CN104411841B - 时效条件设定方法及涡轮叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的时效条件设定方法具有以下工序，即通过对标准材料实施时效处理，取得表示时效条件参数和材料强度参数关系的主曲线(20)的工序；对化学成分参数或金属组织参数中至少一方与所述标准材料不同的对象材料，取得表示所述材料强度参数值的拟合点(A)的工序；修正所述主曲线(20)，使得所述主曲线(20)的一部分对应所述拟合点(A)，取得修正时效曲线(30)的工序；基于所述修正时效曲线(30)，设定所述对象材料的时效条件的工序。

Description

时效条件设定方法及涡轮叶片的制造方法

技术领域

本发明涉及一种对象材料的时效条件设定方法，及应用所述时效条件设定方法的涡轮叶片制造方法。依据于2012年8月22日向日本提出专利申请2012-183103号，本申请主张优先权，并在此处援用其内容作为参考。

背景技术

将蒸汽涡轮的低压末级叶片加长加大有利于提高热效率。伴随涡轮叶片的加长加大，其所承载的离心应力增大，因此在涡轮叶片里使用具有高比强度的材料。具体来说，使用沉淀硬化型不锈钢SUS630(17-4PH钢)等作为涡轮叶片的材料。该沉淀硬化型不锈钢能够通过实施时效处理，提高强度。

例如，专利文献1公开了一种C、Cr、Ni、Mo、Si、Mn、Nb、V、Ti、Al成分调整过的沉淀硬化型不锈钢。

此外，专利文献2公开了一种C、Cr、Ni、Mo、Si、Mn、P、S、N、Al成分调整过的沉淀硬化型不锈钢。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2011-225913号公报

专利文献2：日本专利特开2005-194626号公报

发明概要

发明拟解决的问题

沉淀硬化型不锈钢由于化学成分的变动或时效处理温度和时间的变动，其强度发生较大变化。而涡轮叶片由于每制造批次的化学成分不同，所以即使在相同热处理条件下实施时效处理也未必能够获得相同强度。因此，有时无法满足所需的强度特性。从而，如专利文献1及专利文献2所述，仅进行时效处理则难以对各个涡轮叶片稳定获得所期待的强度特性。

此外，不同制造批次的涡轮叶片还存在结晶粒径等金属组织不同的情况。根据这样的金属组织，时效处理后的强度也会产生偏差。

如上所述，通过时效处理无法获得所期待强度特性的涡轮叶片，有再一次进行热处理的必要，或者废弃，造成制造时的成品率恶化。因此，即使在化学成分和金属组织不同的情况下，也可获得所期待特性的时效条件设定方法是需要的。

本发明鉴于上述情况开发而成，其目的在于提供一种即使在化学成分和金属组织有变动的情况下，也可获得期待强度特性的时效条件设定方法，以及应用所述时效条件设定方法的涡轮叶片的制造方法。

发明内容

根据本发明的第一形态，时效条件设定方法具有以下工序，即通过对标准材料实施时效处理，取得表示时效条件参数和材料强度参数关系的主曲线的工序；对化学成分参数或金属组织参数中至少一方与所述标准材料不同的对象材料，取得表示所述材料强度参数值的拟合点的工序；修正所述主曲线，使得所述主曲线的一部分对应所述拟合点，取得修正时效曲线的工序；基于所述修正时效曲线，设定所述对象材料的时效条件工序。

在本发明的第一形态中，取得了标准材料的主曲线和对象材料的拟合点，进一步使主曲线的一部分与拟合点对应，因此能够取得高精 度的对象材料修正时效曲线(时效硬化曲线)。因为对象材料的时效条件基于该修正时效曲线设定构成，因此即使是标准材料和对象材料的化学成分和金属组织变动的情况下，也能够通过时效处理获得期待的强度特性。

