CN107429570A - 汽轮机动叶片及汽轮机动叶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供兼顾耐磨耗性和可靠性的汽轮机动叶片及能够获得这样的汽轮机动叶片的汽轮机动叶片的制造方法。本发明的汽轮机动叶片的特征在于，具有叶片基材和形成于上述叶片基材的表面的防蚀罩，上述叶片基材由钛合金构成，上述防蚀罩由包含母相(30)和分散在上述母相中的硬质相(31)的熔接增厚层构成，该母相由固溶有金属元素的纯钛或固溶有金属元素的钛合金构成。

Description

汽轮机动叶片及汽轮机动叶片的制造方法
技术领域
本发明涉及汽轮机动叶片及汽轮机动叶片的制造方法。
背景技术
近年来，从节能(例如，节约化石燃料)以及防止地球温暖化(例如，抑制CO2气体的产生量)的观点考虑，期望提高火力发电厂的效率(例如，提高汽轮机中的效率)。作为使汽轮机的效率提高的有效的方法之一，有汽轮机长叶片(动叶片)的变长加大。对于汽轮机长叶片而言，由水滴的冲击导致的尖端部的磨耗(腐蚀)成为问题。由于尖端部的圆周速度因汽轮机长叶片的变长加大而增加，因此腐蚀变得越发苛刻。以往，汽轮机长叶片中使用钛系合金和钢铁材料。钛系材料由于与钢铁材料相比比重轻，因此是适合于汽轮机长叶片的变长加大的材料。
一般而言，在汽轮机长叶片上被称为防蚀罩的耐磨耗性优异的锻造板与叶片尖端部接合。作为钛系长叶片(使用了钛系材料的长叶片)的防蚀罩材，为了使热膨胀系数合适，会使用钛系材料，但钛系材料与钢铁系材料相比耐磨耗性低，因此不易进一步长叶片化。
因此，为了兼顾汽轮机的高效率化和可靠性，要求用于钛系长叶片的耐磨耗性优异的防蚀罩。作为防护方法的例子，有在叶片尖端部通过蒸镀等而将硬质的陶瓷被膜成型的方法(例如，参照专利文献1)。
此外，专利文献2中公开了一种汽轮机动叶片的表面处理方法，其特征在于，通过机械加工将由钛合金构成的汽轮机低压末级叶片的叶片尖端前缘部制成预定的形状后，利用高能量密度源使基材表面熔融，并使陶瓷粉末在基材中分散增厚熔接。
此外，专利文献3中公开了一种耐蚀合金的制造方法，其特征在于，通过调制包含体积比为20～60％的陶瓷粉末和剩余成分实质上为钛或钛合金粉末的混合物后，将该混合物在真空中或非活性气体中烧成，且进行热等静压处理从而成型。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭63-255357号公报
专利文献2:日本特开平6-287770号公报
专利文献3:日本特开平3-150331号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，上述专利文献1中所记载的通过蒸镀形成的防蚀罩的膜厚极薄仅为数十μm，可能无法获得充分的可靠性。此外，专利文献2中所记载的技术中，硬质皮膜的厚度并不充分，仍然可能无法获得充分的强度和可靠性。进一步，即便是专利文献3中所记载的技术，强度也可能不充分。即，对于以往的防蚀罩而言，不足以兼顾耐磨耗性和可靠性。
鉴于上述实际情况，本发明提供兼顾耐磨耗性和可靠性的汽轮机动叶片及能够获得这样的汽轮机动叶片的汽轮机动叶片的制造方法。
用于解决课题的方法
本发明的汽轮机动叶片的一方式的特征在于，具有叶片基材和形成于上述叶片基材的表面的防蚀罩，上述叶片基材由钛合金构成，上述防蚀罩由包含母相和分散于上述母相中的硬质相的熔接增厚层构成，该母相由固溶有金属元素的纯钛或固溶有金属元素的钛合金构成。
此外，本发明的汽轮机动叶片的另一方式的特征在于，具有叶片基材和形成于上述叶片基材的表面的防蚀罩，上述叶片基材由钛合金构成，上述防蚀罩是使母相粒子与无机化合物粒子熔融而形成的熔接增厚层，上述母相粒子由纯钛或钛合金构成，上述无机化合物粒子的一部分固溶于上述母相粒子，另一部分与上述母相粒子的一部分发生反应而生成硬质相且分散在上述母相中。
此外，本发明的汽轮机动叶片的制造方法是具有由钛合金构成的叶片基材和形成于上述叶片基材的表面的防蚀罩的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，具有在上述叶片基材的表面形成上述防蚀罩的工序，形成上述防蚀罩的工序包括将包含由纯钛或钛合金构成的母相粒子的原料粉末和无机化合物粒子的原料粉末的熔接原料粉末在上述叶片基材上利用热源进行熔融而形成熔接增厚层的工序，上述无机化合物粒子的一部分固溶于上述母相粒子，另一部分与上述母相粒子的一部分发生反应而生成硬质相且分散在上述母相中。
