核电汽轮机大叶片锻造生产技术现状

文/林锦棠·天仟重工有限公司

贺小毛，蒋鹏·北京机电研究所

核电汽轮机大叶片锻造生产技术现状

文/林锦棠·天仟重工有限公司

贺小毛，蒋鹏·北京机电研究所

林锦棠，总工程师/副总经理，研究员级高工，主要从事大型叶片锻造—热处理工作，主持或参加项目(课题）曾获国家科委科技进步二等奖，省部级科技进步二、三等奖等。享受政府特殊津贴。

21世纪以来，随着世界经济的复苏和发展，对电力和能源的消耗也越来也多，伴随而来的是越来越严重的环境污染危机。作为清洁能源的核电，其环保优势明显。经过福岛核电危机后多年的技术发展，核电的安全性、可靠性得到了进一步提高。世界核电的发展开始进入复苏期，世界各国都制定了积极的核电发展规划。

2014年我国发布的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中指出要安全发展核电。在采用国际最高安全标准、确保安全的前提下，适时在东部沿海地区启动新的核电项目建设，研究论证内陆核电建设。到2020年，我国核电装机容量达到5800万千瓦，在建容量达到3000万千瓦以上。时隔多年，2015年核电正式重启，金沙江乌东德水电站、广西防城港红沙核电二期工程“华龙一号”三代核电技术示范机组和江苏连云港田湾核电站扩建工程项目等多个项目获国务院核准、开建和投产，进入一个发展的高峰期。图1是我国三门核电站1号机组低压缸转子。

图1 三门核电站1号机组低压缸转子

随着核电的快速发展，对核电汽轮机末级叶片的需求也在增加。由于核反应堆提供给汽轮机的蒸汽参数比较低，与火电汽轮机相比，核电汽轮机叶片的排汽面积大。现有末级叶片排汽面积的不足将造成巨大的排汽损失，因此开发制造更大排汽面积的超大叶片是核电汽轮机大容量高效率发展的关键。超大核电叶片的开发，可以提高核电汽轮机的效率，也为叶片的生产加工提出了很大的挑战。

普通叶片锻造技术现状

根据叶片叶身型面单边加工余量大小，叶片锻造加工的方法可分为四种：

(1）型面单边加工余量为0.5～1.5mm的锻造称为精锻。精锻叶片只需要加工叶根、凸台、叶冠以及进汽侧，而叶身型面只需打磨，不需要机械加工。精锻叶片可以获得完整的金属流线、较细的晶粒度，从而获得良好的组织性能，精锻叶片可以提高材料利用率和降低机加工工时；精锻叶片要求原材料表面质量高、下料精确、锻造加热要做到少无氧化；坯料分配精确、制坯要求高。

(2）型面单边余量为1～2mm、公差带为0～2mm的锻造称为小余量锻造。一般工艺流程为镦头→拔长→锻造→数控型面铣削→精光。其优点是坯料韧性好，制坯效率较高，材料利用率比普通锻造高。

(3）型面单边余量为3～3.5mm、公差带为0～3mm的锻造称为精密级锻造。精密级模锻需对锻坯进行优化设计，合理分配坯料；对制坯及锻造工艺要求较高。国内某些厂家长时间使用该工艺锻造叶片，因设计过程中对余量的控制及自由锻制坯对坯料尺寸的控制均存在问题，造成锻件质量不太理想。

(4）型面单边余量在4.5～6mm，公差带为0～4.5mm的锻造方法称为普通锻造。一般采用自由锻制坯。该方法对原材料、锻造加热及设计要求低，锻件易成形，但精度低，后续机加工工时多，材料利用率低。

国内有许多科研院校和企业对普通叶片精锻工艺、叶片锻件余量、叶片锻造过程的缺陷控制以及如何获得叶片内在优良的综合性能等开展了许多研究工作。

沈阳黎明航空发动机(集团）有限责任公司的关红等采用挤杆、镦头制坯、预锻、终锻成形的工艺方法，实现了叶片单面余量（0.5±0.2）mm的精密成形；通过变形温度、变形程度对锻件组织性能影响的研究，确定了最佳热工艺参数.通过热处理工艺试验、锻件的表面状态及硬度的检测，确定了热处理工艺参数和冷却方式。

海军驻株洲某军代室的余继华等对某航空发动机压气机整流叶片锻造工艺研究，提出了多段折线分模、设置小方榫头、预补偿叶型厚度等解决措施，绘制了锻件图样、制作了锻造模具，并编制了锻造工艺。盖超等对汽轮机叶片模锻工艺余量设计进行了探讨，从锻造工艺出发，分析了叶片材料在锻造成形过程中变形的规律后，得出更为合理的余量设计的方法，来解决上述的难题。