标准材料是指为取得主曲线而使用的具有特定化学组成及金属组织的材料。标准材料具有相对于对象材料作为基准的化学组成及金属组织。

根据本发明的第二形态，所述拟合点可通过对所述对象材料在规定条件下实施时效处理，选取所述材料强度参数而取得。

通过此种构成，能够确实取得高精度的拟合点。其结果是，能够对对象材料设定最适的时效条件。

根据本发明的第三形态，所述拟合点可通过掌握所述化学成分参数和所述金属组织参数与所述材料强度参数的关系，由所述标准材料和所述对象材料的所述化学成分参数及所述金属组织参数的差来预测所述材料强度参数来取得。

通过此种构成，能够由标准材料和对象材料的化学成分参数及金属组织参数的差来修正主曲线。因此，能够获得高精度的对象材料修正时效曲线(时效硬化曲线)。而且，能够基于该修正时效曲线，设定对象材料的时效条件，获得期待的强度特性。

根据本发明的第四形态，所述材料强度参数可从硬度、拉伸强度、耐力中选择。

通过此种构成，能够简单取得更高精度的修正时效曲线，因此可由时效处理获得期待的强度特性。

根据本发明的第五形态，所述时效处理可在锻造所述标准材料及所述对象材料后进行。

通过此构成，能够形成锻造产品具有的金属组织及形状，从而能掌握锻造产品的强度特性，提高时效条件设定方法的精度。

根据本发明的第六形态，涡轮叶片的制造方法将上述时效条件设定方法应用于涡轮叶片。

由于涡轮叶片用于承载较大离心应力的严苛环境下，所以要求其具有高强度及稳定的品质。该涡轮叶片存在制造时每批次的化学成分和金属组织不同的情况。因此，即使在相同条件下进行时效处理，每批次的强度特性也会产生偏差。此种情况下，通过应用上述时效条件设定方法来制造涡轮叶片，即能够稳定获得期待的强度特性。从而可提高制造时的成品率，并降低制造成本。

根据本发明的第七形态，所述涡轮叶片也可由沉淀硬化型不锈钢构成。

沉淀硬化型不锈钢是具有高强度、高耐腐蚀性的不锈钢。通过使用此种沉淀硬化型不锈钢构成涡轮叶片，能够获得可耐受严苛环境的涡轮叶片。此外，沉淀硬化型不锈钢由于化学成分和金属组织的变动，即使在相同热处理条件下进行时效处理，其强度也会生较大变动，所以通过应用上述形态的时效条件设定方法，能够得到期待的强度特性。沉淀硬化型不锈钢具体可列举出含有Cu、Nb、Ta的SUS630等。

根据本发明的第八形态，所述化学成分参数可设定为铜(Cu)、铌(Nb)和钽(Ta)的总含量。

SUS630是通过时效处理将Cu-rich沉淀物和碳化物沉淀，从而获得的高强度合金。该SUS630由于Cu、Nb、Ta的总含量变动，导致沉淀物、碳化物的沉淀量变化，时效硬化曲线发生较大变化。因此，通过选择Cu、Nb和Ta的总含量作为化学成分参数，能够取得更高精度的修正时效曲线。基于该修正时效曲线，设定时效条件，能够获得期待特性的强度。

根据本发明的第九形态，所述金属组织参数可为结晶粒度和残余奥氏体量中的至少一方。

由以SUS630合金为代表的沉淀硬化型不锈钢构成的涡轮叶片存在制造时每批次的结晶粒度和残余奥氏体量不同的情况。通过如此设定金属组织参数，能够获得高精度的修正时效曲线。

发明效果

根据上述本发明的形态，提供一种即使在化学成分和金属组织有变动的情况下，也可获得期待强度特性的时效条件设定方法，以及应用所述时效条件设定方法的涡轮叶片的制造方法。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的涡轮叶片的概要说明图。