发明效果
根据本发明，能够提供兼顾耐磨耗性和可靠性的汽轮机动叶片及能够获得这样的汽轮机动叶片的汽轮机动叶片的制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的汽轮机动叶片的一例的模式图。
图2A是示意性表示图1的叶片基材和防蚀罩的截面的一例的图。
图2B是示意性表示图1的叶片基材和防蚀罩的截面的另一例的图。
图3是实施例(No.2)的熔接增厚层的光学显微镜照片。
具体实施方式
以下，对于本发明的汽轮机动叶片及汽轮机动叶片的制造方法进行详细说明。但是，本发明并不限定于这里例举的实施方式，在不改变主旨的范围内可以进行适当组合、改良。
1.汽轮机动叶片
图1是表示本发明的汽轮机动叶片的一例的模式图。如图1所示，本发明的汽轮机动叶片10具有由钛合金构成的叶片基材11和形成于叶片基材11的表面的防蚀罩15。图1中，在圆周速度快、磨耗更大的叶片基材11的尖端形成有防蚀罩15。此外，叶片基材11具有用于通过扭矩而与相邻的叶片一体化的拉筋凸台14和连续围带13。该汽轮机动叶片10是叶片根部12为倒圣诞树形状的轴向进气型。
图2A是示意性表示图1的叶片基材和防蚀罩的A-A’线截面的一例的图，图2B是示意性表示图1的叶片基材和防蚀罩的A-A’线截面的另一例的图。如图2A和图2B所示，本发明的防蚀罩15由熔接增厚层(以下，也称为“增厚层”)形成(以下，也将符号15称为“熔接增厚层”)。熔接增厚层15可以如图2A那样形成在叶片基材11的侧端至展宽面，也可以如图2B那样仅在叶片基材11的侧端形成。该熔接增厚层15的特征在于包含由固溶有金属元素的纯钛或固溶有金属元素的钛合金构成的母相和分散在该母相中的硬质相。以下，对于各相进行详细说明。
(1)母相
构成熔接增厚层15的母相(基质)与叶片基材11为相同材料，即在纯钛或钛合金中固溶有金属元素。作为钛合金，例如可以使用6Al-4V-Ti或15Mo-5Zr-3Al-Ti。通过将熔接增厚层15的母相设为与叶片基材11相同的材料，从而能够减小与叶片基材11的热膨胀系数之差，提高叶片基材11与熔接增厚层15的密合性。
本发明的熔接增厚层15在上述母相中固溶有金属元素。如此通过在母相中固溶金属元素，从而能够将母相硬质化，提高熔接增厚层15的硬度而提高耐磨耗性。该金属元素来源于后述的制造方法中说明的无机化合物粒子。金属元素作为在母相中固溶而硬质化的物质是必要的，具体优选为铬(Cr)和铁(Fe)等。另外，关于上述金属元素在母相中固溶的状态，可以通过X射线衍射测定(X-Ray diffraction：XRD)来求出熔接增厚层15的母相的结晶结构和晶格常数从而进行评价。
(2)硬质相
本发明的熔接增厚层15具有分散在母相中的硬质相。通过包含这样的硬质相，从而能够提高上述金属元素所固溶的母相乃至熔接增厚层15的硬度。该硬质相是通过来源于后述的制造方法中说明的无机化合物粒子的物质与母相的一部分发生反应而生成。作为硬质相，可以例举含有钛碳化物、钛硅化物和钛硼化物中的至少一种的硬质相。另外，该硬质相可以通过熔接增厚层15的XRD测定来分析。
本发明的防蚀罩15是包含上述母相和硬质相的熔接增厚层，由于具有熔融凝固组织，因此与上述专利文献1的通过蒸镀形成的硬质膜的组织明显不同。此外，本发明的熔接增厚层的厚度没有特别限定，可以形成具有20mm以上的厚度的熔接增厚层，比专利文献1中记载的膜厚为数十μm的硬质膜更厚，从而能够提高汽轮机动叶片的可靠性。
专利文献2中通过将叶片基材表面熔融、且在被熔融的部位供给陶瓷粉末而形成熔接增厚层，但如果增加陶瓷粉末的供给量，则陶瓷粉末并不在基材中扩散，而是所得的熔接增厚层的组成与陶瓷粉末形成相同组成，不会如本发明那样成为具有来源于无机化合物粒子的硬质相分散在由固溶有金属元素的纯钛或固溶有金属元素的钛合金构成的母相中的组织的熔接增厚层。
此外，专利文献3中所例举的使用陶瓷粉末(SiC和BN等)的情况下，也不会如本发明那样成为来源于无机化合物粒子的硬质相分散在由固溶有金属元素的纯钛或固溶有金属元素的钛合金构成的母相中的组织。
本发明的汽轮机动叶片具备耐磨耗性和可靠性两者均优异的防蚀罩。汽轮机动叶片的应用部位当然没有限定，优选为湿度最高的汽轮机的末级，该情况下最能够发挥本发明的效果。
