總工程師/副總經(jīng)理，研究員級(jí)高工，主要從事大型葉片鍛造—熱處理工作，主持或參加項(xiàng)目(課題）曾獲國(guó)家科委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，省部級(jí)科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)等。享受政府特殊津貼。

21世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和發(fā)展，對(duì)電力和能源的消耗也越來也多，伴隨而來的是越來越嚴(yán)重的環(huán)境污染危機(jī)。作為清潔能源的核電，其環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯。經(jīng)過福島核電危機(jī)后多年的技術(shù)發(fā)展，核電的安全性、可靠性得到了進(jìn)一步提高。世界核電的發(fā)展開始進(jìn)入復(fù)蘇期，世界各國(guó)都制定了積極的核電發(fā)展規(guī)劃。

2014年我國(guó)發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》中指出要安全發(fā)展核電。在采用國(guó)際最高安全標(biāo)準(zhǔn)、確保安全的前提下，適時(shí)在東部沿海地區(qū)啟動(dòng)新的核電項(xiàng)目建設(shè)，研究論證內(nèi)陸核電建設(shè)。到2020年，我國(guó)核電裝機(jī)容量達(dá)到5800萬千瓦，在建容量達(dá)到3000萬千瓦以上。時(shí)隔多年，2015年核電正式重啟，金沙江烏東德水電站、廣西防城港紅沙核電二期工程“華龍一號(hào)”三代核電技術(shù)示范機(jī)組和江蘇連云港田灣核電站擴(kuò)建工程項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目獲國(guó)務(wù)院核準(zhǔn)、開建和投產(chǎn)，進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的高峰期。圖1是我國(guó)三門核電站1號(hào)機(jī)組低壓缸轉(zhuǎn)子。

圖1 三門核電站1號(hào)機(jī)組低壓缸轉(zhuǎn)子

隨著核電的快速發(fā)展，對(duì)核電汽輪機(jī)末級(jí)葉片的需求也在增加。由于核反應(yīng)堆提供給汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)比較低，與火電汽輪機(jī)相比，核電汽輪機(jī)葉片的排汽面積大。現(xiàn)有末級(jí)葉片排汽面積的不足將造成巨大的排汽損失，因此開發(fā)制造更大排汽面積的超大葉片是核電汽輪機(jī)大容量高效率發(fā)展的關(guān)鍵。超大核電葉片的開發(fā)，可以提高核電汽輪機(jī)的效率，也為葉片的生產(chǎn)加工提出了很大的挑戰(zhàn)。

普通葉片鍛造技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)葉片葉身型面單邊加工余量大小，葉片鍛造加工的方法可分為四種：

(1）型面單邊加工余量為0.5～1.5mm的鍛造稱為精鍛。精鍛葉片只需要加工葉根、凸臺(tái)、葉冠以及進(jìn)汽側(cè)，而葉身型面只需打磨，不需要機(jī)械加工。精鍛葉片可以獲得完整的金屬流線、較細(xì)的晶粒度，從而獲得良好的組織性能，精鍛葉片可以提高材料利用率和降低機(jī)加工工時(shí)；精鍛葉片要求原材料表面質(zhì)量高、下料精確、鍛造加熱要做到少無氧化；坯料分配精確、制坯要求高。

(2）型面單邊余量為1～2mm、公差帶為0～2mm的鍛造稱為小余量鍛造。一般工藝流程為鐓頭→拔長(zhǎng)→鍛造→數(shù)控型面銑削→精光。其優(yōu)點(diǎn)是坯料韌性好，制坯效率較高，材料利用率比普通鍛造高。

(3）型面單邊余量為3～3.5mm、公差帶為0～3mm的鍛造稱為精密級(jí)鍛造。精密級(jí)模鍛需對(duì)鍛坯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理分配坯料；對(duì)制坯及鍛造工藝要求較高。國(guó)內(nèi)某些廠家長(zhǎng)時(shí)間使用該工藝鍛造葉片，因設(shè)計(jì)過程中對(duì)余量的控制及自由鍛制坯對(duì)坯料尺寸的控制均存在問題，造成鍛件質(zhì)量不太理想。

(4）型面單邊余量在4.5～6mm，公差帶為0～4.5mm的鍛造方法稱為普通鍛造。一般采用自由鍛制坯。該方法對(duì)原材料、鍛造加熱及設(shè)計(jì)要求低，鍛件易成形，但精度低，后續(xù)機(jī)加工工時(shí)多，材料利用率低。