图2是表示将SUS630在550℃下进行各小时时效处理时的时效硬化曲线图。

图3是表示将SUS630在各温度下进行4小时时效处理时的时效硬化曲线图。

图4是说明第一实施方式的时效条件设定方法及涡轮叶片制造方法的流程图。

图5是第一实施方式的时效条件设定方法的概要说明图。

图6是说明第二实施方式的时效条件设定方法及涡轮叶片制造方法的流程图。

图7是第二实施方式的时效条件设定方法的概要说明图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，对于本发明的实施方式，参照附图进行说明。

本实施方式的涡轮叶片1如图1所示，具有长叶片11、设置于长叶片11前端部的围带12、设置于长叶片11中央部的短轴13、以及设置于长叶片11基端部的叶根14。该涡轮叶片1是蒸汽涡轮的动叶。涡轮叶片1构成为在涡轮转子(无图示)的旋转轴周围插入叶根14，并在涡轮转子上设置复数的涡轮叶片1。设置于涡轮叶片1的围带12及短轴13形成为相邻之间组合，构成同心圆的环状。例如，一个涡轮转子上配设50个以上的涡轮叶片1。

该涡轮叶片1在蒸汽涡轮动作时，以3000rpm以上的转速运转，承载了较大的离心应力。因此，例如使用具有高强度的12Cr系不锈钢SUS410、沉淀硬化型不锈钢SUS630(17-4PH钢)或者专利文献2所述的钢、Ti-6Al-4V合金等。在本实施方式中，涡轮叶片1由沉淀硬化型不锈钢SUS630(17-4PH钢)构成。

SUS630是含有C、Si、Mn、P、S、Cu、Ni、Cr、Nb、Ta，剩余部分由Fe构成的不锈钢。该SUS630是时效硬化型合金。SUS630是通过在固溶热处理后实施时效处理，沉淀出Cu-rich沉淀物和碳化物，从而被高度强化。

图2表示将SUS630在550℃下1小时～10小时的条件下实施时效处理，进行硬度试验时的时效硬化曲线。在图2中，实线表示标准材料的SUS630(Cu、Nb和Ta的总含量为3.77质量％)的时效硬化曲线。虚线表示化学成分与标准材料不同的SUS630(Cu、Nb和Ta的总含量为3.52质量％)的时效硬化曲线。

标准材料是具有该合金的代表性化学成分及金属组织的物质，在本实施方式中，将Cu、Nb和Ta的总含量为3.77质量％、结晶粒度为#6、残余奥氏体量为5％的SUS630作为标准材料。

结晶粒度表示例如依据JISG0551求出的结晶粒大小程度。残余奥氏体量表示通过X射线衍射法将SUS630定量化计测的值。

图3表示将SUS630在520℃～600℃下4小时的条件下实施时效处理，进行硬度试验时的时效硬化曲线。在图3中，实线表示标准材料的SUS630(Cu、Nb和Ta的总含量为3.77质量％)的时效硬化曲线。虚线表示化学成分与标准材料不同的SUS630(Cu、Nb和Ta的总含量为3.52质量％)的时效硬化曲线。

标准材料的时效硬化曲线称作主曲线(下同)。

具体来说，图2和图3中的硬度试验是进行的维氏硬度试验。在图2和图3中，纵轴表示维氏硬度的测定值除以维氏硬度的目标值(所需硬度)所得到的数值。因此，硬度(测定)/硬度(目标值)在1附近范围是时效处理后所需硬度的范围。此范围的一例，在图2和图3中用点表示。

如图2所示，SUS630合金在550℃下实施时效处理时，时效时间在1小时左右达到最大强度，其后强度下降。通常，SUS630的时效处理在过时效侧进行。标准材料SUS630的Z所示范围是满足期待要求特性的时效条件范围。。而且，Cu、Nb和Ta的总含量少于标准材料的SUS630如虚线所示，整体强度低于标准成分的SUS630。因此可知，化学成分不同时，即使在相同热处理条件下进行时效处理，也无法获得相同强度。

