CN107503800B - 一种抗氧化汽轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗氧化汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，所述叶根、叶身和叶冠依次固定连接，所述叶根下端固定连接有安装座，其特征在于：所述叶身的内弧侧面上设有截面为弧形的气道槽，所述气道槽的一端在叶根处封闭，另一端在叶冠处封闭，所述气道槽内设有导风槽；本发明所述的抗氧化汽轮机叶片在叶身上设置有气道槽，使蒸汽顺着气道槽运动，有效地将蒸汽的能量转换为机械功，提高了转换效率，从而提高了汽轮机的工作效率；在气道槽上还设置有导风槽，将冲击到汽轮机叶片上的高压蒸汽汇聚到导风槽靠近叶冠的一端，进一步提高了蒸汽的利用率，进一步提高了汽轮机的工作效率。

Description

一种抗氧化汽轮机叶片
技术领域
本发明涉及发电设备技术领域，特别是涉及一种抗氧化汽轮机叶片。
背景技术
汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械，又称为蒸汽透平，主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等，还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。
汽轮机的叶片是汽轮发电机组的重要部件。汽轮机叶片的工作环境复杂多变，它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽振荡力、腐蚀及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。在高温及潮湿的环境下易发生氧化，从而影响汽轮机叶片的使用寿命，同时也会影响汽轮机的工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种抗氧化汽轮机叶片，有效地提高了汽轮机叶片的抗氧化性能，提高了汽轮机叶片的使用寿命，同时也提高了汽轮机的工作效率。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：
一种抗氧化汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，所述叶根、叶身和叶冠依次固定连接，所述叶根下端固定连接有安装座，所述叶身的内弧侧面上设有截面为弧形的气道槽，所述气道槽的一端在叶根处封闭，另一端在叶冠处封闭，所述气道槽内设有导风槽；
所述抗氧化汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：
S1、配料：所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.11-0.15％、Si：0.08-0.12％、Cr：0.52-0.65％、Cu：1.86-2.21％、Nd：0.03-0.05％、V：0.35-0.38％、Mo：0.02-0.04％、B：0.15-0.19％、W：0.89-1.02％、Ti：0.16-0.21％、稀土元素 0.15-0.18％，氯酸钾：0.34-0.37％、硝酸钾0.19-0.22％、玄武岩纤维0.15-0.19％，余量为Fe；
S2、冶炼：将上述的抗氧化汽轮机叶片的原料加入到熔炉中，将熔炉的温度设定为1600-1650℃，将原料熔炼为合金溶液，然后利用水冷的方式将合金溶液冷却至1180-1250℃时进行热轧，再利用水冷的方式将合金溶液冷却至635-650℃形成合金胚料；
S3、锻造：对锻模进行预热和润滑，然后将合金胚料放入锻模中进行锻造，预锻温度为710-716℃，终锻温度为821-827℃，得到叶片半成品；
S4、电解加工：将叶片半成品接直流电源正极，加工工具接直流电源负极，然后将叶片半成品放置在电解液，两极之间保持狭小间隙，具有一定压力的电解液从两极间的间隙中高速流过，当加工工具阴极向叶片半成品不断进给时，在面对加工工具的叶片半成品表面上，叶片半成品的金属材料会按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，从而使叶片半成品上形成导风槽；