2.汽轮机动叶片的制造方法
接下来，对于本发明的汽轮机动叶片的制造方法进行说明。本发明的汽轮机动叶片的制造方法具有在叶片基材11上形成防蚀罩的工序，该形成防蚀罩的工序包括将包含母相粒子的原料粉末和无机化合物粒子的原料粉末的熔接原料粉末在叶片基材11上利用热源进行熔融而形成熔接增厚层的工序。具体而言，准备将构成上述母相的母相粒子的原料粉末(母粉末)和无机化合物粒子混合而成的混合粉末(熔接原料粉末)。接着，在叶片基材11上将上述混合粉末利用热源进行熔融而形成增厚层。作为热源的种类，没有特别限定，例如可以例举激光、等离子转移弧和电子束。
作为无机化合物粒子，使用一部分固溶于母相且另一部分与母相发生反应而形成硬质相的无机化合物粒子。具体而言，优选含有铬碳化物、铬硅化物、铬硼化物和铁硼化物中的至少一种，其中从提高熔接增厚层15的硬度的观点考虑，特别优选为铬硼化物。在使用它们的情况下，熔融过程中构成无机化合物粒子的金属元素(铬或铁)会固溶于母相而硬质化。此外，无机化合物粒子的与母相固溶的金属元素以外的元素(碳、硅或硼)与母相的一部分发生反应，形成硬质相。
原料粉末中的无机化合物粒子的含量优选为5～15体积％。小于5体积％时，无法充分获得将母相硬质化的效果。此外，如果大于15体积％，则母相的硬质化会过度进行而在熔接时产生裂纹。予以说明的是，上述含量的优选范围与无机化合物粒子的种类无关。
另外，作为制造工序，还可以具有在叶片基材11的形成防蚀罩15的部分形成熔接护罩坡口部的工序、将熔接增厚层15退火的工序及将熔接增厚层15进行机械加工而形成最终形状的工序。退火优选将保持温度设为450℃～550℃(450℃以上550℃以下)、保持时间设为8～10小时且在真空中进行。如果选择放热量小的热源，则可以省略残余应力消除退火。
本发明的汽轮机动叶片的制造方法具有为了获得上述的熔接增厚层的组织而使用将母粉末和无机化合物粉末混合而成的混合粉末的特征。根据这样的制造方法，无机化合物粒子中的金属元素固溶于母相而将母相硬质化，进一步通过母相与无机化合物粒子发生反应而生成的硬质相能够更加提高熔接增厚层的硬度。
实施例
以下，对实施例进行说明。
实施例1
(I)单元试验
(i)试验片的制作
对于提供于单元试验的试验片(发明材No.1～7和比较材No.8～11)的制作方法进行说明。作为No.1～10的基材，准备6Al-4V-Ti合金，作为No.11的基材，准备15Mo-5Zr-3Al-Ti合金锻造板。关于No.1～10，将作为母相粒子的原料粉末的母粉末(钛系粉末)和作为无机化合物粒子的原料粉末的无机化合物粉末从各自不同的粉末筒以成为预定的混合率的方式供给于基材的熔接部，利用激光在基材表面熔融而形成熔接增厚层。将熔接材料的组成和硬质相的组成示于后述的表1。予以说明的是，表1中，“无机化合物粉末”一栏中的圆括号是原料粉末中的无机化合物粉末的含量。
(ii)评价
作为增厚层的微观组织评价，进行光学显微镜观察及XRD测定。此外，增厚层的硬度通过维氏硬度试验进行评价。试验根据JIS(Japanese Industrial Standards，日本工业标准)Z2244来进行。耐磨耗性的评价通过喷水(water jet)试验来实施。将评价结果一并记载于后述的表1。
[表1]
表1中，No.1～7是本发明的实施例，No.10和11是比较例。No.8和9是参考例，由于使用本发明的优选的母粉末和无机化合物粉末作为熔接增厚层，因此并不公知，但无机化合物粉末的含量处于本发明的优选范围以外。从表1的结果可知，本实施例的No.1～7全部具有优异的硬度，且具有优异的耐磨耗性。对于No.1～10的试验片，通过XRD测定来评价作为母相的纯钛或钛合金的结晶结构及晶格常数，结果确认到母相中固溶有金属元素及生成硬质相且分散在母相中。以下，对于各试验片的评价结果进行详细描述。
No.1的光学显微镜观察中，增厚层中确认到数十μm的球状析出物。通过XRD测定分析该球状析出物，结果确认到原料中并不含有的钛碳化物，且形成了硬质相。
图3是实施例(No.2)的熔接增厚层的光学显微镜照片。如图3所示，明确可知母相30(灰色部分)中析出且分散有硬质相(黑色部分)。
