CN102031449A - 铸造压缩机用品及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铸造压缩机用品及其形成方法。具体而言，提出了经由铸造形成压缩机用品的方法，该压缩机用品例如，铸造气翼、定子、叶片、燃气涡轮机和燃气涡轮机壳。该方法包括：制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金；铸造该Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有压缩机用品的形状；和执行铸造后的精加工，从而形成该压缩机用品。

Description

铸造压缩机用品及其形成方法
技术领域
本发明大体上涉及铸造压缩机用品。更具体地，本发明涉及铸造气翼、定子、叶片、燃气涡轮机、燃气涡轮机壳，等等，和形成该铸造压缩机用品的方法。
背景技术
典型的是，目前用在各种燃气涡轮机中的压缩机用品是用普通不锈钢制造，和有些时候是用稍微改性的不锈钢制造，且经由锻造工艺形成，该锻造工艺带有大量后续工艺加工，以使用品成为其最终的形状。
发明内容
本发明的第一个方面提供了一种形成压缩机用品的方法，包括：制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金；铸造该Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有压缩机用品的形状；并执行铸造后的精加工，从而形成压缩机用品。
本发明的第二个方面提供了一种形成压缩机用品的方法，包括：制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金；铸造该Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有压缩机用品的形状，该压缩机用品从包括气翼、定子、燃气涡轮机、叶片和燃气涡轮机壳的组中选择；和执行铸造后的精加工，从而形成压缩机用品。
本发明的第三个方面提供了包括由铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金制造的零部件的压缩机。
附图说明
从下面对本发明各个方面的详细描述中，并结合描述了本发明各个实施例的附图，本发明的这些和其它特征将会更好理解，其中：
图1显示了根据本发明的，形成压缩机用品的方法的一个实施例的流程图；和
图2显示了根据本发明的，压缩机零部件的一个实施例中的压缩机叶片。
零部件清单
S1    制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金
S2    铸造该Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件是压缩机用品
S3    执行铸造后的步骤，从而形成该压缩机用品
1     叶片
具体实施方式
目前用于压缩机用品的形成工艺，例如锻造，采用通过合适地施加压力来加热原材料和使其成形。由于该工艺的性质，通常，后续工艺涉及大量机械加工，以使用品成为其最终的形状。整个过程可能非常昂贵、耗时并对环境不好。已经发现，使用铸造工艺并采用铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金，可消除或减少机械加工、减少准备时间，并减少该工艺的碳足迹(carbon foot print)。铸造的零部件也可以被进行热等静压(HIPed)，以消除/减少内部孔隙。还发现，与目前的形成工艺中通常使用的材料相比，使用该Fe-Mn-Al-Si-C基合金有助于在原材料上节省成本。
参见图1，其中显示了形成压缩机用品的方法的一个实施例。该方法包括：第一步S1，制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金；第二步S2，铸造该Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有压缩机用品的形状；和第三步S3，执行铸造后的精加工，从而形成压缩机用品。
参见方法步骤S1，制备Fe-Mn-Al-Si-C基合金，在本发明的一个实施例中，该Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括大约54.3％-76.4％Fe，大约12％-30％Mn，大约5％-12％Al，大约0.3％-2.5％Si，和大约0.3％-1.2％C。在另一实施例中，该Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括大约59.5％Fe，大约29.4％Mn，大约8.8％Al，大约1.3％Si，和大约1％C。在另一实施例中，该Fe-Mn-Al-Si-C基合金另外地包括大约0.5％-1％钼(Mo)。
该Fe-Mn-Al-Si-C基合金可通过在氩气氛中熔化合金的组分来制备，以减少氧化并形成熔化的Fe-Mn-Al-Si-C基合金金属。所述的提供熔化的Fe-Mn-Al-Si-C基合金的工艺在本领域中是众所周知的，因此，出于简洁起见，不再进行进一步描述。
制备的Fe-Mn-Al-Si-C基合金具有类似于具有改良时效硬化特性的球墨铸铁的铸造特性。该Fe-Mn-Al-Si-C基合金具有低密度(6.5-7.2g/cm3)，从600MPa到2000MPa的拉伸强度(UTS)，和良好的延展性，其在固溶处理时可具有高达70％以上的失效应变，从10％到70％的伸长率，和从600到1000MPa的屈服强度(YS)。该Fe-Mn-Al-Si-C基合金的优良流动性和时效硬化能力特性允许其被用来采用接近干净形状(near-net shape)铸造工艺来生产压缩机用品。该铸造工艺的示例将在下文描述。
该Fe-Mn-Al-Si-C基合金具有两个主要的基体组分(奥氏体和铁素体)。这两个组分可增加由该Fe-Mn-Al-Si-C基合金形成的压缩机用品的缓冲性能(dampening capability)。表I将该Fe-Mn-Al-Si-C基合金与通常用在压缩机用品成形工艺中的其它合金的性质进行了比较。
表I
Figure BSA00000299249200031
Figure BSA00000299249200041
参见方法步骤S2，铸造Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有压缩机用品的形状，在本发明的一个实施例中，铸造选自包括砂型铸造、熔模铸造、永久型铸造和压力铸造的组中。前面提及的铸造工艺，如所述的，在本领域中是众所周知的，因此，出于简洁起见，不再进行进一步描述。前面提及的铸造工艺，即便有的话，也是只需要很少的后续工艺加工的接近干净形状加工工艺。在本发明的一个实施例中，在方法步骤S1中，制备的Fe-Mn-Al-Si-C基合金被倾注入按压缩机用品的形状预先制作的模型(耐久模型)中。
