CN101418706B

CN101418706B - 一种汽轮机抗气蚀叶片及其成形方法

Info

Publication number: CN101418706B
Application number: CN2008101625404A
Authority: CN
Inventors: 姚建华; 张伟; 楼程华
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: CN101418706A

Abstract

本发明公开了一种汽轮机抗气蚀叶片及其成形方法，所述的汽轮机抗气蚀叶片，是在成形基体上激光成形合金材料，通过单道成形、多道搭接、多层堆积得到，所述叶片包括进气边易气蚀部位、不易气蚀部位和两者之间的过渡区，所述进气边易气蚀部位的激光成形采用耐气蚀合金粉末；所述不易气蚀部位的激光成形采用不锈钢粉末；所述过渡区的激光成形采用耐气蚀合金粉末和不锈钢粉末组成的混合粉末。本发明得到的汽轮机抗气蚀叶片，叶片进气边强度、硬度高、抗气蚀性能强，而叶片不易气蚀部位(如根部)韧性好，有利于抵抗扭转应力疲劳。同时本发明采用激光成形的成形方法，大大缩短叶片制造的时间，并能节省昂贵抗气蚀粉末的消耗，成形更经济。

Description

一种汽轮机抗气蚀叶片及其成形方法

(一)技术领域

本发明涉及一种汽轮机抗气蚀叶片及其成形方法，属于特种加工技术领域。

(二)背景技术

汽轮机叶片是火力发电厂中极其重要的部件。高温、高压蒸汽进入汽轮机后，以极大的速度对汽轮机叶片进行冲击，将能量传递给汽轮机叶片，带动汽轮机主轴的旋转。汽轮机叶片在蒸汽的高速冲击下，进气边容易发生气蚀破坏，严重时导致整个叶片报废，因此电厂运行一段时间后，必须要停产大修，更换新的汽轮机叶片。经杭州汽轮机股份有限公司的主要用户初步统计，每年从用户那里更换的报废叶片达十几万件，价值在5000万元以上。因此，提高叶片的性能，延长其使用寿命就成为一个非常重要的问题。而提高叶片的性能可以从两个方面入手：一是优化叶片的形状结构；二是采用高性能材料的叶片。但是由于目前叶片的加工制造周期比较长，并且叶片设计制造需要不断的修正，耗费时日较多；高性能的材料一般造价高，如果采用传统的铸坯、车削加工等方式，材料浪费严重，叶片制造成本太高；同时，高性能材料一般强度、硬度高、难于车削加工，传统方法难于制造；此外，在叶片制造时需要叶片具有“梯度功能”，如在叶片进气边等地方需要硬度高，耐冲击，而在其它地方需要韧性好，以抵抗持续的扭转应力。上述各种问题都是传统叶片及成形方法所无法解决的。

(三)发明内容

本发明要解决的首要技术问题在于提供一种具有“梯度功能”的汽轮机抗气蚀叶片。

所述的“梯度功能”汽轮机抗气蚀叶片，是在成形基体上激光成形合金材料，通过单道成形、多道搭接、多层堆积得到，所述叶片包括进气边易气蚀部位、不易气蚀部位和两者之间的过渡区，所述进气边易气蚀部位的激光成形采用耐气蚀合金粉末；所述不易气蚀部位的激光成形采用不锈钢粉末；所述过渡区的激光成形采用耐气蚀合金粉末和不锈钢粉末组成的混合粉末，所述混合粉末的成分从不易气蚀部位与过渡区的邻接处到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处沿径向呈梯度渐变，其中耐气蚀合金粉末的含量从不易气蚀部位与过渡区的邻接处的0％沿径向线性递增到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处的100％，不锈钢粉末的含量从不易气蚀部位与过渡区的邻接处的100％沿径向线性递减到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处的0％。

本发明所述的不易气蚀部位包括叶片根部等要求韧性好的部位。

本发明中所述的径向是指不易气蚀部位与过渡区的邻接处上某点到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处的最短距离所在方向，或者是进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处上某点到不易气蚀部位与过渡区的邻接处的最短距离所在方向。

进一步，所述的耐气蚀合金粉末推荐为Ni-Cr-W-C合金粉末，其中Ni、Cr、W、C的重量百分比为：Ni 15～20％、Cr 15～25％、W 50～60％、C 0.5～2％。所述的不锈钢可以使用2Cr13、1Cr13、2Cr12MoV、17-4PH等不锈钢材料，以上不锈钢材料的组成均为公知常识，比如2Cr13不锈钢粉末中各种元素的含量为：C 0.20％、Cr 13.00％、Si1.16％、Ni 0.77％、Fe余量。