S5、热处理：
a、退火：将电解加工后的叶片半成品放入加热炉内，将加热炉的温度设定为 765-780℃，保温10-15分钟，然后随炉冷却至245-255℃，再打开炉门，将叶片半成品取出，冷却至室温；
b、淬火：将退火后的汽轮机叶片半成品再放入加热炉中，缓慢升温至455-465 ℃并保温30-45分钟，再次升温至560-565℃后用水喷淋汽轮机叶片半成品快速降温；
c、将经淬火后的汽轮机叶片半成品在室温下再次入炉并升温至240-245℃后保温15-20分钟后出炉空冷至室温，得到叶片成品；
S6、氮化处理：将汽轮机叶片成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至525℃，保持20小时；
S7、将氮化处理后的叶片成品经清洁包装入库。
进一步的，所述稀土元素中各组份的质量百分比为：Y：17-26％、La:26-38％, 余量为Ce。
进一步的，所述抗氧化汽轮机叶片的加工工艺的步骤S1中，所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.13％、Si：0.10％、Cr：0.58％、 Cu：2.01％、Nd：0.04％、V：0.37％、Mo：0.03％、B：0.17％、W：0.96％、Ti： 0.18％、Y：0.0357％、La:0.0544％、Ce：0.0799、氯酸钾：0.35％、硝酸钾0.21％、玄武岩纤维0.17％，余量为Fe。
进一步的，所述步骤S4中两极之间的间隙为0.1mm-0.8mm。
进一步的，所述步骤S4中电解液的的压力为0.5MPa-2.5MPa。
进一步的，所述步骤S4中电解液在正负两极之间的流速为15m/s-60m/s。
进一步的，所述导风槽为梯形，所述梯形导风槽的下底靠近叶冠，所述梯形导风槽的上底靠近叶根。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的抗氧化汽轮机叶片，在叶身上设置有气道槽，使蒸汽顺着气道槽运动，有效地将蒸汽的能量转换为机械功，提高了转换效率，从而提高了汽轮机的工作效率；在气道槽上还设置有导风槽，将冲击到汽轮机叶片上的高压蒸汽汇聚到导风槽靠近叶冠的一端，进一步提高了蒸汽的利用率，进一步提高了汽轮机的工作效率；
(2)本发明所述的抗氧化汽轮机叶片，在原料中加入Cr、Si、Nb、Ti等元素，可以高温冶炼中可以形成一系列氧化膜，从而提高了叶片的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能；又在原料中加入了Y、La、Ce这几种稀土元素，由于这些元素的原子半径大，可堵塞氧化膜的空穴，抑制离子的扩散，从而使叶片外层的氧化膜更稳定；还可以使局部氧化膜在合金上沿晶界树形状地深入合金内部，起“钉扎”的作用，提高了氧化膜的结合力，防止剥落；另外在Cr2O3发生分裂形成非均匀体系时，稀土元素可以使氧化膜成为均匀的混合单一层，从而进一步提高了氧化膜的保护性，提高了叶片的抗氧化性能；
(3)本发明所述的抗氧化汽轮机叶片，在加工时采用电解加工的方式来制造导风槽，电解加工不受材料加工性能的影响，成型精度高，重复精度也高，加工效率高，校模次数可减少3/4，与仿形铣相比可提高5-6倍效率；而且，加工出的光洁度高，无毛刺，从而减轻了对叶片出汽边圆角的钳工修整度；另外，电解加工后的叶片重量均一，为转子平衡提供了方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中A-A的截面示意图。
其中：1、叶根；2、叶身；3、叶冠；4、安装座；5、气道槽；6、导风槽。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供的抗氧化汽轮机叶片，结构如图1所示，包括叶根1、叶身2和叶冠3，所述叶根1、叶身2和叶冠3依次固定连接，所述叶根1下端固定连接有安装座4，所述叶身2的内弧侧面上设有截面为弧形的气道槽5，所述气道槽5 的一端在叶根1处封闭，另一端在叶冠3处封闭，所述气道槽5内设有梯形导风槽6；
抗氧化汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：