如果比较No.1和3，则随着Cr碳化物的量增多，作为硬质相的钛碳化物的析出量及尺寸增大，硬度变大。No.4和5中，将无机化合物粉末分别设为Cr硅化物和Cr硼化物，但确认到增厚层中形成了钛硼化物和钛硅化物作为各自的硬质相。No.6中将无机化合物粉末设为Fe硼化物，但与No.5同样，确认到增厚层中形成了钛硼化物。No.7中将钛系粉末设为纯钛，但与No.1～3同样，确认到钛碳化物作为增厚层中的硬质相。从No.2、4和5的比较可知，当硬质相为钛硼化物时，与钛碳化物和钛硅化物相比，硬度及耐磨耗性更优异。
作为比较材的No.8的无机化合物粉末的含量不充分，母相未被充分硬质化，因此耐磨耗性方面并未见到改善。作为比较材的No.9的无机化合物粉末的含量过量，因此增厚层产生裂纹。此外，No.10中虽然确认到钛碳化物，但并未被激光充分熔解，与原料粉为同程度的粒径。因此，金属元素没有固溶于母相。
将作为现有的防蚀罩材的No.11的15Mo-5Zr-3Al-Ti合金的借助喷水的减薄深度设为1.0，与各试验片进行减薄深度的相对比较。其结果，发明材的减薄量比比较材小，确认到耐磨耗性的改善。此外，存在无机化合物的量越多，硬度越高，减薄量变得越小的倾向。作为比较材的No.9的增厚层产生了裂纹，因此无法评价耐磨耗性。此外，No.10中，无机化合物粉末不含有与母相发生反应而形成硬质相的元素，耐磨耗性没有改善。
实施例2
(II)实机试制
对于将本发明的汽轮机动叶片使用于实机的例子进行说明。制作由6Al-4V-Ti合金构成的40英寸的汽轮机钛长叶片。作为汽轮机钛长叶片的制造方法，使用40英寸的叶片模具模压锻造6Al-4V-Ti合金的坯件。之后，进行用于调整微观组织的热处理。接着，将叶片整体机械加工成预定的形状，将护罩熔接坡口部设于尖端部。在护罩熔接坡口部，将表1的No.2所示的原料利用激光进行熔融，进行增厚熔接。作为最终的加工，进行增厚层的加工、叶片整体的表面研磨、弯曲矫正，制成40英寸的长叶片。
对通过以上工序获得的汽轮机动叶片的防蚀罩部进行缺陷检查，结果没有发现问题。此外，利用验证试验设备评价汽轮机钛长叶片的耐腐蚀性，结果几乎没有发现长时间使用中的由腐蚀导致的减薄，是没有问题的水平，确认了可靠性优异。
如以上说明那样，证实了根据本发明，能够提供兼顾耐磨耗性和可靠性的汽轮机动叶片及能够获得这样的汽轮机动叶片的汽轮机动叶片的制造方法。
予以说明的是，上述实施例是为了帮助本发明的理解而进行了具体说明，本发明并不限定于具有所说明的全部构成。例如，可以将某一实施例的构成的一部分替换成其他实施例的构成，此外，也可以将其他实施例的构成加入某一实施例的构成。进一步，对于各实施例的构成的一部分，可以进行消除、其他构成的替换、其他构成的追加。
符号说明
10…汽轮机动叶片、11…叶片基材、12…根部、13…连续围带、14…拉筋凸台、15…防蚀罩、30…母相、31…硬质相。

Claims (27)

1.一种汽轮机动叶片，其特征在于，具有叶片基材和形成于所述叶片基材的表面的防蚀罩，
所述叶片基材由钛合金构成，
所述防蚀罩由包含母相和分散在所述母相中的硬质相的熔接增厚层构成，所述母相由固溶有金属元素的纯钛或固溶有金属元素的钛合金构成。
2.根据权利要求1所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述熔接增厚层具有熔融凝固组织。
3.根据权利要求1或2所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述金属元素是铬和铁中的至少一种。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述硬质相含有钛碳化物、钛硅化物和钛硼化物中的至少一种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述防蚀罩具有20mm以上的厚度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述钛合金是6Al-4V-Ti或15Mo-5Zr-3Al-Ti。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述防蚀罩设于所述汽轮机动叶片的尖端部。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述汽轮机动叶片是用于汽轮机的末级的长叶片。
9.一种汽轮机动叶片，其特征在于，具有叶片基材和形成于所述叶片基材的表面的防蚀罩，
所述叶片基材由钛合金构成，