本发明所述的过渡区的径向宽度一般为1～3mm。

所述的成形基体激光成形得到的成形层的厚度为0.5～1.5mm。

本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种基于激光熔覆技术的快速、高效的汽轮机抗气蚀叶片的成形方法。

具体而言，所述的成形方法使用的设备主要包括激光器、数控机床系统和载气式同轴送粉器，所述载气式同轴送粉器为基于机械学原理的螺旋式双漏斗送粉器，所述螺旋式双漏斗送粉器包括储料仓甲、储料仓乙，分别连接在储料仓甲、储料仓乙下方的漏斗甲、漏斗乙，以及设在储料仓甲与漏斗甲连接口处的与调速电机连接的螺旋杆甲，设在储料仓乙与漏斗乙连接口处的与调速电机连接的螺旋杆乙。螺旋杆紧贴圆筒形的储料仓出口，螺旋杆与储料仓出口间有微小间隙，当螺旋杆静止时，储料仓中的粉末由于静压作用将储料仓出口堵塞，无粉末输出，送粉速度为零；当螺旋杆在调速电机的带动下旋转时，储料仓中的粉末通过储料仓出口与螺旋杆之间的微小间隙进入漏斗，有粉末输出，并且送粉速度与螺旋杆转速成正比，通过调整螺旋杆的转速可以控制送粉速度。所述螺旋式双漏斗送粉器还设置有粉末分配器和同轴送粉喷嘴，粉末分配器和同轴送粉喷嘴在市场上有售，其结构为激光行业人员所共知。所述的漏斗甲的出口、漏斗乙的出口通过塑料导管和连接头与粉末分配器的入口连通，所述的同轴送粉喷嘴通过塑料导管与粉末分配器的出口连通，同轴送粉喷嘴固定在激光头上，始终与激光头的运动一致，所述激光头的运动由数控机床的丝杠和导轨控制；所述成形方法包括如下步骤：

(1)根据成形基体和目标叶片的尺寸、形状，确定目标叶片过渡区、抗气蚀区尺寸，通过数控编程确定单道成形和多道搭接轨迹；

(2)在所述送粉器的储料仓甲放置耐气蚀合金粉末，在储料仓乙放置不锈钢粉末，设定两个螺旋杆的转速，使耐气蚀合金粉末、不锈钢粉末分别进入漏斗甲、漏斗乙后进入粉末分配器中混合为一定配比的成形粉末后输出，进入同轴送粉喷嘴；所述的粉末分配器中成形材料粉末的成分控制具体如下：螺旋杆甲的转速为零时，则成形材料为不锈钢粉末；螺旋杆乙的转速为零时，则成形材料为耐气蚀合金粉末；通过设定螺旋杆甲、螺旋杆乙的转速来得到工艺所需配比的成形材料粉末；

(3)激光束通过同轴送粉喷嘴内部的光束通道辐照在成形基体上形成液态的熔池，同时成形材料粉末在载气的吹动下经由同轴送粉喷嘴的流道汇聚到熔池中；当激光头按步骤(1)确定的轨迹运动时，熔池的位置不断运动，熔池后沿不断凝固从而在成形基体表面形成预定形状的单道成形层，单道成形层的厚度为0.1～0.5mm；单道成形层之间互相搭接得到叶片成形面；

(4)一层成形完后，重复步骤(1)到(3)的过程在得到的成形面上再堆积第二层，直到达到规定的叶片高度，从而得到汽轮机叶片的近似件，经过打磨、抛光及检测等后处理步骤得到所述的汽轮机抗气蚀叶片。

对于目标成形叶片，其形状一旦确定，即可通过通用的数控加工软件得到与之相对应的数控程序，以控制激光头的运动，进行激光成形。

步骤(2)所述的载气可使用高压氮气、氩气等。

步骤(3)所述的激光成形的具体工艺参数推荐如下：激光功率密度为3.0×10⁴～3.5×10⁶W/cm²，激光束半径为0.25～1.5mm，送粉速度为5～15g/min，扫描速度为0.01～0.05m/s，搭接系数为30％～40％。

本发明中，从倒置圆锥形流道中喷出喷嘴的粉末的汇聚点需在基体表面上，所以所述的成形材料粉末注入到熔池前一般都需先调整喷嘴到成形基体的距离，使得从倒置圆锥形流道中喷出喷嘴的粉末的汇聚点在基体表面上。