另外，对于时效强度为最大的峰值强度下的时效条件，在成分规格范围内的范围中即使成分变动，其时效条件也不会发生变化。

如图3所示，SUS630合金在时效温度为540℃～600℃的范围内，随着时效温度的增加，强度下降。由此可知，SUS630合金在Cu、Nb和Ta的总含量较少时，强度下降。

如图2和图3所示，在550℃下进行4小时热处理时，标准材料的强度达到所需强度的范围内。但是，Cu、Nb和Ta的总含量为3.52％的SUS630强度则低于所需范围的强度。

这种强度的变动不仅随化学成分，也根据结晶粒度和残余奥氏体量而变动。

因此，在化学成分和金属组织与标准成分SUS630不同时，有时即使与标准成分SUS630进行相同的热处理，也无法获得相同强度，无法达到期望强度特性。所以有必要相应于化学成分及金属组织，设定最适时效条件。制造涡轮叶片1时，根据每批次涡轮叶片1不同，化学成分和金属组织变动。根据各个批次时间和温度条件的变化进行时效处理，测定硬度，选取时效硬化曲线后，决定各涡轮叶片的时效条件进行制造不仅花费时间，还加大制造成本。

下面用图4和图5来说明，根据标准材料SUS630的主曲线选取与标准材料化学成分不同对象材料的时效硬化曲线而得到期待的强度特性时效条件的设定方法，及涡轮叶片的制造方法。

第一实施方式的涡轮叶片制造方法如图4所示，进行S11～S15的工序。以下，对其细节进行说明。

(S11)

对标准材料的SUS630，在550℃下1小时～10小时的条件(时效条件参数)下实施时效处理，进行硬度试验。如图5的实线所示，取得标准材料的主曲线20(时效硬化曲线)。

(S12)

对化学成分(化学成分参数)和金属组织(金属组织参数)中至少一方与标准材料不同的SUS630(对象材料)，例如，实施在550℃下4小时的条件下的时效处理，进行维氏硬度试验。取得表示硬度(材料强度参数)和时效条件关系的拟合点(图5中A点所示)。

化学成分参数是影响材料强度的因素，例如Cu的含量、Nb的含量、Ta的含量、Cu、Nb和Ta的总含量等。此外，金属组织参数也是影响材料强度的因素，例如结晶粒度和残余奥氏体量。

(S13)

且，滑动主曲线20的一部分对应拟合点A，如图5的虚线所示，取得对象材料的修正时效曲线30(时效硬化曲线)。

(S14)

其次，基于修正时效曲线30，决定得到期待强度特性的最适时效条件。图5中，X表示的时间为最适的时效条件。图5中，涡轮叶片1所需硬度范围的一例用双箭头表示。该所需的硬度范围可根据涡轮叶片的尺寸和类别，适当设定在最适范围内。

(S15)

最后，对涡轮叶片1，在S14设定的热处理条件下，进行时效处理。

由此，能够获得具有期待强度特性(硬度)的涡轮叶片1。

另外，虽然在S1中对时效温度为550℃下取得主曲线的情况进行了说明，但是时效条件并不限于此，设定适宜温度即可。此外，可以对复数的温度条件，取得主曲线，也可使时间固定而变化温度，来取得主曲线。另外，在此情况下，可结合在S1中取得主曲线的条件，选择在S2中进行的时效条件。

根据本发明的第一实施方式的时效条件设定方法及涡轮叶片的制造方法，可取得标准材料的主曲线20，并对对象材料实施时效处理，测定硬度(材料强度参数)，取得拟合点A，使主曲线20对应拟合点A，因此能够取得高精度的对象材料的修正时效曲线30(时效硬化曲线)。因为对象材料的时效条件基于该修正时效曲线30设定，因此即使是标准材料和对象材料的化学成分或金属组织变动的情况下，也能够通过时效处理获得期待的强度特性。由此能够确实获得满足所需强度特性的涡轮叶片1，并能够降低制造成本。

