CN107739970A - 一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，涉及汽轮机叶片技术领域。包括叶根、叶身和叶冠，所述叶根、叶身和叶冠依次固定连接，所述叶身包括内弧侧面和外弧侧面，其特征在于：该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：C：2.3‑3.2%，Si：0.1‑2.6%，Mn：0.3‑1.0%，P<0.1%,S<0.05%,Ni：0.2‑3.0%，N：2.2‑3.5%，V：0.2‑2.5%，Ti：0.14‑0.6%，TiC：0.15‑2.5%，TiCN：0.1‑1.9%，ZrN：0.1‑2.5%，Cr：1.2‑1.5%，总量小于0.5%的微量元素Cr和Co，总量小于0.7%的β‑NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。

Description

一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽轮机叶片技术领域，特别是涉及一种耐摩擦钛合金汽轮 机叶片及其制备方法。
背景技术
钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小 (～4.5g·cm-3)，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低 温韧性良好，抗蚀性能优异，某些钛合金的最高工作温度为550℃，预期可达 700℃；钛金属的密度较小，为4.5g/cm3，仅为铁的60％，通常与铝、镁等被 称为轻金属，其相应的钛合金、铝合金、镁合金则称为轻合金；世界上许多国 家都认识到钛合金材料的重要性，相继对钛合金材料进行研究开发，并且得到了 实际应用。
因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用，发 展迅猛。轻合金、钢等的(σ0.2/密度)与温度的关系，钛合金的比强高于其他 轻金属、钢和镍合金，并且这一优势可以保持到500℃左右，因此某些钛合金 适于制造燃气轮机部件。
由于汽轮机叶片的是受高温高压蒸汽的作用而工作，工作中承受着蒸汽 较大的摩擦力，长期工作下来，会导致汽轮机叶片发生断裂等故障，且在蒸汽摩 擦汽轮机叶片时，会产生较高的温度，对汽轮机叶片造成损害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是汽轮机叶片在工作中承受着蒸汽较大的摩 擦力，长期工作下来，会导致汽轮机叶片发生断裂等故障，且在蒸汽摩擦汽轮机 叶片时，会产生较高的温度，对汽轮机叶片造成损害，克服现有技术的缺点，提 供一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片及其制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，包 括叶根、叶身和叶冠，所述叶根、叶身和叶冠依次固定连接，所述叶身包括内弧 侧面和外弧侧面，其特征在于：该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下： C：2.3-3.2％，Si：0.1-2.6％，Mn：0.3-1.0％，P＜0.1％,S＜0.05％,Ni：0.2-3.0％，N： 2.2-3.5％，V：0.2-2.5％，Ti：0.14-0.6％，TiC：0.15-2.5％，TiCN：0.1-1.9％，ZrN：0.1-2.5％，Cr：1.2-1.5％，总量小于0.5％的微量元素Cr和Co，总量小于 0.7％的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
C：2.3％，Si：0.1％，Mn：0.3％，P：0.01％,S：0.01％,Ni：0.2％，N：2.2％，V： 0.2％，Ti：0.14％，TiC：0.15％，TiCN：0.1％，ZrN：0.1％，Cr：1.2％，总量为 0.1％的微量元素Cr和Co，总量为0.1％的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉 末，余量为Fe。
一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：包括以下 步骤：
a、将C、Si、Mn、P、S、Ni、V、Ti、TiC、TiCN、ZrN、Cr、Co、β-NiAl金 属间化合物为主相的合金粉末以及Fe加入到熔炉中，将熔炉炉温升至920℃-940 ℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在920℃-940℃下保温2-3h；将上述合 金液体自然冷却至合金液体温度740℃-760℃并保温30min；
b、将合金液体温度恒定在740℃-760℃下在对应的模具中进行浇铸，浇铸完成后， 保温2-4小时，形成对应的叶根、叶身和叶冠；
c、对叶身进行渗C处理和渗N处理；
d、对叶身进行电镀镍-石墨处理；
e、对叶根、叶身和叶冠先进行粗抛处理；
f、将叶根、叶身和叶冠浸在抛光液中进行精抛，持续1-3h；
g、将叶根、叶身和叶冠清尘，烘干。
