CN101235449A - 涉及高强度耐腐蚀钛合金的方法和制品 - Google Patents

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Abstract

一种处理含钛合金的制品的方法，该钛合金含5－6.5重量％的铝；1.5－2.5重量％的锡；1.5－2.5重量％的铬；1.5－2.5重量％的钼；1.5－2.5重量％的锆以及钛。该方法包括热处理钛合金但不对该钛合金进行β退火工艺。还公开了一种制品，该制品经受过不包括β退火的热处理工艺。

Description

涉及高强度耐腐蚀钛合金的方法和制品
技术领域
本发明涉及包含钛合金的方法和制品。这些制品可适用于轮机，尤其是汽轮机，且尤其涉及适用于轮机叶片、优选长叶片的钛合金(已知为Ti-62222)。这种钛合金要求一种非传统热处理。
背景技术
优化汽轮机中末级叶片的性能是必要的。汽轮机的末级可为最高负荷级且可贡献轮机总输出的约10％。会认识到的是，末级叶片经受宽范围的气流、压力、负荷以及强动力。叶片的材质以及其他因素均可以影响其性能。
长汽轮机叶片通常在轮机低压部分的尾部并优选轻质。叶片的重量通常增加加载在转子附件区域的离心力。这些牵引负荷会超过转子合金的抗张强度且可以导致转子的损坏。已经使用了钛合金(如Ti-6-4)，因为这些合金的密度可为钢合金密度的1/3左右。
当轮机叶片的长度大于45英寸时，钛叶片的重量能足够大以致超过钛本身的屈服强度。这可能导致叶片在根部变形。因此，针对上述长度，优选轻质且高强度的钛合金。
此外，在低压部分的尾部，蒸汽可具有很大的湿度，这会在紧接在末级之前的固定机翼上凝结。然后这些凝结的液滴会高速释放至旋转的叶片上。与旋转叶片的碰撞可能造成叶片前缘的侵蚀。该叶片材质优选抗水滴。
发明内容
在本发明的一实施方式中，公开了一种处理含钛合金的制品的方法。该钛合金包括：5-6.5重量％的铝；1.5-2.5重量％的锡；1.5-2.5重量％的铬；1.5-2.5重量％的钼；1.5-2.5重量％的锆；以及钛。该方法包括以下步骤：将钛合金置于1500-1800温度范围的锻造初始温度；将该钛合金置于1550-1850温度范围的α-β退火艺；并且将该钛合金置于800-1000温度范围的时效工艺中1-24小时。该方法不包括将该钛合金置于β退火工艺中。
在本发明的另一实施方式中，有一种制品，其包括5.25-6.25重量％的铝；1.75-2.25重量％的锡；1.75-2.25重量％的铬；1.75-2.25重量％的钼；1.75-2.25重量％的锆；0.1-0.2重量％的硅；0-0.15重量％的铁；0-0.08重量％的碳；0-0.15重量％的氧；0-0.05重量％的氮；0-0.015重量％的氢；以及钛。可对可以是轮机叶片的该制品进行不包括β退火的热处理。
附图说明
图1图示了本发明具体实施方式所述的汽轮机叶片。
图2是沿图1中II-II线的剖面图。
图3图示了本发明具体实施方式所述的汽轮机叶片。
图4图示了本发明具体实施方式所述的汽轮机叶片。
图5图示了经过三重和晶粒细化工艺处理的钛合金的晶粒结构。
图6为介绍几种合金的相对抗腐蚀性的图。
具体实施方式
目前，对于更长的末级叶片，汽轮机制造商一般采用合金Ti-64。也对其他钛合金，包括美国专利申请号No.10/919,435中所列出的那些合金进行了研究。一般而言，Ti-6-4可以相对容易地锻造成机翼形状。Ti-6-4在室温下的屈服强度一般约为90000psi。这能很好地满足长度小于45英寸的叶片的需要。