本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)本发明所述汽轮机抗气蚀叶片，在叶片进气边抗气蚀部位采用耐气蚀合金材料作为成形材料，使之获得800HV0.2以上的高硬度和强度，提高叶片的抗气蚀能力，在叶片的不易气蚀部位采用常规不锈钢粉末作为成形材料，在过渡区则通过控制以上两种成形材料的配比实现硬度、强度等的梯度过渡，最终成形出具有“梯度功能”的汽轮机叶片，使得叶片进气边强度、硬度高、抗气蚀性能强，而叶片不易气蚀部位韧性好，有利于抵抗扭转应力疲劳，并节省昂贵抗气蚀粉末的消耗，成形更经济。

(2)本发明采用激光成形的成形方法，激光功率高，扫描速度快，并省去了传统叶片制造中的铸坯、车削等环节，可以大大缩短叶片制造的时间，并能节省大量材料。同时本发明成形方法基于多层堆积，不受叶片复杂形状的限制，因此能够成形传统叶片加工方法无法加工出的叶片形线，有利于改进叶片结构，提高使用效率。成形叶片进气边背弧侧具有优异的抗水蚀性能，省去镶钳硬质合金或热处理等后续加工过程。

(四)附图说明

图1为本发明实施例制得的抗气蚀叶片的整体材料分区示意图，箭头所指方向为堆积方向；

图2为实施例制得的抗气蚀叶片的侧面局部材料分区示意图；

图3为实施例使用汽轮机叶片激光直接成形设备连接示意图；

图4为实施例使用的粉末分配器示意图；

图5为实施例使用的喷嘴结构示意图；

图中，1、进气边易气蚀部位(耐气蚀材料区)，2、不易气蚀部位(常规材料区)，3、过渡区，4、漏斗甲，5、漏斗乙，6、储料仓甲，7、储料仓乙，8、调速电机甲，9、调速电机乙，10、螺旋杆甲，11、螺旋杆乙，12、激光器，13、反射镜，14、同轴送粉喷嘴，15、成形基体，16、喷嘴粉末流道，17、喷嘴粉末管道入口，18、数控机床，19、高压气瓶，20、喷嘴冷却水进出接口，21、粉末分配器，22、计算机工作站，23、叶根。

(五)具体实施例

下面结合附图详细说明本发明技术方案，但本发明的保护范围不限于此。

本实施例使用的汽轮机叶片激光直接成形设备如图3、图4、图5所示，设备主要包括7kWCO₂激光器12、数控机床18系统和载气式同轴送粉器，所述载气式同轴送粉器为基于机械学原理的螺旋式双漏斗送粉器，所述螺旋式双漏斗送粉器包括储料仓甲6、储料仓乙7，分别连接在储料仓甲、储料仓乙下方的漏斗甲4、漏斗乙5，以及设在储料仓甲与漏斗甲连接口处的与调速电机8连接的螺旋杆甲10，设在储料仓乙与漏斗乙连接口处的与调速电机9连接的螺旋杆乙11，所述螺旋式双漏斗送粉器还设置有粉末分配器21和同轴送粉喷嘴14，所述同轴送粉喷嘴14内部中空并设置有倒置圆锥形流道16，所述的漏斗甲出口、漏斗乙出口分别通过塑料导管与连接头与粉末分配器的入口连通，所述的同轴送粉喷嘴与粉末分配器的出口连通，同轴送粉喷嘴固定在激光头上，始终与激光头的运动一致，所述激光头的运动由数控机床的丝杠和导轨控制；7kWCO₂激光器12产生的激光汇聚后经反光镜13反射进入激光头，所述的激光头对置于数控机床上的成形基体15相对运动，进行成形工作。

本实施例的目标叶片的型号为SK71-3(如图1、2所示)，叶根材料为2Cr13。本实施例的工艺参数范围为：激光功率密度为3.0×10⁵W/cm²，激光束半径为1.0mm，送粉速度为5～15g/min，扫描速度为0.03m/s，搭接系数为30％。

具体实施过程如下：

(1)步骤一

根据成形叶片的形状，通过数控编程确定单道成形和多道搭接轨迹，同时根据叶片的形状和尺寸进行编程并制作边缘支撑板，以保证叶片成形时的尺寸精度。编程可基于试验法，即编程人员以叶片的形状、尺寸为依据，编写出数控程序，并不断进行试验、修正，最终得到合适的数控程序。

(2)步骤二

根据叶片形状尺寸以及抗气蚀区的尺寸要求，确定抗气蚀区尺寸为63×14×1.5mm²；确定过渡区的径向宽度为3mm。根据抗气蚀区和过渡区的尺寸和形状编程各送粉器的送粉量。