该模型具有与最终压缩机用品的几何形状相符合的型腔。该模型还具有提供通道到该模型型腔的浇口系统。在一个实施例中，铸件放在具有选自气翼、定子、燃气涡轮机、叶片和燃气涡轮机壳的几何形状的模型中。在另一个实施例中，Fe-Mn-Al-Si-C基合金可以用没有特别提及的技术或之后开发的适合用来铸造该合金的技术来铸造。
参见方法步骤S3，执行铸造后的精加工，从而形成压缩机用品。在本发明的一个实施例中，铸造后的精加工包括但不局限于，将该用品从模型上分离，热处理该分离的用品，时效硬化该分离的用品，和机械加工。在一个实施例中，该铸造用品通过锯切而从浇口系统上分离。该分离的用品然后被固溶热处理，以达到为该用品预先选择的机械性能。固溶热处理可在防止脱碳和氧化的气氛中在1000℃或1000℃之上执行。然后可在大约500℃到650℃的温度范围中执行一段时间的时效硬化，这段时间是为了获得该用品预先选择的机械性能所需要的时间。在另一个实施例中，可使用没有特别提及的技术或之后开发的适合用于该铸造的Fe-Mn-Al-Si-C基合金的铸造后处理的技术，来执行铸造后的步骤。
从S3形成的压缩机用品包括但不局限于，气翼、定子、燃气涡轮机、叶片和燃气涡轮机壳。形成的用品具有如上文表I中所述的特征，以及与304SS(不锈钢)类似的氧化性和可焊性。所形成的用品还比高强度轻质铝(HSLA)钢轻12％-18％。所形成的用品还比需要高铬添加物和昂贵的镍添加物的普通不锈钢便宜。
参见图2，其中显示了根据本发明的一个压缩机零部件/用品的实施例中的压缩机叶片1。在一个实施例中，压缩机包括压缩机叶片1，其包括铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金。该Fe-Mn-Al-Si-C基合金的特征、形成方法和各个实施例如上文所述，因此，出于简洁起见，不再进行进一步描述。在一个实施例中，压缩机叶片1经由铸造形成。该Fe-Mn-Al-Si-C基合金的特征、形成方法和各个实施例如上文所述，因此，出于简洁起见，不再进行进一步描述。在本发明的一个实施例中，压缩机用品选自包括气翼、定子、燃气涡轮机、叶片和燃气涡轮机壳的组中。
本文的用语“第一”，“第二”，和类似表达，并不代表任何顺序、数量或重要性，而是用来区分各个要素，且本文的用语“一”和“一个”不代表对数量的限制，而是代表存在至少一个所提及的项目。与数量结合使用的限定词“大约”包括所述的值，并具有上下文所规定的含义，(例如，包括与特定量的测量相关联的误差等级)。本文所用的后缀“(s)”旨在包括其所修饰的单数和复数的用语，因此包括该用语的一个或多个(例如，金属包括一种或多种金属)。本文所公开的范围是首末值包含在内的范围的且能独立地组合(例如，“高达大约25％重量比，或者更具体地，大约5％重量比到大约25％重量比”的范围，包括边界点和所有在“大约5％重量比到大约25％重量比”范围中的中间值，等等)。
虽然本文描述了各种实施例，但是，从本说明书中应当懂得，其中各种要素的结合、变型或改进可由本领域中的技术人员实现，并且也在本发明的范围中。另外，在本发明所教导的没有脱离其基本的范围中，许多变型可用来适应特定的情形或材料。因此，本发明的意图并不局限于所公开的作为用于执行此发明的最佳方式的特定实施例，相反，本发明包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种形成压缩机用品的方法，所述方法包括：
(S1)制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金；
(S2)铸造所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有压缩机用品的形状；和
(S3)执行铸造后的精加工，从而形成所述压缩机用品。
2.根据权利要求1所述的形成压缩机用品的方法，其特征在于，所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括大约54.3％-76.4％Fe，大约12％-30％Mn，大约5％-12％Al，大约0.3％-2.5％Si，和大约0.3％-1.2％C。
3.根据权利要求2所述的形成压缩机用品的方法，其特征在于，所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括大约59.5％Fe，大约29.4％Mn，大约8.8％Al，大约1.3％Si，和大约1％C。
4.根据权利要求1所述的形成压缩机用品的方法，其特征在于，所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金另外地包括大约0.5％-1％Mo。
5.根据权利要求1所述的形成压缩机用品的方法，其特征在于，所述制备Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括，熔化所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金组分，以形成熔融金属的Fe-Mn-Al-Si-C基合金。
6.根据权利要求1所述的形成压缩机用品的方法，其特征在于，所述铸件具有从包括气翼、定子、燃气涡轮机、叶片(1)和燃气涡轮机壳的组中选择的形状。
7.一种形成压缩机用品的方法，所述方法包括：
(S1)制备铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金；
(S2)铸造所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金，其中，铸件具有从包括气翼、定子、燃气涡轮机、叶片和燃气涡轮机壳的组中选择的形状；和
(S3)执行铸造后的精加工，从而形成所述压缩机用品。
8.根据权利要求7所述的形成压缩机用品的方法，其特征在于，所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括大约54.3％-76.4％Fe，大约12％-30％Mn，大约5％-12％Al，大约0.3％-2.5％Si，和大约0.3％-1.2％C。
9.一种压缩机，其包括由铁-锰-铝-硅-碳(Fe-Mn-Al-Si-C)基合金制成的零部件。
10.根据权利要求9所述的压缩机，其特征在于，所述Fe-Mn-Al-Si-C基合金包括大约54.3％-76.4％Fe，大约12％-30％Mn，大约5％-12％Al，大约0.3％-2.5％Si，和大约0.3％-1.2％C。
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