Ti-6-4可能不具有支撑汽轮机以3000-3600rpm旋转时的自身离心负荷的强度。该合金也可能具有由于水滴腐蚀的非常一般的抗性而导致的问题。为此，人们已试图提高这种材料的抗水滴腐蚀性。这包括通过渗氮(例如美国专利号4,942,059以及5,366,345)硬化末梢(这一般为最易受影响的)，添加由其他合金如斯特来特硬质合金或碳化钛(例如，美国专利号5,183,390，4,842,663，3,561,886以及4,795,313)制备的防蚀壳层。
图1和图2图示了低压汽轮机中的最后几排叶片之一中的叶片1。和传统的一样，该叶片1包括机翼部分2和根部3。该根部3用于将叶片1连接至蒸汽机的转子。机翼2曝露于流过轮机的蒸汽，其用于从旋转转子所需的蒸汽中抽吸能量。如图1所示，机翼2包含前缘部分4，后缘部分5以及位于前缘和后缘部分之间并与其各自连接的中心部分9。该机翼2具有尖端部分6和平台7，平台7用作机翼与与根部3的连接点。
水滴可在流过低压汽轮机的最低压部分的蒸汽中形成。这些水滴在蒸汽流中输送，且由于离心力，水滴可以向外向叶片尖端迁移。水滴可能对叶片机翼2的尖端部分6附近的叶片机翼2的后缘5产生有害的腐蚀。
参考附图3和4，通常将本发明具体实施方式中的叶片标记为10，且该叶片具有连接于指状楔形榫头14的根部12以连接轮机的轮子，未示出。叶片10也包括具有放射状凸出的阶梯凸榫18和20的尖端16以容纳内部和外部盖子。在叶片的中间点附近有装配部件22，其上有孔40以容纳叶片中点附近的捆扎钢丝用于结构阻尼。揳形榫头14在其对面轴末端与沿其对边相应的圆周开孔凹槽之间可具有圆周凸出部分。这可以使指状楔形榫头一个套入另一个内从而适应指状楔形榫头附近的叶片根部12的极限曲率。除了图1-4中所介绍的具体实施方式之外，在本发明的某些具体实施方式中的叶片其他外形(包括其任一部件)均可实施。
图3和4介绍一种典型的后级蒸汽轮机叶片，该叶片长度可能超过45英寸。一般的，增加叶片长度可以提高效率。这种叶片的设计由具有结节的中部翼展和尖端盖支撑。所有的这两个特征使得在运行期间与邻近的叶片相接触并提供共同支撑。轴向入口楔形榫头为叶片连接转子之处。一般可见该区域的应力最高且与转子中的钢相接触。因此，这一区域会需要高强度的材质。紧接楔形榫头的上部，在机翼的初始端，叶片的边缘通常遭受交复的应力，因此，可能需要良好的低周疲劳抗性和高周疲劳抗性。此外，轮机叶片一般可具有良好的结构韧度以避免过早失效。
根据本发明的一个实施方式，有一种合金，其具有6重量％的铝(Al)，2重量％的铬(Cr)，2重量％的锡(Sn)，2重量％的锆(Zr)，2重量％的钼(Mo)，以及余量的钛(Ti)。也可包含最高0.25重量％的硅(Si)，以及其他元素，如铁(Fe)，碳(C)，氧(O)，氮(N)和/或氢(H)。
根据本发明优选的一个实施方式，钛合金优选包含5-6.5重量％及之间的全部子范围的铝，其中更优选5.25-6.25重量％及之间的全部子范围的铝，且其中最优选6.04重量％的铝。钛合金优选包含1.5-2.5重量％及之间的全部子范围的锡，其中更优选1.75-2.25重量％及之间的全部子范围的锡，且其中最优选1.99重量％的锡。钛合金优选包含1.5-2.5重量％及之间全部子范围的铬，更优选包含1.75-2.25重量％及之间全部子范围的铬，最优选1.93重量％的铬。钛合金优选含1.5-2.5重量％及之间全部子范围的钼，更优选1.75-2.25重量％及之间全部子范围的钼，最优选1.99重量％的钼。钛合金优选包含1.5-2.5重量％及之间的全部子范围的锆，其中更优选1.75-2.25重量％及之间的全部子范围的锆，且其中最优选2.00重量％的锆。