重型燃气轮机叶片热制造过程多尺度建模仿真解决方案

重型燃气轮机叶片热制造过程多尺度建模仿真解决方案

提纲

1、背景及意义

2、材料基因工程与集成计算材料工程

材料基因工程与集成计算材料工程

高

3、高温合金叶片定向凝固模拟

–数学物理模型

–实验验证

–工程应用实例

4、高温合金叶片热处理模拟

结论

5、结论

1、背景及意义

☐

中国制造

2025

✓

燃气轮机主要包括叶片

☐两机重大专项即将启动

航空发动机和重型燃气轮机，由于其重要性，被称为工业上“皇冠上的明珠”。

航空发动机和重型燃气轮机

✓

涡轮叶片是燃气轮机的核心部件，其工作温度高达1100℃。

战斗机/大飞机/舰船/能源：核心动力装备

燃气轮机的应用

国外

国产航空发动机

战斗机发动机（叶片寿命）数千小时数百小时大飞机发动机（叶片寿命）约2万小时

尚无

主要原因

高温叶片性能差

后果严重制约了国防和航空业的发展。高温叶片

工业燃气轮机

高效大型机组

主要原因

F 级+

G 级+

H 级+J

级

尚无高温叶片技术无法引进

现状

与国外合作生产燃机，但高温叶片制造技术遭到封锁，不能自制。只能以每片数十万元的价格进口用能以每片数十万元的价格进口，用于新机组的制造和老机组的更换。

后果

经济损失巨大、核心技术受制于人

高温叶片

•热端叶片是重型燃气轮机的核心部件，其制造技术主要被发达国家垄断。例如：西门子、通用电气、三菱重工等。国家断例西子通用气菱等

•上气、哈气以及东气分别和上述三家公司合作，想要以市场换技术，但是这些公司采取整机拆装的方式对核心技术严格保密。

•某企业涡轮叶片进口费用占其整台燃气轮机机组利润的50％。进口核心热部件费用是生产成本的主要构成。

•近期主要引进、消化吸收再创新。但是外方封锁了热端叶片制造技术

制造技术。

亟待

亟待掌握掌握具有具有自主知识产权自主知识产权

的定向凝固叶片材料和制备

工艺关键技术！

叶片微观组织的发展

1背景及意义

重型燃气轮机叶片尺寸更大，性能要求

更高，尤其在海洋腐蚀大气的环境中要重燃叶片和航空叶片对比、背景及意义

高尤海气境要

求具有高的耐蚀性能，制备更加困难。

叶片的内部结构的发展经历了从简单到

复杂的过程，从六七十年代的单通道内

部冷却到八九十年代的多通道内部冷却，

再到现在的多通道多路内部冷却。

微观组织的发展经历了从等轴晶、柱状

晶及单晶的发展过程，其中单晶叶片由叶片内部结构的发展

于消除了晶界，严格控制晶粒取向，因

而具有优异的综合性能。

⏹主要采用高速凝固(HRS)技术和液态金属冷却(LMC)技术⏹燃机叶片定向凝固制备中的主要缺陷

⏹不连续柱状晶、断晶，与择优方向的偏角过大，等轴晶（杂晶），露头晶，柱状晶粗大，再结晶等

⏹偏析、雀班、缩松、开裂、变形等

1、背景及意义

合金设计‐材料制备工艺‐微观组织‐力学性能耦合的全过程多尺度计算的研究是当前GI/ICME 的重要发展方向。

算前定向凝固

热处理

感应熔炼、浇注温度、抽拉速率

固溶温度、固溶时间、固溶冷速、时效温度、时效时间

合金设计Casting

Grain microstructure Dendritic microstructure Precipitates

Atoms

0.1‐10mm

50‐500um

10‐1000nm 10‐100Å

0.1‐1m

制备工艺从原子到发动机

微观缺陷

螺旋选晶

枝晶臂间距、共晶相

强化相

界面结构

宏观组织

微观组织

组织力学School of Materials Science and Engineering

高温拉伸、持久、蠕变、疲劳等力学性能

性能

我

们

的

工

作

1、背景及意义

热导率密度

组元固相平衡浓度组元液相平衡浓度组元液相线斜率比热焓潜热液相线固相线杨氏模量泊松比屈服强度塑性模量线膨数

斜组元固相线斜率组元溶质分配系数组元溶质液相扩散系数组元溶质固相扩散系数

线膨胀系数溶质扩散系数

平均扩散系数

提纲

1、背景及意义

2、材料基因工程与集成计算材料工程

材料基因工程与集成计算材料工程

高

3、高温合金叶片定向凝固模拟

–数学物理模型

–实验验证

–工程应用实例

4、高温合金叶片热处理模拟

结论

5、结论

变革研发模式，实行计算—实验—理论—数据科学相融合

实现低耗、高效按需设计材料实现低耗高效按需设计材料

缩短材料研发周期一半，降低研发成本一半

高通量作业

DFT作业设计

化学组成

多尺度

集与

高通量计算驱动引擎

化学组成、

晶体结构、

缺陷及其构型

集成与

算法

序列算法桥 输入文件生成

•工作流生成

标准算法流程、自定义算法流程专家知识

接算法计算

模型

控制参数设置

计算任务生成

有效性校验

•重复性校验

•作业调度

•负载平衡

检错、容错、纠错

数据处理、物性参数与

服役行为分析

验证性应用

数据库及数据关联分析