文/林錦棠·天仟重工有限公司

賀小毛，蔣鵬·北京機電研究所

核電汽輪機大葉片鍛造生產(chǎn)技術現(xiàn)狀

文/林錦棠·天仟重工有限公司

賀小毛，蔣鵬·北京機電研究所

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

21世紀以來，隨著世界經(jīng)濟的復蘇和發(fā)展，對電力和能源的消耗也越來也多，伴隨而來的是越來越嚴重的環(huán)境污染危機。作為清潔能源的核電，其環(huán)保優(yōu)勢明顯。經(jīng)過福島核電危機后多年的技術發(fā)展，核電的安全性、可靠性得到了進一步提高。世界核電的發(fā)展開始進入復蘇期，世界各國都制定了積極的核電發(fā)展規(guī)劃。

2014年我國發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》中指出要安全發(fā)展核電。在采用國際最高安全標準、確保安全的前提下，適時在東部沿海地區(qū)啟動新的核電項目建設，研究論證內(nèi)陸核電建設。到2020年，我國核電裝機容量達到5800萬千瓦，在建容量達到3000萬千瓦以上。時隔多年，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”三代核電技術示范機組和江蘇連云港田灣核電站擴建工程項目等多個項目獲國務院核準、開建和投產(chǎn)，進入一個發(fā)展的高峰期。圖1是我國三門核電站1號機組低壓缸轉(zhuǎn)子。

圖1 三門核電站1號機組低壓缸轉(zhuǎn)子

隨著核電的快速發(fā)展，對核電汽輪機末級葉片的需求也在增加。由于核反應堆提供給汽輪機的蒸汽參數(shù)比較低，與火電汽輪機相比，核電汽輪機葉片的排汽面積大?，F(xiàn)有末級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大容量高效率發(fā)展的關鍵。超大核電葉片的開發(fā)，可以提高核電汽輪機的效率，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、葉冠以及進汽側(cè)，而葉身型面只需打磨，不需要機械加工。精鍛葉片可以獲得完整的金屬流線、較細的晶粒度，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加工工時；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→鍛造→數(shù)控型面銑削→精光。其優(yōu)點是坯料韌性好，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的鍛造稱為精密級鍛造。精密級模鍛需對鍛坯進行優(yōu)化設計，合理分配坯料；對制坯及鍛造工藝要求較高。國內(nèi)某些廠家長時間使用該工藝鍛造葉片，因設計過程中對余量的控制及自由鍛制坯對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。該方法對原材料、鍛造加熱及設計要求低，鍛件易成形，但精度低，后續(xù)機加工工時多，材料利用率低。

國內(nèi)有許多科研院校和企業(yè)對普通葉片精鍛工藝、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。

沈陽黎明航空發(fā)動機(集團）有限責任公司的關紅等采用擠桿、鐓頭制坯、預鍛、終鍛成形的工藝方法，實現(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、鍛件的表面狀態(tài)及硬度的檢測，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某航空發(fā)動機壓氣機整流葉片鍛造工藝研究，提出了多段折線分模、設置小方榫頭、預補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。蓋超等對汽輪機葉片模鍛工藝余量設計進行了探討，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計的方法，來解決上述的難題。

上海交通大學的邵勇等研究了精鍛葉片模具三維型面優(yōu)化技術，開發(fā)了模具型面直接補償優(yōu)化設計系統(tǒng)，并對鎳基葉片模具進行了優(yōu)化設計。

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

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

北京航空材料研究院的赫樹本等用試驗方法對復雜形體鈦合金葉片等溫熱校形工藝進行了研究，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鍛造（兩火鍛打兩次）→切邊(1200t壓力機）→加熱→螺旋壓力機校形→葉片砂冷回火。

中航工業(yè)陜西宏遠航空鍛造有限公司和西北工業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)了鈦合金葉片精鍛工藝，在模具上加入止動扣，采取相變點以下20℃的近β鍛造，對大型汽輪機長葉片進行整體鍛造，鍛后只需少量打磨、拋光即可裝機使用。

核電大葉片鍛造特點

圖2所示的是核電大葉片的基本結(jié)構，核電大葉片毛坯屬于長軸板片類鍛件，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，其主要特點有：

圖2 核電大葉片結(jié)構

(1）設備噸位大、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雜。葉根截面積和葉身截面積變化劇烈、長度方向型面面積不等、同一型面厚度不等、葉身扭角大，型面帶凸臺拉筋、葉冠寬等結(jié)構特點，且葉片材料鍛造溫度范圍窄，對工藝參數(shù)敏感，鍛造成形困難。