任选地，钛合金也可优选包含0.05-0.25重量％及之间的全部子范围的硅，其中更优选0.1-0.2重量％及之间的全部子范围的硅，且其中最优选0.15重量％的铝。任选地，钛合金可包含另外的元素。例如，该合金可含最高0.25重量％，更优选最高0.15重量％(以及之间的全部子范围)的铁；最高0.15重量％，更优选最高0.08重量％(以及之间的全部子范围)的碳；最高0.25重量％，更优选最高0.15重量％(以及之间的全部子范围)的氧；最高0.1重量％，更优选最高0.05重量％(以及之间的全部子范围)的氮；和/或最高0.025重量％，更优选最高0.015重量％(以及之间的全部子范围)的氢。最优选的，该钛合金包含0.09重量％的铁，0.01重量％的碳，0.11重量％的氧，0.004重量％的氮，0.0005重量％的氢。钛合金的余量为钛。
这类钛合金(有时称为：Ti-62222或Ti-6Al-2Cr-2Mo-2Zr-2Sn)的一个用途在1970年代得到了开发以及有时已考虑可将这种合金作为F-22战斗机的机身结构合金。对这种合金的热处理工艺已知为“三重”热处理工艺。其步骤(连同本发明具体实施方式中的“细化晶粒”热处理工艺一起)示于表1。
  工艺步骤   三重工艺   细化晶粒工艺
  锻造开始温度   1650   1650
  β退火   1830
  α-β退火   1700，水淬   1700，水淬
  时效8小时   1000，空冷   1000，空冷
表1：三重处理以及细化晶粒处理的工艺步骤
对于Ti-62222，这种三重热处理工艺可以为机身结构提供良好的强度和良好的断裂韧度。但是由于汽轮机叶片存在差异，因此需要对工艺进行改良。
在一实施方式中，本发明对Ti-62222采用热处理工艺以制备细晶粒尺寸，这可为这一应用提供正确的性能平衡。这就是细化晶粒热处理工艺且该工艺的优选实施方式列于表1。差别在于不需β退火步骤。β退火步骤的省略在微观结构上会产生如图5所示的显著差异，以及如下表2所示的在性能上的提高。
根据本发明的一实施方式，将钛合金置于优选为1500-1800温度范围及之间所有子范围的锻造初始温度，更优选1600-1700及之间所有子范围，最优选1650。将该钛合金不置于β退火步骤中，将其置于1550-1850温度范围及之间所有子范围的α-β退火工艺，更优选1650-1750及之间所有子范围，最优选1700。该α-β退火工艺步骤优选包括水淬。在α-β退火工艺步骤之后，将钛合金置于800-1200温度及之间所有子范围范围的时效工艺中，更优选900-1100及之间所有子范围，最优选1000。时效处理的时间范围优选1-24小时及之间所有子范围，优选6-10小时及之间所有子范围，最优选8小时。
将测试叶片加工成如图1所示的叶片状。初始材料的组分如下：6.04重量％的Al；1.99重量％的Sn；1.93重量％的Cr；1.99重量％的Mo；2.00重量％的Zr；0.15重量％的Si；0.09重量％的Fe；0.01重量％的C；0.11重量％的O；0.004重量％的N；0.005重量％的H；余量钛。锻造在封闭的铸模中进行。锻造和热处理工艺的温度在表1中列作“三重”工艺。因为汽轮机叶片的要求包括良好的抗疲劳性，因此也试验了不同的热处理工艺。这在表1中称为“细化晶粒”工艺。在一些应用中，细化晶粒可以强化抗疲劳性。
表2列出了由三重热处理工艺和细化晶粒工艺所获得的机械性能。在某些特定条件下，后级汽轮机叶片可在高达400下运行。因此，也在400测量抗张性能。断裂韧度和疲劳性能在该温度下也可维持原状或更好，因此，这些性能仅在室温下测量。