(第二实施方式)

对本发明的第二实施方式的时效条件设定方法，及涡轮叶片制造方法进行说明。

第二实施方式的涡轮叶片结构和构成涡轮叶片的材料与第一实施方式相同。对于相同的结构，使用相同符号进行记载，并省略详细说明。

在第二实施方式的时效条件设定方法，及涡轮叶片的制造方法中，取得主曲线120，预先把握主曲线120和化学成分参数及金属组织参数的关系。例如，根据对象材料的化学成分和金属组织，修正主曲线120，取得对象材料的修正时效曲线130(时效硬化曲线)。以下，其细节将参照图6及图7，进行说明。

(S21)

对标准材料的SUS630，在550℃下1小时～10小时的条件(时效条件参数)下实施时效处理，进行硬度试验。如图7的实线所示，取得标准材料的主曲线120(时效硬化曲线)。

(S22)

对化学成分和金属组织中至少一方与标准材料不同的SUS630，把握化学成分参数以及金属组织参数与材料强度参数的关系。

更具体来说，例如，对与标准材料的Cu+Nb+Ta的含量(化学成分参数)不同，但金属组织参数相同的SUS630，在550℃下4小时的条件下实施时效处理，进行维氏硬度试验。然后，使用如此测定出的硬度值、实施在550℃下4小时的时效处理时的主曲线硬度值、和在S22中取得的硬度测定值，例如根据线性近似，建立与化学成分的对应关系。例如，得到以下关系式。

△硬度＝-28×(3.77-(Cu+Nb+Ta))

这里，△硬度是指规定时效条件下的对象材料进行时效处理后的硬度和主曲线的硬度差。此外，(Cu+Nb+Ta)是指Cu、Nb和Ta的质量％的总含量。

(S23)

利用该Cu+Nb+Ta的含量(化学成分参数)和硬度(材料强度参数)的关系，与对象材料的化学成分参数和金属组织参数建立对应关系，取得表示对象材料的材料强度参数的拟合点B。例如，(Cu+Nb+Ta)＝3.52(％)时，△硬度＝-7，则比时效温度550℃下的主曲线硬度小7的点B为拟合点。

(S24)

滑动使主曲线120的一部分对应拟合点B，如图7的虚线所示， 取得对象材料的修正时效曲线130(时效硬化曲线)。

(S25)

其次，基于修正时效曲线130，决定为获得期待的强度特性最适的时效条件。图7中，Y表示的时间为最适的时效条件。此外，图7中涡轮叶片1所需硬度范围的一例用双箭头表示。

(S26)

最后，对涡轮叶片1，在S25中设定的时效条件下，进行时效处理。

由此，能够获得具有所期待特性的涡轮叶片1。另外，虽然在S21中对时效温度为550℃下取得主曲线120的情况进行了说明，但是时效条件并不限于此，设定适宜温度即可。此外，可以相对复数的温度条件，取得主曲线，也可使时间固定而变化温度来取得主曲线。在此种情况下，也可根据在S21中取得的主曲线条件，选择在S22中进行的时效条件。

根据本发明的第二实施方式的时效条件设定方法及涡轮叶片的制造方法，可取得标准材料的主曲线120，由标准材料和对象材料的化学成分参数及金属组织参数的差，预测材料强度参数，修正主曲线120，因此能够获得高精度的对象材料修正时效曲线130(时效硬化曲线)。因为对象材料时效条件基于该修正时效曲线30设定，因此即使是标准材料和对象材料的化学成分或金属组织变动情况下，也能够通过时效处理获得期待的强度特性。由此，能够确实获得满足所需强度特性的涡轮叶片1，并能够降低制造成本。