S1、配料：所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.11％、 Si：0.08％、Cr：0.52％、Cu：1.86％、Nd：0.03％、V：0.35％、Mo：0.02％、B： 0.15％、W：0.89％、Ti：0.16％、稀土元素0.15％，氯酸钾：0.34％、硝酸钾0.19％、玄武岩纤维0.15％，余量为Fe；
S2、冶炼：将上述的抗氧化汽轮机叶片的原料加入到熔炉中，将熔炉的温度设定为1600℃，将原料熔炼为合金溶液，然后利用水冷的方式将合金溶液冷却至1180 ℃时进行热轧，再利用水冷的方式将合金溶液冷却至635℃形成合金胚料；
S3、锻造：对锻模进行预热和润滑，然后将合金胚料放入锻模中进行锻造，预锻温度为710℃，终锻温度为821℃，得到叶片半成品；
S4、电解加工：将叶片半成品接直流电源正极，加工工具接直流电源负极，然后将叶片半成品放置在电解液，两极之间保持0.1mm的间隙，具有0.5MPa压力的电解液从两极间的间隙中以流速为15m/s流过，当加工工具阴极向叶片半成品不断进给时，在面对加工工具的叶片半成品表面上，叶片半成品的金属材料会按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，从而使叶片半成品上形成导风槽；
S5、热处理：
a、退火：将电解加工后的叶片半成品放入加热炉内，将加热炉的温度设定为765℃，保温10分钟，然后随炉冷却至245℃，再打开炉门，将叶片半成品取出，冷却至室温；
b、淬火：将退火后的汽轮机叶片半成品再放入加热炉中，缓慢升温至455℃并保温30分钟，再次升温至560℃后用水喷淋汽轮机叶片半成品快速降温；
c、将经淬火后的汽轮机叶片半成品在室温下再次入炉并升温至240℃后保温 15分钟后出炉空冷至室温，得到叶片成品；
S6、氮化处理：将汽轮机叶片成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至525℃，保持20小时；
S7、将氮化处理后的叶片成品经清洁包装入库。
实施例2
本实施例提供的抗氧化汽轮机叶片，结构如图1所示，包括叶根1、叶身2和叶冠3，所述叶根1、叶身2和叶冠3依次固定连接，所述叶根1下端固定连接有安装座4，所述叶身2的内弧侧面上设有截面为弧形的气道槽5，所述气道槽5 的一端在叶根1处封闭，另一端在叶冠3处封闭，所述气道槽5内设有梯形导风槽6；
抗氧化汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：
S1、配料：所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.15％、 Si：0.12％、Cr：0.65％、Cu：2.21％、Nd：0.05％、V：0.38％、Mo：0.04％、B：0.19％、W：1.02％、Ti：0.21％、稀土元素0.18％，氯酸钾：0.37％、硝酸钾0.22％、玄武岩纤维0.19％，余量为Fe；
S2、冶炼：将上述的抗氧化汽轮机叶片的原料加入到熔炉中，将熔炉的温度设定为1650℃，将原料熔炼为合金溶液，然后利用水冷的方式将合金溶液冷却至1250 ℃时进行热轧，再利用水冷的方式将合金溶液冷却至650℃形成合金胚料；
S3、锻造：对锻模进行预热和润滑，然后将合金胚料放入锻模中进行锻造，预锻温度为716℃，终锻温度为827℃，得到叶片半成品；
S4、电解加工：将叶片半成品接直流电源正极，加工工具接直流电源负极，然后将叶片半成品放置在电解液，两极之间保持0.8mm的间隙，具有2.5MPa压力的电解液从两极间的间隙中以流速为60m/s流过，当加工工具阴极向叶片半成品不断进给时，在面对加工工具的叶片半成品表面上，叶片半成品的金属材料会按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，从而使叶片半成品上形成导风槽；
S5、热处理：
a、退火：将电解加工后的叶片半成品放入加热炉内，将加热炉的温度设定为780℃，保温15分钟，然后随炉冷却至255℃，再打开炉门，将叶片半成品取出，冷却至室温；
b、淬火：将退火后的汽轮机叶片半成品再放入加热炉中，缓慢升温至465℃并保温45分钟，再次升温至565℃后用水喷淋汽轮机叶片半成品快速降温；
c、将经淬火后的汽轮机叶片半成品在室温下再次入炉并升温至245℃后保温20分钟后出炉空冷至室温，得到叶片成品；