(3）表面質(zhì)量、發(fā)紋、金相組織、綜合機械性能和金屬流線等要求嚴格。核電汽輪機進汽參數(shù)低，濕蒸汽具有很強的汽蝕性，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格控制，以滿足大葉片嚴苛的工作環(huán)境。

(4）原材料價格昂貴。因核電葉片承受濕蒸汽侵蝕及多種交變應力作用，原材料需具備很強的抗侵蝕和耐應力腐蝕能力、具備高的疲勞強度、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，原材料價格昂貴。

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

核電大葉片制坯技術現(xiàn)狀

大葉片制坯技術對于大葉片成形至關重要，坯料分配的合理性直接關系到葉片最終尺寸精度、組織結(jié)構和性能。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)葉身的截面積來選取：第三種是綜合葉根和葉身的截面尺寸來選取一個合理的坯料。

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，制坯時拔長葉身，葉根不變形且金屬流線呈平行狀。這種制坯方式在國內(nèi)葉片生產(chǎn)廠家普遍存在，多數(shù)采用自由鍛拔長：二是根據(jù)葉身截面來選取原材料，制坯時葉根部分需要鐓粗，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?？紤]葉片的綜合性能，第三種制坯工序為佳。因為在大葉片的整個鍛造過程中，長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，葉根在制坯時沒有變形，只在終鍛時發(fā)生變形，對葉片性能有一定影響。而葉身的拔長系數(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和葉根鐓粗的葉片制坯工藝，葉身拔長則大多采用奧地利GFM公司的程控四錘頭徑向鍛造機（如圖3所示），鐓頭設備一般采用液壓機。程控四錘頭徑向鍛造機適合葉片制坯，但徑向鍛造機造價昂貴，需要進口。為解決鐓頭設備價格昂貴的問題，德國SMS MEER制造了一種新型、經(jīng)濟實用的制坯設備—數(shù)控自由鍛造機，該設備是在常規(guī)自由鍛造壓機的基礎上，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

國內(nèi)企業(yè)與國外企業(yè)相比，在生產(chǎn)、經(jīng)營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)自由鍛設備制坯，難以保證坯料的質(zhì)量和一致性，而且勞動強度大，坯料質(zhì)量取決于鍛工的熟練度。

核電大葉片鍛造技術現(xiàn)狀

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

目前核電大葉片鍛造技術和市場份額主要由國外廠家占據(jù)。奧地利伯樂公司應用31500t液壓螺旋壓力機，21世紀初又新增了一臺35500t離合器式螺旋壓力機，用于大葉片精鍛，設計余量為汽道長度的1/1000，圖4為伯樂公司壓力機的圖片；西屋公司W(wǎng)instonSalem廠采用16000t電動螺旋壓力機和55TM對擊錘以及蒂森公司應用63TM、35TM對擊錘鍛造汽輪機中、大葉片毛坯。21世紀初日本三菱公司自制了25000t液壓螺旋壓力機，用于葉片小余量緊公差鍛造，設計余量為2mm。

圖4 伯樂公司鍛造設備

國內(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，采用小余量緊公差鍛造工藝生產(chǎn)大葉片，占據(jù)國內(nèi)大部分葉片市場。天仟重工有25000t電動螺旋壓力機，可以鍛造50英寸等級的葉片，鍛造工藝是自由鍛制坯+模鍛，鍛造精度為普通級。宏遠航空鍛造公司的設備是16000t電動螺旋壓力機和63TM對擊錘，采用普通級模鍛工藝。

從上面的介紹可以看出，國內(nèi)的葉片鍛造技術相比國外無論是技術上還是設備上，還是相對落后，大多廠家都是普通級模鍛，設計余量和公差都很大，采用自由鍛制坯。

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

核電大葉片鍛造技術存在問題及發(fā)展方向

我國核電建設步伐的加快，帶動了核電大葉片行業(yè)的快速發(fā)展，國內(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。但大葉片鍛造技術的發(fā)展卻相對落后，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，目前國內(nèi)設備還難以滿足葉片鍛造的要求。因此開發(fā)新工藝和新設備是核電葉片鍛造技術研究的重點。

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

(3）葉片在鍛造時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難以解決的問題，葉片的冷校形技術和實時檢測技術是解決這一問題的關鍵。

(4）數(shù)值模擬技術的發(fā)展為大葉片的工藝設計提供了強有力的保證，但目前大多的模擬集中在成形過程的模擬，而對葉片的內(nèi)部組織、動態(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。

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