前所述的一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法,渗C处理包括以 下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗C介质中，且保证活性渗C介质的含碳量远远大于 叶身心部的含碳量；
步骤2：升温至600～700°淬火，保温1-2h；
步骤3：降温至-70℃～-80℃回火，保温25～35min，将叶身从活性渗C介质中取 出。
前所述的一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法,渗N处理包括以 下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗N介质中，且保证活性渗N介质的含碳量远远大 于叶身心部的含氮量；
步骤2：升温至550～700℃淬火，保温15～20h；
步骤3：降温至-50℃～-60℃回火，保温1-3h，将叶身从活性渗N介质中取出。
前所述的一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法,步骤e中，粗抛 处理为：将大量石灰和磨料放在倾斜的罐状滚筒中，滚筒转动时，大量石灰和磨 料在筒内随机地滚动碰撞叶根、叶身和叶冠，以去除表面凸锋，持续20-30min。
前所述的一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法,所述抛光液 由粒度为W5～W0.5的氧化铬微粉和乳化液混合而成。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中的TiC、TiCN和ZrN可以在汽轮机叶片上形成一系列硬质覆膜， 一方面可以提高汽轮机叶片的硬度，另一方面可以提高汽轮机叶片的耐摩擦能 力，另外，由于汽轮机叶片需要承受蒸汽较大的作用力，会使得硬质覆膜轻易脱 离汽轮机叶片，而本发明中的过渡金属Cr，有一定的粘结作用，可以使防污膜 与汽轮机叶片结合的比较牢固，能够稳定的防止汽轮机叶片被腐蚀，此外，由于 汽轮机叶片在被蒸汽冲击的过程中，会使得汽轮机叶片的表面摩擦而发热，而本 发明中的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，其可以提高汽轮机叶片的耐 高温程度，可长期使用在1000℃高温工况条件下，且其具有抗热震性能，可以 较大程度的提高汽轮机叶片的耐摩擦以及耐高温能力，且增加了汽轮机叶片的硬度。
(2)本发明中对叶身进行渗C处理，可以使C原子从汽轮机表面向汽轮 机叶片内部渗透，而硬质覆膜上存在有小孔，C原子在向汽轮机叶片内部渗透的 过程中，C原子会残留在小孔内，堵住硬质覆膜的小孔，使硬质覆膜更加的稳定， 一方面提高了汽轮机叶片的强度，另一番提高了汽轮机叶片的冲击韧性和耐磨 性；
(3)本发明中对叶身进行渗N处理，渗氮后的汽轮机叶片可以得到高的表面硬 度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能 力，并降低缺口敏感性，另外在渗氮过程中可以同时进行渗碳处理以促进氮的扩 散。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供的一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，叶根、叶身和叶冠依次固定连接，叶身包括内弧侧面和外弧侧面，该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
C：2.3％，Si：0.1％，Mn：0.3％，P：0.01％,S：0.01％,Ni：0.2％，N：2.2％，V：0.2％，Ti：0.14％，TiC：0.15％，TiCN：0.1％，ZrN：0.1％，Cr：1.2％，总量为0.1％的微量元素Cr和 Co，总量为0.01％的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。
一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
a、将C、Si、Mn、P、S、Ni、V、Ti、TiC、TiCN、ZrN、Cr、Co、β-NiAl金 属间化合物为主相的合金粉末以及Fe加入到熔炉中，将熔炉炉温升至920℃-940 ℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在920℃-940℃下保温2-3h；将上述合 金液体自然冷却至合金液体温度740℃-760℃并保温30min；
b、将合金液体温度恒定在740℃-760℃下在对应的模具中进行浇铸，浇铸完成后， 保温2-4小时，形成对应的叶根、叶身和叶冠；
c、对叶身进行渗C处理和渗N处理；
d、对叶身进行电镀镍-石墨处理；
e、对叶根、叶身和叶冠先进行粗抛处理；
f、将叶根、叶身和叶冠浸在抛光液中进行精抛，抛光液由粒度为W5～W0.5的 氧化铬微粉和乳化液混合而成，持续1-3h；
g、将叶根、叶身和叶冠清尘，烘干。
渗C处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗C介质中，且保证活性渗C介质的含碳量远远大于 叶身心部的含碳量；
步骤2：升温至600～700°淬火，保温1-2h；
步骤3：降温至-70℃～-80℃回火，保温25～35min，将叶身从活性渗C介质中取 出。