与第一实施方式不同，只要与对象材料的化学成分参数及金属组织参数建立了一次对应关系，则之后无需对各涡轮叶片(对象材料)进行时效处理，也能够取得拟合点。因此，能够降低制造成本，并且 可缩短决定时效条件所需的时间。

在第二实施方式中，虽然对仅取得1个拟合点的情况进行了说明，但是也可对于复数点，掌握化学成分参数及金属组织参数和硬度的关系，使主曲线对应复数的拟合点，取得对象材料的修正时效曲线(时效硬化曲线)。

在上述实施方式中，对于掌握Cu、Nb和Ta的总含量和硬度关系的情况进行了说明，但是不限于此，也可掌握其他化学成分参数和金属组织参数与硬度的关系。并且，用于化学成分参数的化学成分可根据材料选定，例如专利文献2所述的钢，也可选择沉淀物的构成元素Al和Ni。

化学成分参数和金属组织参数可不止选择一个，也可选择复数。在此情况下，例如可利用多重回归分析掌握化学成分参数及金属组织参数与硬度的关系。

以上，对于本发明实施方式的时效条件设定方法及涡轮叶片的制造方法进行了说明，但是本发明不限于此，可在不超出其发明技术思想的范围内适当进行变更。

上述实施方式中，对标准材料和对象材料实施时效处理，测定材料强度参数的情况进行了说明，但是也可采用在时效处理前进行模拟涡轮叶片的锻造加工。例如，可从涡轮叶片的锻造原材料中切出剩余材料，以模拟涡轮叶片叶根的形状进行锻造(热锻)，实施时效处理，取得材料强度参数。这样能够获得更加准确的材料强度参数，能获得更高精度的修正时效曲线(时效硬化曲线)。

在上述实施方式中，作为材料强度参数，对于使用维氏硬度的情况进行了说明，但是不限于此。例如，可利用其他硬度试验进行硬度 测定，也可使用拉伸强度或耐力(0.2％耐力)的测定值。

工业实用性

根据此时效条件设定方法，即使是化学成分和金属组织变动的情况下，也能够获得期待的强度特性。此外，能够提供一种应用所述时效条件设定方法的涡轮叶片制造方法。

符号说明

1 涡轮叶片

20、120 主曲线

30、130 修正时效曲线

A、B 拟合点

Claims (9)

1.一种时效条件设定方法，其具有以下工序，即通过对标准材料实施时效处理，取得表示时效条件参数和材料强度参数关系的主曲线的工序；

取得化学成分参数或金属组织参数中至少一方与所述标准材料不同的对象材料的、表示所述时效条件参数和所述材料强度参数之间的关系值的拟合点的工序；

使所述主曲线滑动，取得使得所述主曲线的一部分与所述拟合点一致的修正时效曲线的工序；

基于所述修正时效曲线，设定所述对象材料的时效条件的工序。

2.根据权利要求1所述的时效条件设定方法，

通过对所述对象材料在规定条件下实施时效处理，选取所述材料强度参数，从而取得所述拟合点。

3.根据权利要求1所述的时效条件设定方法，

通过掌握所述化学成分参数和所述金属组织参数与所述材料强度参数的关系，由所述标准材料和所述对象材料的所述化学成分参数及所述金属组织参数的差来预测所述材料强度参数，从而取得所述拟合点。

4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的时效条件设定方法，

所述材料强度参数从硬度、拉伸强度、耐力中选择。

5.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的时效条件设定方法，

所述时效处理在锻造所述标准材料及所述对象材料后进行。

6.一种涡轮叶片的制造方法，其将权利要求1至权利要求5中任一项所述的时效条件设定方法应用于涡轮叶片。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片的制造方法，

所述涡轮叶片由沉淀硬化型不锈钢构成。

8.根据权利要求7所述的涡轮叶片的制造方法，

所述化学成分参数为铜、铌和钽的总含量。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的涡轮叶片的制造方法，

所述金属组织参数为结晶粒度和残余奥氏体量中的至少一方。