上海交通大学的邵勇等研究了精锻叶片模具三维型面优化技术，开发了模具型面直接补偿优化设计系统，并对镍基叶片模具进行了优化设计。

西北工业大学的汪宇等研究带阻尼台叶片精锻过程卸载冷却对形状偏差的影响，研究得到了带阻尼台叶片精锻过程卸载冷却对叶片形状偏差的影响规律。

西安陕鼓动力股份有限公司的尚飞虎、赵俊伟等对叶片成形过程出现的缺陷及成因进行了分析。

北京航空材料研究院的赫树本等用试验方法对复杂形体钛合金叶片等温热校形工艺进行了研究，制定了热校形效果的最佳工艺条件。

无锡透平叶片有限公司采用精锻工艺生产Q1050L叶片，工艺流程为：中、高温电炉加热→750kg空气锤制坯→11200t离合器式螺旋压力机锻造（两火锻打两次）→切边(1200t压力机）→加热→螺旋压力机校形→叶片砂冷回火。

中航工业陕西宏远航空锻造有限公司和西北工业大学联合开发了钛合金叶片精锻工艺，在模具上加入止动扣，采取相变点以下20℃的近β锻造，对大型汽轮机长叶片进行整体锻造，锻后只需少量打磨、抛光即可装机使用。

核电大叶片锻造特点

图2所示的是核电大叶片的基本结构，核电大叶片毛坯属于长轴板片类锻件，因叶片锻件叶根和叶身截面和各型面截面变化剧烈、同一截面厚度尺寸变化极大、叶片扭角大，属于最难锻造的锻件之一，其主要特点有：

图2 核电大叶片结构

(1）设备吨位大、力能要求高。因核电大叶片的排汽面积比普通火电的要大近一倍，叶片材料一般为高合金不锈钢，变形抗力大，变形由棒料锻造成为薄片，变形程度大，这些因素造成锻造所需的锻造力大，能量高。

(2）成形难度大因叶片形状很复杂。叶根截面积和叶身截面积变化剧烈、长度方向型面面积不等、同一型面厚度不等、叶身扭角大，型面带凸台拉筋、叶冠宽等结构特点，且叶片材料锻造温度范围窄，对工艺参数敏感，锻造成形困难。

(3）表面质量、发纹、金相组织、综合机械性能和金属流线等要求严格。核电汽轮机进汽参数低，湿蒸汽具有很强的汽蚀性，工作过程中需要抵御冲击侵蚀、缝隙侵蚀和冲刷侵蚀，因此对叶片锻件的表面质量、内部组织、金属流线和发纹分布都要求十分严格，需要制定最优的锻造工艺，如采用无氧化加热，其中加热温度、加热次数、锻造温度及热处理工艺等要严格控制，以满足大叶片严苛的工作环境。

(4）原材料价格昂贵。因核电叶片承受湿蒸汽侵蚀及多种交变应力作用，原材料需具备很强的抗侵蚀和耐应力腐蚀能力、具备高的疲劳强度、断裂韧性以及良好的塑性，因此原材料为合金化程度很高的不锈钢、镍基合金和钛合金等，原材料价格昂贵。

(5）品种规格多、批量相对较小。每种型号汽轮机需要叶片数量不多，但规格分类较多。

核电大叶片制坯技术现状

大叶片制坯技术对于大叶片成形至关重要，坯料分配的合理性直接关系到叶片最终尺寸精度、组织结构和性能。叶片坯料尺寸的选择有三种方法：第一是根据叶根的最大截面积来选取：第二种是根据叶身的截面积来选取：第三种是综合叶根和叶身的截面尺寸来选取一个合理的坯料。

根据这三种坯料选择的方式，大叶片制坯的方式也有三种。一是根据叶身截面选取原材料，制坯时拔长叶身，叶根不变形且金属流线呈平行状。这种制坯方式在国内叶片生产厂家普遍存在，多数采用自由锻拔长：二是根据叶身截面来选取原材料，制坯时叶根部分需要镦粗，金属流线呈蒜头形：三是综合考虑叶身和叶根的截面，叶根需要镦粗而叶身需要拔长。考虑叶片的综合性能，第三种制坯工序为佳。因为在大叶片的整个锻造过程中，长度方向的变形基本上都在制坯工序中完成，若以叶根截面选取棒料直径，叶根在制坯时没有变形，只在终锻时发生变形，对叶片性能有一定影响。而叶身的拔长系数过大，容易在叶冠部分形成锁孔，折叠等缺陷。采用叶根镦头和叶身拔长的制坯工艺，可以保证叶根、叶身都有足够的变形量，从而保证叶片的整体综合性能。