國(guó)內(nèi)有許多科研院校和企業(yè)對(duì)普通葉片精鍛工藝、葉片鍛件余量、葉片鍛造過程的缺陷控制以及如何獲得葉片內(nèi)在優(yōu)良的綜合性能等開展了許多研究工作。

沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán)）有限責(zé)任公司的關(guān)紅等采用擠桿、鐓頭制坯、預(yù)鍛、終鍛成形的工藝方法，實(shí)現(xiàn)了葉片單面余量（0.5±0.2）mm的精密成形；通過變形溫度、變形程度對(duì)鍛件組織性能影響的研究，確定了最佳熱工藝參數(shù).通過熱處理工藝試驗(yàn)、鍛件的表面狀態(tài)及硬度的檢測(cè)，確定了熱處理工藝參數(shù)和冷卻方式。

海軍駐株洲某軍代室的余繼華等對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)整流葉片鍛造工藝研究，提出了多段折線分模、設(shè)置小方榫頭、預(yù)補(bǔ)償葉型厚度等解決措施，繪制了鍛件圖樣、制作了鍛造模具，并編制了鍛造工藝。蓋超等對(duì)汽輪機(jī)葉片模鍛工藝余量設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，從鍛造工藝出發(fā)，分析了葉片材料在鍛造成形過程中變形的規(guī)律后，得出更為合理的余量設(shè)計(jì)的方法，來解決上述的難題。

上海交通大學(xué)的邵勇等研究了精鍛葉片模具三維型面優(yōu)化技術(shù)，開發(fā)了模具型面直接補(bǔ)償優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并對(duì)鎳基葉片模具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

西北工業(yè)大學(xué)的汪宇等研究帶阻尼臺(tái)葉片精鍛過程卸載冷卻對(duì)形狀偏差的影響，研究得到了帶阻尼臺(tái)葉片精鍛過程卸載冷卻對(duì)葉片形狀偏差的影響規(guī)律。

西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司的尚飛虎、趙俊偉等對(duì)葉片成形過程出現(xiàn)的缺陷及成因進(jìn)行了分析。

北京航空材料研究院的赫樹本等用試驗(yàn)方法對(duì)復(fù)雜形體鈦合金葉片等溫?zé)嵝Ｐ喂に囘M(jìn)行了研究，制定了熱校形效果的最佳工藝條件。

無錫透平葉片有限公司采用精鍛工藝生產(chǎn)Q1050L葉片，工藝流程為：中、高溫電爐加熱→750kg空氣錘制坯→11200t離合器式螺旋壓力機(jī)鍛造（兩火鍛打兩次）→切邊(1200t壓力機(jī)）→加熱→螺旋壓力機(jī)校形→葉片砂冷回火。

中航工業(yè)陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限公司和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了鈦合金葉片精鍛工藝，在模具上加入止動(dòng)扣，采取相變點(diǎn)以下20℃的近β鍛造，對(duì)大型汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片進(jìn)行整體鍛造，鍛后只需少量打磨、拋光即可裝機(jī)使用。

核電大葉片鍛造特點(diǎn)

圖2所示的是核電大葉片的基本結(jié)構(gòu)，核電大葉片毛坯屬于長(zhǎng)軸板片類鍛件，因葉片鍛件葉根和葉身截面和各型面截面變化劇烈、同一截面厚度尺寸變化極大、葉片扭角大，屬于最難鍛造的鍛件之一，其主要特點(diǎn)有：

圖2 核電大葉片結(jié)構(gòu)

(1）設(shè)備噸位大、力能要求高。因核電大葉片的排汽面積比普通火電的要大近一倍，葉片材料一般為高合金不銹鋼，變形抗力大，變形由棒料鍛造成為薄片，變形程度大，這些因素造成鍛造所需的鍛造力大，能量高。

(2）成形難度大因葉片形狀很復(fù)雜。葉根截面積和葉身截面積變化劇烈、長(zhǎng)度方向型面面積不等、同一型面厚度不等、葉身扭角大，型面帶凸臺(tái)拉筋、葉冠寬等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且葉片材料鍛造溫度范圍窄，對(duì)工藝參數(shù)敏感，鍛造成形困難。

(3）表面質(zhì)量、發(fā)紋、金相組織、綜合機(jī)械性能和金屬流線等要求嚴(yán)格。核電汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)低，濕蒸汽具有很強(qiáng)的汽蝕性，工作過程中需要抵御沖擊侵蝕、縫隙侵蝕和沖刷侵蝕，因此對(duì)葉片鍛件的表面質(zhì)量、內(nèi)部組織、金屬流線和發(fā)紋分布都要求十分嚴(yán)格，需要制定最優(yōu)的鍛造工藝，如采用無氧化加熱，其中加熱溫度、加熱次數(shù)、鍛造溫度及熱處理工藝等要嚴(yán)格控制，以滿足大葉片嚴(yán)苛的工作環(huán)境。

