CN1003844B - 具有混晶结构的燃气轮机叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

用于燃气轮机定向凝固的涡轮叶片的制造工艺，是将盛有熔融金属的铸模以可控方式进行冷却，并以足够缓慢的速度进行冷凝，而定向凝固则开始于型面的端部。对上述的凝固过程进行监控，当叶片根部为熔融金属并开始冷凝时即开始磁性搅动，并加快上述叶片的冷却速率，使其快于定向凝固时的冷却速率。这样就可制造出具有定向凝固的型面和细晶粒根部的涡轮叶片。

Description

具有混晶结构的燃气轮机叶片的制造方法

本发明涉及的是制造用于燃气轮机涡轮叶片的一种工艺过程，其燃气轮机包括航空用涡轮机，船用涡轮机和陆用燃气轮机。为制造定向凝固的涡轮叶片，本发明采用一种两类凝固过程，来制造细晶粒度（非定向凝固）的叶片根部，并在型面部分产生定向凝固结构。

燃气轮机是由高温、高压气体经过涡轮部分的膨胀作用释放出能量的方式来工作的。由气体所驱动的各实际旋转部件是由多种镍基高级合金制造的，一般称为叶片。如图1所示，叶片是由型面（由炽热气体所驱动）和由机加工做出的＊根（与涡轮转子相接）构成。由卡诺循环的特性可知，燃气轮机在较高温度的气体作用下工作更为有效，因此对叶片材质就产生了要能经受高温的要求。就航空发动机和陆基涡轮发电机来讲，涡轮叶片产生的机械断裂主要根由是来自于热疲劳和缺少蠕变断裂阻力。这两个问题可通过消除晶界应力的办法予以缓解，因此，已知的单晶及定向凝固叶片显示出极其良好的高温强度。

若大晶粒尺寸可以改善很高温度状态下所要求的某些特性，则在低温下的某些机械特性要求较小的晶粒尺寸来预以改善。具体讲，涡轮叶片的根部可以认为是在比型面所处温度要低的情况下运转的，实质上是经受着疲劳载荷。因此，叶片型面和根部的最佳结构是完全不同的，在常规型面中，应当允许在上述部分的某一方面有所兼顾。如果采用定向凝固的型面和细晶粒根部的方式形成叶片的混晶结构，就可以得到其最佳特性。

在美国专利4184900号的说明书中，采用两种不同的定向凝固过程，使型面和根部得到不同的特性。在美国专利3790303号说明书中，则采用一种共晶合金来制造混晶涡轮叶片（动叶片），这种叶片的型面为定向凝固，而它的根部为非定向结构，其共晶体组织可避免结构的不均匀性，这种不均匀性如果在采用非共晶成份的方法中就会出现。

根据本发明，为这种类型的燃气轮机制造定向凝固的涡轮叶片的工艺过程，是将盛有熔融金属的铸模以一种可控方式冷却的，这样，其凝结过程就可足够缓慢，使定向凝固从型面的端部开始，而其特点在于下述几步：即监控上述的凝固过程;约在叶片根部开始凝固时进行熔融金属的磁性搅动;然后加快上述叶片的冷却速率，使其快于定向凝固时的冷却速率，从而制造出一种具有定向凝固的型面和细晶粒的根部，且在其型面和根部的交接处基本上没有不均匀部分的叶片。

恰当地讲，本发明的是使这种涡轮叶片具有混合晶粒结构，而且能用非共晶成份的合金制造，其型面部分为定向凝固，而根部则具有细晶粒非定向凝固的结构。

这种工艺以监控凝固过程的方法，以足够低的速率进行凝固，从而使定向凝固从型面的端部开始。当这种凝固到达型面和根部的交接处时，即开始磁性搅动以消除正在凝固部分的不均匀区域。然后加速冷却使其冷却速率快于定向凝固时的冷却速率。这样，就可制造出具有定向凝固的型面部份和细晶粒的根部，且在其型面和根部的交接处基本上没有不均匀结构的叶片。

现在举例说明本发明，并参见所示的下列附图：

图1示出一个具有型面和根部的典型涡轮叶片;