渗N处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗N介质中，且保证活性渗N介质的含碳量远远大 于叶身心部的含氮量；
步骤2：升温至550～700℃淬火，保温15～20h；
步骤3：降温至-50℃～-60℃回火，保温1-3h，将叶身从活性渗N介质中取出。
步骤e中，粗抛处理为：将大量石灰和磨料放在倾斜的罐状滚筒中，滚 筒转动时，大量石灰和磨料在筒内随机地滚动碰撞叶根、叶身和叶冠，以去除表 面凸锋，持续20-30min。
实施例2：本实施例提供的一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，叶根、叶身和叶冠依次固定连接，叶身包括内弧侧面和外弧侧面，该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
C：3.2％，Si：2.6％，Mn：1.0％，P：0.1％,S：0.05％,Ni：3.0％，N：3.5％，V：2.5％，Ti：0.6％，TiC：2.5％，TiCN：1.9％，ZrN：2.5％，Cr：1.5％，总量为0.5％的微量元素Cr和Co， 总量为0.7％的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。
一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
a、将C、Si、Mn、P、S、Ni、V、Ti、TiC、TiCN、ZrN、Cr、Co、β-NiAl金 属间化合物为主相的合金粉末以及Fe加入到熔炉中，将熔炉炉温升至920℃-940 ℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在920℃-940℃下保温2-3h；将上述合 金液体自然冷却至合金液体温度740℃-760℃并保温30min；
b、将合金液体温度恒定在740℃-760℃下在对应的模具中进行浇铸，浇铸完成后， 保温2-4小时，形成对应的叶根、叶身和叶冠；
c、对叶身进行渗C处理和渗N处理；
d、对叶身进行电镀镍-石墨处理；
e、对叶根、叶身和叶冠先进行粗抛处理；
f、将叶根、叶身和叶冠浸在抛光液中进行精抛，抛光液由粒度为W5～W0.5的 氧化铬微粉和乳化液混合而成，持续1-3h；
g、将叶根、叶身和叶冠清尘，烘干。
渗C处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗C介质中，且保证活性渗C介质的含碳量远远大于 叶身心部的含碳量；
步骤2：升温至600～700°淬火，保温1-2h；
步骤3：降温至-70℃～-80℃回火，保温25～35min，将叶身从活性渗C介质中取 出。
渗N处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗N介质中，且保证活性渗N介质的含碳量远远大 于叶身心部的含氮量；
步骤2：升温至550～700℃淬火，保温15～20h；
步骤3：降温至-50℃～-60℃回火，保温1-3h，将叶身从活性渗N介质中取出。
步骤e中，粗抛处理为：将大量石灰和磨料放在倾斜的罐状滚筒中，滚 筒转动时，大量石灰和磨料在筒内随机地滚动碰撞叶根、叶身和叶冠，以去除表 面凸锋，持续20-30min。
实施例2：本实施例提供的一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，叶根、叶身和叶冠依次固定连接，叶身包括内弧侧面和外弧侧面，该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
C：2.7％，Si：0.18％，Mn：0.65％，P<0.1％,S<0.05％,Ni：2.0％，N：2.9％，V：1.9％，Ti：0.35％，TiC：1.25％，TiCN：1.0％，ZrN：1.3％，Cr：1.35％，总量为0.25％的微量元素Cr 和Co，总量为0.35％的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。
一种用于耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
a、将C、Si、Mn、P、S、Ni、V、Ti、TiC、TiCN、ZrN、Cr、Co、β-NiAl金 属间化合物为主相的合金粉末以及Fe加入到熔炉中，将熔炉炉温升至920℃-940 ℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在920℃-940℃下保温2-3h；将上述合 金液体自然冷却至合金液体温度740℃-760℃并保温30min；
b、将合金液体温度恒定在740℃-760℃下在对应的模具中进行浇铸，浇铸完成后， 保温2-4小时，形成对应的叶根、叶身和叶冠；
c、对叶身进行渗C处理和渗N处理；
d、对叶身进行电镀镍-石墨处理；
e、对叶根、叶身和叶冠先进行粗抛处理；
f、将叶根、叶身和叶冠浸在抛光液中进行精抛，抛光液由粒度为W5～W0.5的 氧化铬微粉和乳化液混合而成，持续1-3h；
g、将叶根、叶身和叶冠清尘，烘干。
渗C处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗C介质中，且保证活性渗C介质的含碳量远远大于 叶身心部的含碳量；
步骤2：升温至600～700°淬火，保温1-2h；