(4）原材料價(jià)格昂貴。因核電葉片承受濕蒸汽侵蝕及多種交變應(yīng)力作用，原材料需具備很強(qiáng)的抗侵蝕和耐應(yīng)力腐蝕能力、具備高的疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性以及良好的塑性，因此原材料為合金化程度很高的不銹鋼、鎳基合金和鈦合金等，原材料價(jià)格昂貴。

(5）品種規(guī)格多、批量相對(duì)較小。每種型號(hào)汽輪機(jī)需要葉片數(shù)量不多，但規(guī)格分類較多。

核電大葉片制坯技術(shù)現(xiàn)狀

大葉片制坯技術(shù)對(duì)于大葉片成形至關(guān)重要，坯料分配的合理性直接關(guān)系到葉片最終尺寸精度、組織結(jié)構(gòu)和性能。葉片坯料尺寸的選擇有三種方法：第一是根據(jù)葉根的最大截面積來選?。旱诙N是根據(jù)葉身的截面積來選?。旱谌N是綜合葉根和葉身的截面尺寸來選取一個(gè)合理的坯料。

根據(jù)這三種坯料選擇的方式，大葉片制坯的方式也有三種。一是根據(jù)葉身截面選取原材料，制坯時(shí)拔長(zhǎng)葉身，葉根不變形且金屬流線呈平行狀。這種制坯方式在國(guó)內(nèi)葉片生產(chǎn)廠家普遍存在，多數(shù)采用自由鍛拔長(zhǎng)：二是根據(jù)葉身截面來選取原材料，制坯時(shí)葉根部分需要鐓粗，金屬流線呈蒜頭形：三是綜合考慮葉身和葉根的截面，葉根需要鐓粗而葉身需要拔長(zhǎng)?？紤]葉片的綜合性能，第三種制坯工序?yàn)榧选Ｒ驗(yàn)樵诖笕~片的整個(gè)鍛造過程中，長(zhǎng)度方向的變形基本上都在制坯工序中完成，若以葉根截面選取棒料直徑，葉根在制坯時(shí)沒有變形，只在終鍛時(shí)發(fā)生變形，對(duì)葉片性能有一定影響。而葉身的拔長(zhǎng)系數(shù)過大，容易在葉冠部分形成鎖孔，折疊等缺陷。采用葉根鐓頭和葉身拔長(zhǎng)的制坯工藝，可以保證葉根、葉身都有足夠的變形量，從而保證葉片的整體綜合性能。

目前世界上主要的大葉片制造公司一般采用第三種葉身拔長(zhǎng)和葉根鐓粗的葉片制坯工藝，葉身拔長(zhǎng)則大多采用奧地利GFM公司的程控四錘頭徑向鍛造機(jī)（如圖3所示），鐓頭設(shè)備一般采用液壓機(jī)。程控四錘頭徑向鍛造機(jī)適合葉片制坯，但徑向鍛造機(jī)造價(jià)昂貴，需要進(jìn)口。為解決鐓頭設(shè)備價(jià)格昂貴的問題，德國(guó)SMS MEER制造了一種新型、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的制坯設(shè)備—數(shù)控自由鍛造機(jī)，該設(shè)備是在常規(guī)自由鍛造壓機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)控裝置，減少了人為控制因素，在一定程度上提高了制坯質(zhì)量。

圖3 GFM RF100型徑向鍛造機(jī)

國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)外企業(yè)相比，在生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)及管理理念上還有很大的差距，一直以來均采用低廉的常規(guī)自由鍛設(shè)備制坯，難以保證坯料的質(zhì)量和一致性，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，坯料質(zhì)量取決于鍛工的熟練度。

核電大葉片鍛造技術(shù)現(xiàn)狀

近年來核電常規(guī)島汽輪機(jī)葉片發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)上汽、東汽和哈汽均研發(fā)汽道長(zhǎng)度為1800級(jí)的長(zhǎng)葉片。根據(jù)汽輪機(jī)葉片的出汽側(cè)汽道長(zhǎng)度進(jìn)行分類：長(zhǎng)度＜500mm屬于小葉片；長(zhǎng)度500～1000mm屬于中葉片；長(zhǎng)度1000～1500mm屬于大葉片；長(zhǎng)度1500～1880mm屬于特大葉片；長(zhǎng)度＞1880mm屬于超大葉片。