S6、氮化处理：将汽轮机叶片成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至525℃，保持20小时；
S7、将氮化处理后的叶片成品经清洁包装入库。
实施例3
本实施例提供的抗氧化汽轮机叶片，结构如图1所示，包括叶根1、叶身2和叶冠3，所述叶根1、叶身2和叶冠3依次固定连接，所述叶根1下端固定连接有安装座4，所述叶身2的内弧侧面上设有截面为弧形的气道槽5，所述气道槽5 的一端在叶根1处封闭，另一端在叶冠3处封闭，所述气道槽5内设有梯形导风槽6；
抗氧化汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：
S1、配料：所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.13％、 Si：0.10％、Cr：0.58％、Cu：2.01％、Nd：0.04％、V：0.37％、Mo：0.03％、B：0.17％、W：0.96％、Ti：0.18％、Y：0.0357％、La:0.0544％、Ce：0.0799、氯酸钾：0.35％、硝酸钾0.21％、玄武岩纤维0.17％，余量为Fe；
S2、冶炼：将上述的抗氧化汽轮机叶片的原料加入到熔炉中，将熔炉的温度设定为1600-1650℃，将原料熔炼为合金溶液，然后利用水冷的方式将合金溶液冷却至1180-1250℃时进行热轧，再利用水冷的方式将合金溶液冷却至635-650℃形成合金胚料；
S3、锻造：对锻模进行预热和润滑，然后将合金胚料放入锻模中进行锻造，预锻温度为710-716℃，终锻温度为821-827℃，得到叶片半成品；
S4、电解加工：将叶片半成品接直流电源正极，加工工具接直流电源负极，然后将叶片半成品放置在电解液，两极之间保持0.1mm-0.8mm的间隙，具有 0.5MPa-2.5MPa压力的电解液从两极间的间隙中以流速为15m/s-60m/s流过，当加工工具阴极向叶片半成品不断进给时，在面对加工工具的叶片半成品表面上，叶片半成品的金属材料会按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，从而使叶片半成品上形成导风槽；
S5、热处理：
a、退火：将电解加工后的叶片半成品放入加热炉内，将加热炉的温度设定为 765-780℃，保温10-15分钟，然后随炉冷却至245-255℃，再打开炉门，将叶片半成品取出，冷却至室温；
b、淬火：将退火后的汽轮机叶片半成品再放入加热炉中，缓慢升温至455-465 ℃并保温30-45分钟，再次升温至560-565℃后用水喷淋汽轮机叶片半成品快速降温；
c、将经淬火后的汽轮机叶片半成品在室温下再次入炉并升温至240-245℃后保温15-20分钟后出炉空冷至室温，得到叶片成品；
S6、氮化处理：将汽轮机叶片成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入NH3，将炉升温至525℃，保持20小时；
S7、将氮化处理后的叶片成品经清洁包装入库。
对比例：市售淄博荏奥汽轮机有限公司生产的工业汽轮机叶片。
将实施例-实施例3与对比例进行使用对比试验，各项性能按国标进行测定，试验条件及其他实验材料均相同，测试结果如表1所示：
表1
从表1的试验结果来看，在本发明制备的汽轮机叶片与市售同类产品相比，可显著提高产品的布氏硬度，提高产品的强度；有利于增强产品的延伸率和断面收缩率，从而提高了产品的韧性和塑性；还可改善产品的抗拉强度，大大提高了叶片的机械性能，延长了叶片的使用寿命；此外，本发明制备的汽轮机叶片，表面氧化膜的PBR值均处于1-2之间，氧化膜的PBR值小于1，则表示氧化膜的体积较小，不足以覆盖整个金属表面，或氧化膜内存在张应力易发生破裂，不具备保护性能，而氧化膜的PBR值小于1大于2.5时，氧化膜受较大压应力，极易发生破裂，也不具备保护性能，本发明制备的汽轮机叶片的氧化膜的PBR值均处于1-2之间，氧化膜保护能力强，抗氧化性能优于市售产品。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗氧化汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，所述叶根、叶身和叶冠依次固定连接，所述叶根下端固定连接有安装座，其特征在于：所述叶身的内弧侧面上设有截面为弧形的气道槽，所述气道槽的一端在叶根处封闭，另一端在叶冠处封闭，所述气道槽内设有导风槽；