所述防蚀罩是使母相粒子和无机化合物粒子熔融而形成的熔接增厚层，
所述母相粒子由纯钛或钛合金构成，
所述无机化合物粒子的一部分固溶于所述母相粒子，另一部分与所述母相粒子的一部分发生反应而生成硬质相且分散在所述母相中。
10.根据权利要求9所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述熔接增厚层具有熔融凝固组织。
11.根据权利要求9或10所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述无机化合物粒子含有铬碳化物、铬硅化物、铬硼化物和铁硼化物中的至少一种。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述硬质相含有钛碳化物、钛硅化物和钛硼化物中的至少一种。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述防蚀罩具有20mm以上的厚度。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述钛合金是6Al-4V-Ti或15Mo-5Zr-3Al-Ti。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述防蚀罩设于所述汽轮机动叶片的尖端部。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述汽轮机动叶片是用于汽轮机的末级的长叶片。
17.一种汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，是具有由钛合金构成的叶片基材和形成于所述叶片基材的表面的防蚀罩的汽轮机动叶片的制造方法，
具有在所述叶片基材的表面形成所述防蚀罩的工序，
形成所述防蚀罩的工序包括将包含由纯钛或钛合金构成的母相粒子的原料粉末和无机化合物粒子的原料粉末的熔接原料粉末在所述叶片基材上利用热源进行熔融而形成熔接增厚层的工序，
所述无机化合物粒子的一部分固溶于所述母相粒子，另一部分与所述母相粒子的一部分发生反应而生成硬质相且分散在所述母相中。
18.根据权利要求17所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，进一步包括在所述叶片基材的形成所述防蚀罩的部分形成熔接护罩坡口部的工序、将所述熔接增厚层退火的工序及将所述熔接增厚层进行机械加工的工序中的至少一个工序。
19.根据权利要求17或18所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，使用激光、等离子转移弧或电子束中的任一种作为所述热源。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述熔接增厚层具有熔融凝固组织。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述无机化合物粒子含有铬碳化物、铬硅化物、铬硼化物和铁硼化物中的至少一种。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述硬质相含有钛碳化物、钛硅化物和钛硼化物中的至少一种。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的汽轮机动叶片，其特征在于，所述防蚀罩具有20mm以上的厚度。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述熔接原料粉末中的所述无机化合物粒子的含量为5～15体积％。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述钛合金是6Al-4V-Ti或15Mo-5Zr-3Al-Ti。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述防蚀罩设于所述汽轮机动叶片的尖端部。
27.根据权利要求17至26中任一项所述的汽轮机动叶片的制造方法，其特征在于，所述汽轮机动叶片是用于汽轮机的末级的长叶片。
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