目前核電大葉片鍛造技術(shù)和市場(chǎng)份額主要由國(guó)外廠家占據(jù)。奧地利伯樂公司應(yīng)用31500t液壓螺旋壓力機(jī)，21世紀(jì)初又新增了一臺(tái)35500t離合器式螺旋壓力機(jī)，用于大葉片精鍛，設(shè)計(jì)余量為汽道長(zhǎng)度的1/1000，圖4為伯樂公司壓力機(jī)的圖片；西屋公司W(wǎng)instonSalem廠采用16000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和55TM對(duì)擊錘以及蒂森公司應(yīng)用63TM、35TM對(duì)擊錘鍛造汽輪機(jī)中、大葉片毛坯。21世紀(jì)初日本三菱公司自制了25000t液壓螺旋壓力機(jī)，用于葉片小余量緊公差鍛造，設(shè)計(jì)余量為2mm。

圖4 伯樂公司鍛造設(shè)備

國(guó)內(nèi)的主要葉片廠家有無錫透平葉片有限公司，擁有35500t離合器式螺旋壓力機(jī)，采用小余量緊公差鍛造工藝生產(chǎn)大葉片，占據(jù)國(guó)內(nèi)大部分葉片市場(chǎng)。天仟重工有25000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，可以鍛造50英寸等級(jí)的葉片，鍛造工藝是自由鍛制坯+模鍛，鍛造精度為普通級(jí)。宏遠(yuǎn)航空鍛造公司的設(shè)備是16000t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和63TM對(duì)擊錘，采用普通級(jí)模鍛工藝。

從上面的介紹可以看出，國(guó)內(nèi)的葉片鍛造技術(shù)相比國(guó)外無論是技術(shù)上還是設(shè)備上，還是相對(duì)落后，大多廠家都是普通級(jí)模鍛，設(shè)計(jì)余量和公差都很大，采用自由鍛制坯。

對(duì)于67英寸（1700mm）以上葉片，在2011年以前，國(guó)內(nèi)還沒有生產(chǎn)67英寸以上特大型葉片的能力，完全依賴進(jìn)口。2011年6月，無錫透平葉片公司花巨資引進(jìn)的35500t螺旋壓力機(jī)投產(chǎn)，并成功生產(chǎn)了67英寸核電用大葉片才實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。隨著第三代核電的研發(fā)，大容量高效率核電汽輪機(jī)的發(fā)展，末級(jí)動(dòng)葉片的尺寸也在增加，現(xiàn)在70英寸級(jí)葉片已經(jīng)設(shè)計(jì)完成并投入使用。目前世界上能夠生產(chǎn)70英寸級(jí)葉片的廠家除了奧地利的伯樂公司，只有國(guó)內(nèi)無錫透平葉片有限公司試制過。

核電大葉片鍛造技術(shù)存在問題及發(fā)展方向

我國(guó)核電建設(shè)步伐的加快，帶動(dòng)了核電大葉片行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)骨干企業(yè)已經(jīng)逐步具備了全新產(chǎn)品的開發(fā)能力。但大葉片鍛造技術(shù)的發(fā)展卻相對(duì)落后，存在著許多亟待解決的問題。

（1）大葉片的鍛造余量及公差偏大，由于核電大葉片排汽面積很大，采用整體模鍛所需要的鍛造力也很大，目前國(guó)內(nèi)設(shè)備還難以滿足葉片鍛造的要求。因此開發(fā)新工藝和新設(shè)備是核電葉片鍛造技術(shù)研究的重點(diǎn)。

(2）葉片坯料質(zhì)量的好壞決定了最終葉片的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)大多還采用自由鍛制坯，坯料的質(zhì)量難以保證，研發(fā)新的制坯設(shè)備和制坯工藝也是核電葉片鍛造技術(shù)的重點(diǎn)。

(3）葉片在鍛造時(shí)的彈性回彈以及在冷卻、熱處理過程的扭矩和型面變形是一個(gè)難以解決的問題，葉片的冷校形技術(shù)和實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。

(4）數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為大葉片的工藝設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的保證，但目前大多的模擬集中在成形過程的模擬，而對(duì)葉片的內(nèi)部組織、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒形態(tài)等在鍛造過程中模擬將成為發(fā)展熱點(diǎn)。

（5）CAD造型、CAPP工藝編制、CAM程序、鍛造過程仿真等集成程度低，基于知識(shí)工程和互聯(lián)的設(shè)計(jì)思想促使葉片鍛造技術(shù)設(shè)計(jì)向智能化方向發(fā)展。