目前世界上主要的大叶片制造公司一般采用第三种叶身拔长和叶根镦粗的叶片制坯工艺，叶身拔长则大多采用奥地利GFM公司的程控四锤头径向锻造机（如图3所示），镦头设备一般采用液压机。程控四锤头径向锻造机适合叶片制坯，但径向锻造机造价昂贵，需要进口。为解决镦头设备价格昂贵的问题，德国SMS MEER制造了一种新型、经济实用的制坯设备—数控自由锻造机，该设备是在常规自由锻造压机的基础上，增加了数控装置，减少了人为控制因素，在一定程度上提高了制坯质量。

图3 GFM RF100型径向锻造机

国内企业与国外企业相比，在生产、经营及管理理念上还有很大的差距，一直以来均采用低廉的常规自由锻设备制坯，难以保证坯料的质量和一致性，而且劳动强度大，坯料质量取决于锻工的熟练度。

核电大叶片锻造技术现状

近年来核电常规岛汽轮机叶片发展很快，国内上汽、东汽和哈汽均研发汽道长度为1800级的长叶片。根据汽轮机叶片的出汽侧汽道长度进行分类：长度＜500mm属于小叶片；长度500～1000mm属于中叶片；长度1000～1500mm属于大叶片；长度1500～1880mm属于特大叶片；长度＞1880mm属于超大叶片。

目前核电大叶片锻造技术和市场份额主要由国外厂家占据。奥地利伯乐公司应用31500t液压螺旋压力机，21世纪初又新增了一台35500t离合器式螺旋压力机，用于大叶片精锻，设计余量为汽道长度的1/1000，图4为伯乐公司压力机的图片；西屋公司WinstonSalem厂采用16000t电动螺旋压力机和55TM对击锤以及蒂森公司应用63TM、35TM对击锤锻造汽轮机中、大叶片毛坯。21世纪初日本三菱公司自制了25000t液压螺旋压力机，用于叶片小余量紧公差锻造，设计余量为2mm。

图4 伯乐公司锻造设备

国内的主要叶片厂家有无锡透平叶片有限公司，拥有35500t离合器式螺旋压力机，采用小余量紧公差锻造工艺生产大叶片，占据国内大部分叶片市场。天仟重工有25000t电动螺旋压力机，可以锻造50英寸等级的叶片，锻造工艺是自由锻制坯+模锻，锻造精度为普通级。宏远航空锻造公司的设备是16000t电动螺旋压力机和63TM对击锤，采用普通级模锻工艺。

从上面的介绍可以看出，国内的叶片锻造技术相比国外无论是技术上还是设备上，还是相对落后，大多厂家都是普通级模锻，设计余量和公差都很大，采用自由锻制坯。

对于67英寸（1700mm）以上叶片，在2011年以前，国内还没有生产67英寸以上特大型叶片的能力，完全依赖进口。2011年6月，无锡透平叶片公司花巨资引进的35500t螺旋压力机投产，并成功生产了67英寸核电用大叶片才实现了国产化。随着第三代核电的研发，大容量高效率核电汽轮机的发展，末级动叶片的尺寸也在增加，现在70英寸级叶片已经设计完成并投入使用。目前世界上能够生产70英寸级叶片的厂家除了奥地利的伯乐公司，只有国内无锡透平叶片有限公司试制过。

核电大叶片锻造技术存在问题及发展方向

我国核电建设步伐的加快，带动了核电大叶片行业的快速发展，国内骨干企业已经逐步具备了全新产品的开发能力。但大叶片锻造技术的发展却相对落后，存在着许多亟待解决的问题。

（1）大叶片的锻造余量及公差偏大，由于核电大叶片排汽面积很大，采用整体模锻所需要的锻造力也很大，目前国内设备还难以满足叶片锻造的要求。因此开发新工艺和新设备是核电叶片锻造技术研究的重点。

(2）叶片坯料质量的好坏决定了最终叶片的质量，国内大多还采用自由锻制坯，坯料的质量难以保证，研发新的制坯设备和制坯工艺也是核电叶片锻造技术的重点。

(3）叶片在锻造时的弹性回弹以及在冷却、热处理过程的扭矩和型面变形是一个难以解决的问题，叶片的冷校形技术和实时检测技术是解决这一问题的关键。

(4）数值模拟技术的发展为大叶片的工艺设计提供了强有力的保证，但目前大多的模拟集中在成形过程的模拟，而对叶片的内部组织、动态再结晶及晶粒形态等在锻造过程中模拟将成为发展热点。

（5）CAD造型、CAPP工艺编制、CAM程序、锻造过程仿真等集成程度低，基于知识工程和互联的设计思想促使叶片锻造技术设计向智能化方向发展。