  性能   三重工艺   细化晶粒工艺
  室温时的抗张强度，ksi   158   155
  室温时的0.2％屈服强度，ksi   140   140
  室温时的伸长百分率   9   15
  室温时的面积收缩百分率   15   42
  室温时的断裂韧度Klc(ksi平方英寸)   94   67
  硬度   35   35
  洛氏硬度C标
  400时的抗张强度，ksi   131   132
  400时的0.2％屈服强度，ksi   104   104
  400时的伸长百分率   17   11
  400时的面积收缩百分率   22   48
  室温时的高周疲劳(循环数)   190K   1.7M
  低周疲劳循环数(1％应变范围室温)   12K   69K
RT-室温，一般为75
K-千次循环
ksi-1000磅/平方英寸
M-百万次循环
表2：根据本发明优选实施方式采用三重工艺和细化晶粒工艺进行处理的钛合金的性能比较。
从表2可以看出，对于两种工艺在两种温度下其抗张强度和屈服强度均几乎相等。晶粒细化工艺的伸长百分率和面积收缩百分率显然更好。对于三重工艺其在室温下的断裂韧度稍高，但晶粒细化工艺也具有很好的断裂韧度且与传统使用的合金Ti-6-4性能相当或更好。由高频振动造成的高周疲劳(HCF)一般成倍增加每分钟的旋转数(例如，美国为3600，在大多数其他国家为3000)。用50ksi的中值应力以及55ksi的交替应力进行HCF测试。这些可以代表汽轮机叶片的最恶劣的条件。采用45Hz的测试频率的原因不是因为在商业运行中叶片一般采用该频率，而是因为那是可以在疲劳测试机上测试的最高频率。据认为，测试频率不会显著影响结果。相反的，据认为循环次数是相对更重要的测试标准。
晶粒细化工艺表明失效的循环次数提高几乎10倍。低周疲劳(LCF)仅在启动和停止时发生。其产生是因为在这些时期叶片经受了负荷的瞬变。在许多商业应用中，汽轮机可能不会经历许多启动和停止。在1％的高应力范围进行保守试验，这可以认为是比一般蒸汽机中所通常产生的情况都好。可以看出细化晶粒工艺超过三重工艺的5倍。
图5显示了采用三重和细化晶粒工艺处理的钛合金的晶粒结构。可以看出，三重工艺的晶粒直径为细化晶粒工艺的晶粒直径的10倍。
图6是几种合金相对抗腐蚀性的图表。斯特来特硬质合金6B为钴基合金，在现有技术中将其用作防蚀壳层，该壳层物理连接于叶片前缘。T-6-4是用于长度小45英寸的蒸汽机叶片通用钛合金。Ti6Q2(β)是一种按本发明实施方式所述的合金，用于表1所列的β工艺或三重热处理工艺中。Ti6Q2(α/β)为这种合金经过α-β或晶粒细化加工后的形式。在实验室测试中，在水滴腐蚀的加速条件下进行该腐蚀试验。
图6提供了抗腐蚀性(或金属容积损失)的相对比较。该测试已被校准至叶片的腐蚀速率，且认为对于相对评定是有效的。可以看出，经过三重工艺处理的合金与斯特来特硬质合金相比材料容积损失很大。其甚至比传统用的Ti-6-4合金更大。但是，经过细化晶粒工艺处理的合金在容积损失量上与斯特来特硬质合金6B较为接近。这表明，通过适当的设计控制，采用细化晶粒工艺用这种材料制备长的钛合金叶片是可能的，这种钛合金叶片不需任何独立连接的斯特来特硬质合金或其他壳层。这表明能显著降低成本以及减小分离的风险。
可以看出，对于本发明中的合金，这种细化晶粒工艺可以达到长(即大于45英寸)蒸汽机叶片的目标和要求。