图2示出的3张系列图形说明了在凝固过程中的熔质浓度段，以及由于凝固速率的增加而出现的不均匀现象;和

图3示出从熔炉中通过控制取得定向凝固的方法。

在制造定向凝固型面和细晶粒根部叶片的先有技术中，对非共晶合金而言是不能实现的，因为在其型面和根部的交接处将会产生严重的混合不均匀现象。如图2所示，如制造具有定向凝固的型面和细晶粒根部的叶片，且其型面处在定向凝固的导热条件下（即结晶速率低，热梯度高），而其根部则具有加快的结晶速率以实现根部凝固，于是便会发现在结晶速率发生变化时，在凝固的那一区域，在熔质浓度上会有一明显的增加（图2C曲线左段的凸起部）。通常用作燃气轮机叶片的大多数镍基高级合金是非共晶的。在这种叶片中，上述结构上的不均匀性必然会产生机械特性很差的区域。应注意到即使是先从根部凝固，这种结构上的不均匀区域仍将存在。

为使定向凝固的型面与细晶粒根部结构的结合处这一区域里，避免上述的结构不均匀区域问题，本发明是利用磁性搅动来消除这一区域的。这种磁性搅动在相对均匀且为熔融的根部，进行熔质浓度段的搅动，从而避免了在结构上的任何显著变化。

磁性搅动是基于这样一种原理，即一横放在磁场中的导电体可以感应出一个力，这个力垂直于含有电流向量和磁场向量的平面，如该导体为液体，则这个力就会产生剪切和搅动效果。举例讲，磁性搅动已经在连续浇铸中用到，如由阿克塞尔·冯·斯塔克（Axel von starck）等人发明，于1981年3月17日公告的美国专利第4256165号中所说明的那样。

本发明利用磁性搅动来重新分布在定向凝固的型面凝固之前所具有的熔质浓度，从而在增加冷却速率时便在叶片的根部产生所要求的细晶粒结构，以防止产生不均匀性。

举例讲，定向凝固可如图3所示而予以实现;其凝固是从一铜铸模基板开始的，并通过把该基板和铸模缓慢地从熔炉的炽热区移出来实现可控凝固。在这里叶片的根部位于上方，而型面则首先从熔炉中移出。通过加快撤出速度可实现较快的凝固。为能在叶片根部产生均匀的细晶粒结构，磁性搅动基本上应与结晶速率的增加同时开始。这样，凝固将首先从型面开始，而其结晶是在以相对缓慢地撤出条件下形成的。由于铸模的移出，前凝固面到达型面-根部的交接处。在此处将加快硬模移出速率，使其比上述定向凝固时的移出速率更快，并开始磁性搅动（与移出速率增加的同时或先于它进行）。磁性搅动是由电流流经液态熔质及磁性线圈系统以便产生所需要的磁场而进行工作的。在这种状态下，凝固的速度越快，晶粒越细，等轴晶粒越多，由于较快地移出硬模和通流强制磁性搅动，晶粒结构较之自然对流结晶要好。以这种方式，可使熔质组成在进入交接处之前已经分散在溶液中，并产生更加均匀的化学构成。

用这种方法，实际上是利用非共晶合金，能够制造出具有定向凝固结构型面的（这里用到的定向凝固这一术语包括了单晶结构），而根部具有细晶粒结构的燃气轮机叶片，且在凝结速率增加的区域（即在型面-根部的交接处）不会形成熔质的纯合成物夹层。

当然，控制冷凝速率的上述特殊结构配置和方法，以及可产生磁性搅动的结构配置仅是范例，还可以使用其它的定向凝固和磁性搅动方法。

Claims (1)

1、一种具有混晶结构的燃气轮机叶片的制造方法，该方法包括以下步骤：①将盛有熔融金属的叶片铸模缓慢地从熔炉的炽热区移出，先移出叶片的叶型部分使定向凝固从叶型端面开始，其特征在于步骤②即当凝固面达到叶型与叶根的交接处时，加快铸模的移出速度并且同时开始磁性搅动。