所述抗氧化汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：
S1、配料：所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.11-0.15%、Si：0.08-0.12%、Cr：0.52-0.65%、Cu：1.86-2.21%、Nd：0 .03-0 .05%、V：0.35-0.38%、Mo：0.02-0.04%、B：0.15-0.19%、W：0.89-1.02%、Ti：0.16-0.21%、稀土元素0.15-0.18%，氯酸钾：0.34-0.37%、硝酸钾0.19-0.22%、玄武岩纤维0.15-0.19%，余量为Fe；
S2、冶炼：将上述的抗氧化汽轮机叶片的原料加入到熔炉中，将熔炉的温度设定为1600-1650℃，将原料熔炼为合金溶液，然后利用水冷的方式将合金溶液冷却至1180-1250℃时进行热轧，再利用水冷的方式将合金溶液冷却至635-650℃形成合金胚料；
S3、锻造：对锻模进行预热和润滑，然后将合金胚料放入锻模中进行锻造，预锻温度为710-716℃，终锻温度为821-827℃，得到叶片半成品；
S4、电解加工：将叶片半成品接直流电源正极，加工工具接直流电源负极，然后将叶片半成品放置在电解液，两极之间保持狭小间隙，具有一定压力的电解液从两极间的间隙中高速流过，当加工工具阴极向叶片半成品不断进给时，在面对加工工具的叶片半成品表面上，叶片半成品的金属材料会按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，从而使叶片半成品上形成导风槽；
S5、热处理：
a、退火：将电解加工后的叶片半成品放入加热炉内，将加热炉的温度设定为765-780℃，保温10-15分钟，然后随炉冷却至245-255℃，再打开炉门，将叶片半成品取出，冷却至室温；
b、淬火：将退火后的汽轮机叶片半成品再放入加热炉中，缓慢升温至 455-465℃并保温 30-45分钟，再次升温至 560-565℃后用水喷淋汽轮机叶片半成品快速降温；
c、将经淬火后的汽轮机叶片半成品在室温下再次入炉并升温至 240-245℃后保温15-20分钟后出炉空冷至室温，得到叶片成品；
S6、氮化处理：将汽轮机叶片成品放置于气体氮化炉中并向炉中通入 NH3，将炉升温至525℃，保持20小时；
S7、将氮化处理后的叶片成品经清洁包装入库。
2.根据权利要求1所述的抗氧化汽轮机叶片，其特征在于：所述稀土元素中各组份的质量百分比为：Y：17-26%、La:26-38%,余量为Ce。
3.根据权利要求2所述的抗氧化汽轮机叶片，其特征在于：所述抗氧化汽轮机叶片的加工工艺的步骤S1中，所述抗氧化汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.13%、Si：0.10%、Cr：0.58%、Cu：2.01%、Nd：0 .04%、V：0.37%、Mo：0.03%、B：0.17%、W：0.96%、Ti：0.18%、Y：0.0357%、La:0.0544%、Ce：0.0799%、氯酸钾：0.35%、硝酸钾0.21%、玄武岩纤维0.17%，余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的抗氧化汽轮机叶片，其特征在于：所述步骤S4中两极之间的间隙为0.1mm-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的抗氧化汽轮机叶片，其特征在于：所述步骤S4中电解液的压力为0.5MPa-2.5MPa。
6.根据权利要求1所述的抗氧化汽轮机叶片，其特征在于：所述步骤S4中电解液在正负两极之间的流速为15m/s-60m/s。
7.根据权利要求1所述的抗氧化汽轮机叶片，其特征在于：所述导风槽为梯形，所述梯形导风槽的下底靠近叶冠，所述梯形导风槽的上底靠近叶根。
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