虽然描述的是长蒸汽机叶片，其也可用于其他蒸汽机叶片(例如，飞行器发动机中的轮机叶片)，在其中轻质、高强度和/高抗疲劳性是有益的。
全部描述和要求的数字量和范围均为近似值，因此包括一定程度的偏离。
虽然本发明是根据目前认为最实用和优选的实施方式进行描述的，但是应该理解的是，本发明并不限于所公开的具体实施方式，且相反的，可以涵盖各种包含于附加权利要求的范围和主旨的修改和等效的组合。

Claims (10)

1、一种处理含钛合金的制品的方法，该方法包括以下步骤：
将钛合金置于1500-1800温度范围的锻造初始温度；
将该钛合金置于1550-1850温度范围的α-β退火工艺；
将该钛合金置于800-1000温度范围的时效工艺中1-24小时；
其中，该方法不包括包括将该钛合金置于β退火工艺中的方法步骤；且
其中该钛合金包含：
5-6.5重量％的铝；
1.5-2.5重量％的锡；
1.5-2.5重量％的铬；
1.5-2.5重量％的钼；
1.5-2.5重量％的锆；以及
钛。
2、根据权利要求1所述的方法，其中钛合金包含：
5.25-6.25重量％的铝；
1.75-2.25重量％的锡；
1.75-2.25重量％的铬；
1.75-2.25重量％的钼；
1.75-2.25重量％的锆；以及
钛。
3、根据权利要求2所述的方法，其中钛合金进一步包含：
0.05-0.25重量％的硅；
0-0.25重量％的铁；
0-0.15重量％的碳；
0-0.25重量％的氧；
0-0.1重量％的氮；以及
0-0.025重量％的氢。
4、根据权利要求3所述的方法，其中钛合金进一步包含：
0.1-0.2重量％的硅；
0-0.15重量％的铁；
0-0.08重量％的碳；
0-0.15重量％的氧；
0-0.05重量％的氮；以及
0-0.015重量％的氢。
5、根据权利要求2所述的方法，包括下列步骤：
将钛合金置于1600-1700温度范围的锻造初始温度；
将该钛合金置于1650-1750温度范围的α-β退火工艺；和
将该钛合金置于900-1100温度范围的时效工艺中6-10小时。
6、根据权利要求5所述的方法，包括下列步骤：
将钛合金置于1650的锻造初始温度；
将该钛合金置于1700的α-β退火工艺；
将该钛合金置于1000的时效工艺中8小时。
7、根据权利要求5所述的方法，进一步包括将钛合金成形为长度大于45英寸的轮机叶片(1)形状的步骤。
8、根据权利要求7所述的方法，进一步包括将轮机叶片(1)成形为蒸汽轮机叶片。
9、根据权利要求7所述的方法，进一步包括使轮机叶片成形以使轮机叶片的伸长百分率在室温下大于9％的步骤。
10、一种制品，包含：
5.25-6.25重量％的铝；
1.75-2.25重量％的锡；
1.75-2.25重量％的铬；
1.75-2.25重量％的钼；
1.75-2.25重量％的锆；
0.1-0.2重量％的硅；
0-0.15重量％的铁；
0-0.08重量％的碳；
0-0.15重量％的氧；
0-0.05重量％的氮；
0-0.015重量％的氢；以及
钛；
其中，对该制品进行过不包括β退火的热处理工艺。
CNA200810009528XA 2007-01-31 2008-01-31 涉及高强度耐腐蚀钛合金的方法和制品 Pending CN101235449A (zh)

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C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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