(3)步骤三

将各种激光成形设备互连，搭建叶片激光直接成形系统。为实现叶片进气边的抗气蚀功能，并实现性能的“梯度过渡”，采用了双漏斗送粉器：在储料仓6放置耐气蚀合金粉末，其中Ni、Cr、W、C的重量百分比为：Ni 20.1％、Cr 21.8％、W 57.5％、C 0.6％。在储料仓7放置2Cr13不锈钢粉末。

送粉器的甲、乙的两个漏斗4、5分别与各自的储料仓6、7以及螺旋杆10、11装配到一起。调速电机8与9可控制螺旋杆10、11以不同的转速转动。螺旋杆10、11分别紧贴储料仓6、7的出口，螺旋杆与储料仓出口之间有一微小间隙。当螺旋杆不转时，螺杆和储料仓出口处的粉末受到由粉末自重产生的静压力的作用而挤压在一起，堵塞螺旋杆与储料仓出口处的微小间隙，无粉末输出，送粉速度为零；当螺旋杆在电机的带动下旋转时，间隙处的粉末被打散，粉末在重力和高压气体的作用下通过螺旋杆与储料仓出口间的间隙，落到甲、乙两个漏斗中。螺旋杆的转速不同，则单位时间落入漏斗的粉末量不同，即送粉速度不同。在成形中通过设定的程序，改变两个螺旋杆的转速，可得到两种粉末的不同速度比率(成分比率)。

(3)步骤四

粉末落入漏斗后，在高压氮气或氩气的吹动下通过塑料管道输送到粉末分配器21中(图4)，粉末分配器有一个入口，四个出口，入口在中间，出口均匀分布在四周。粉末分配器入口与送粉器的漏斗甲和漏斗乙通过塑料管道和连接头相连。粉末在高压载气的吹动下，从分配器入口喷入，在分配器种成“喷泉状”下落，进入四个出口，从而将一束粉末分为均匀的四束输出，通过塑料管道进入图5中的同轴送粉喷嘴入口17(图5为剖面图，只显示了两个入口，前后面还有两个入口，总共四个)。粉末进入喷嘴后，沿着喷嘴内的倒置圆锥形流道16运动，在气压的作用下在圆周方向上粉末均匀分布。粉末喷出喷嘴后，近似保持在流道内的运动方向，在空中飞行一段距离后汇聚。通过设计喷嘴流道的形状，以及调整喷嘴与成形基体的距离，可使粉末汇聚点在基体表面15上，即使粉末直接汇聚到熔池里。

(4)步骤五

设置激光器12的输出功率为2-4kW，激光束经反光镜13反射后，改变传输方向进入同轴喷嘴14，同轴喷嘴内部中空，因此激光束能不受阻挡的通过喷嘴，最后辐照在成形基体15表面上形成熔池。

(5)步骤六

在叶片成形时，同轴送粉喷嘴固定在激光头上，始终与激光头的运动一致。激光头的运动由数控机床18的丝杠和导轨控制。当激光头按预定的轨迹运动时，激光束在基体表面上不断运动，因此熔池的位置不断运动，而粉末流始终沿与激光束同轴的倒置圆锥面汇聚到熔池中，随着熔池的不断运动，熔池后沿不断凝固，因此形成一定高度的按预定轨迹扫描的单道成形层，单道成形层之间互相搭接可形成面积较大的成形面。叶片形状确定时，可通过编程确定单道成形轨迹，通过多道搭接可得到一定厚度的叶片截面；每层成形完后，激光头提高一定距离再堆积第二层，重复以上过程，最终得到汽轮机叶片的近形件，通过打磨、抛光，可得到“梯度功能”汽轮机抗气蚀叶片。

检测表明，采用本方法制造的“梯度功能”汽轮机抗气蚀叶片其硬度、耐磨损性、耐气蚀等性能比传统叶片有显著提高：从表层到叶片基体，硬度从高到低梯度分布，(800HV0.2～350HV0.2)；耐磨损性能比传统叶片分别提高了3倍以上；耐气蚀性能比传统叶片提高了2倍以上。

Claims

1.一种汽轮机抗气蚀叶片，其特征在于所述汽轮机抗气蚀叶片是在成形基体上激光成形合金材料，通过单道成形、多道搭接、多层堆积得到，所述叶片包括进气边易气蚀部位、不易气蚀部位和两者之间的过渡区，所述进气边易气蚀部位激光成形采用的成形材料为耐气蚀合金粉末；所述不易气蚀部位激光成形采用的成形材料为不锈钢粉末；所述过渡区激光成形采用的成形材料为耐气蚀合金粉末和不锈钢粉末组成的混合粉末，所述成形材料粉末的成分从不易气蚀部位与过渡区的邻接处到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处沿径向呈梯度渐变，其中耐气蚀合金粉末的含量从不易气蚀部位与过渡区的邻接处的0％沿径向线性递增到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处的100％，不锈钢粉末的含量从不易气蚀部位与过渡区的邻接处的100％沿径向线性递减到进气边易气蚀部位与过渡区的邻接处的0％。

2.如权利要求1所述的汽轮机抗气蚀叶片，其特征在于所述的耐气蚀合金粉末为Ni-Cr-W-C合金粉末，其中Ni、Cr、W、C的重量百分比为：Ni 15～20％、Cr 19～25％、W 54～60％、C 0.5～2％。

3.如权利要求1所述的汽轮机抗气蚀叶片，其特征在于所述的过渡区的径向宽度为1～3mm。

4.如权利要求1所述的汽轮机抗气蚀叶片，其特征在于所述的成形基体上激光成形得到的成形层的厚度为0.5～1.5mm。

5.如权利要求1所述的汽轮机抗气蚀叶片，其特征在于所述的不锈钢粉末为2Cr13，1Cr13，2Cr12MoV或17-4PH。

6.一种如权利要求1所述的汽轮机抗气蚀叶片的成形方法，所述的成形方法使用的设备主要包括激光器、数控机床系统和载气式同轴送粉器，其特征在于所述载气式同轴送粉器为采用基于机械学原理的螺旋式双漏斗送粉器，所述螺旋式双漏斗送粉器包括储料仓甲、储料仓乙，分别连接在储料仓甲、储料仓乙下方的漏斗甲、漏斗乙，以及设在储料仓甲与漏斗甲连接口处的与调速电机连接的螺旋杆甲，设在储料仓乙与漏斗乙连接口处的与调速电机连接的螺旋杆乙，所述螺旋式双漏斗送粉器还设置有粉末分配器和同轴送粉喷嘴，所述同轴送粉喷嘴内部中空并设置有倒置圆锥形流道，所述的漏斗甲、漏斗乙分别与粉末分配器连通，所述的同轴送粉喷嘴与粉末分配器连通，所述同轴送粉喷嘴固定在激光头上，始终与激光头的运动一致，所述激光头的运动由数控机床的丝杠和导轨控制；所述成形方法包括如下步骤：

(1)根据成形基体的形状，通过数控编程确定单道成形和多道搭接轨迹；

(2)在所述送粉器的储料仓甲放置耐气蚀合金粉末，在储料仓乙放置不锈钢粉末，调整螺旋杆甲、螺旋杆乙的转速，耐气蚀合金粉末、不锈钢粉末分别进入漏斗甲、漏斗乙，漏斗甲、漏斗乙中的耐气蚀合金粉末、不锈钢粉末同步进入粉末分配器中混合为成形材料粉末后输出，进入同轴送粉喷嘴；所述的粉末分配器中成形材料粉末的成分控制具体如下：螺旋杆甲的转速为零时，则成形材料为不锈钢粉末；螺旋杆乙的转速为零时，则成形材料为耐气蚀合金粉末；通过调节螺旋杆甲、螺旋杆乙的转速来得到工艺所需配比的成形材料粉末；

(3)激光束通过同轴送粉喷嘴内部辐照在成形基体上形成液态的熔池，同时成形材料粉末在载气的吹动下经由同轴送粉喷嘴的流道汇聚到熔池中；当激光头按步骤(1)确定的轨迹运动时，熔池的位置不断运动，熔池后沿不断凝固从而在成形基体表面形成预定形状的单道成形层，单道成形层的厚度为0.1～0.5mm；单道成形层之间互相搭接得到叶片成形面；

(4)一层成形完后，重复步骤(1)到(3)的过程在得到的成形面上再堆积第二层，直到达到规定的叶片高度，从而得到汽轮机叶片的近似件，经过后处理得到所述的汽轮机抗气蚀叶片。

7.如权利要求6所述的汽轮机抗气蚀叶片的成形方法，其特征在于步骤(3)所述的激光成形的具体工艺参数如下：激光功率密度为3.0×10⁴～3.5×10⁶W/cm²，激光束半径为0.25～1.5mm，送粉速度为5～15g/min，扫描速度为0.01～0.05m/s，搭接系数为30％～40％。