步骤3：降温至-70℃～-80℃回火，保温25～35min，将叶身从活性渗C介质中取 出。
渗N处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗N介质中，且保证活性渗N介质的含碳量远远大 于叶身心部的含氮量；
步骤2：升温至550～700℃淬火，保温15～20h；
步骤3：降温至-50℃～-60℃回火，保温1-3h，将叶身从活性渗N介质中取出。
步骤e中，粗抛处理为：将大量石灰和磨料放在倾斜的罐状滚筒中，滚 筒转动时，大量石灰和磨料在筒内随机地滚动碰撞叶根、叶身和叶冠，以去除表 面凸锋，持续20-30min。
实验过程如下：
选择东方汽轮机有限公司生产的汽轮机叶片为对比例，将实施例1-实施例3制备 的汽轮机叶片与对比例进行对比应用实验，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；
试验结果如下：
性能按国标进行测定，试验条件及其他实验材料均相同，测试结果如表一所示：
表一
由表一的实验结果可知，实施例1～实施例3中的汽轮机叶片的硬度大于对比例， 即汽轮机叶片的硬度有所提高，且由产品外观观察可知，实施例1～实施例3中 汽轮机叶片的耐摩擦性能较对比例好，另外由叶身的工作温度可知，在汽轮机叶 片耐磨性能较好的情况下，叶身的工作温度也较对比例低，提高了汽轮机叶片的 使用寿命。
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)

1.一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，包括叶根、叶身和叶冠，所述叶根、叶身和叶冠依次固定连接，所述叶身包括内弧侧面和外弧侧面，其特征在于：该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
C：2.3-3.2%，Si：0.1-2.6%，Mn：0.3-1.0%，P<0.1%,S<0.05%,Ni：0.2-3.0%，N：2.2-3.5%，V：0.2-2.5%，Ti：0.14-0.6%， TiC：0.15-2.5%，TiCN：0.1-1.9%，ZrN：0.1-2.5%， Cr：1.2-1.5%，总量小于0.5%的微量元素Cr和Co，总量小于0.7%的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种耐摩擦钛合金汽轮机叶片，其特征在于：该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：
C：2.3%，Si：0.1%，Mn：0.3%，P：0.01%,S：0.01%,Ni：0.2%，N：2.2%，V：0.2%，Ti：0.14%，TiC：0.15%，TiCN：0.1%，ZrN：0.1%，Cr：1.2%，总量为0.1%的微量元素Cr和Co，总量为0.1%的β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末，余量为Fe。
3.一种用于权利要求1所述的耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将C、Si、Mn、P、S、Ni、V、Ti、TiC、TiCN、ZrN、Cr、Co、β-NiAl金属间化合物为主相的合金粉末以及Fe加入到熔炉中，将熔炉炉温升至920℃-940℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在920℃-940℃下保温2-3h；将上述合金液体自然冷却至合金液体温度740℃-760℃并保温30min；
b、将合金液体温度恒定在740℃-760℃下在对应的模具中进行浇铸，浇铸完成后，保温2-4小时，形成对应的叶根、叶身和叶冠；
c、对叶身进行渗C处理和渗N处理；
d、对叶身进行电镀镍-石墨处理；
e、对叶根、叶身和叶冠先进行粗抛处理；
f、将叶根、叶身和叶冠浸在抛光液中进行精抛，持续1-3h；
g、将叶根、叶身和叶冠清尘，烘干。
4.一种如权利要求3所述的耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：渗C处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗C介质中，且保证活性渗C介质的含碳量远远大于叶身心部的含碳量；
步骤2：升温至600~700°淬火，保温1-2h；
步骤3：降温至-70℃~-80℃回火，保温25~35min，将叶身从活性渗C介质中取出。
5.一种用于权利要求3所述的耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：渗N处理包括以下步骤：
步骤1：将叶身放置到活性渗N介质中，且保证活性渗N介质的含碳量远远大于叶身心部的含氮量；
步骤2：升温至550～700℃淬火，保温15~20h；
步骤3：降温至-50℃~-60℃回火，保温1-3h，将叶身从活性渗N介质中取出。
6.一种用于权利要求3所述的耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：步骤e中，粗抛处理为：将大量石灰和磨料放在倾斜的罐状滚筒中，滚筒转动时，大量石灰和磨料在筒内随机地滚动碰撞叶根、叶身和叶冠，以去除表面凸锋，持续20-30min。
7.一种用于权利要求3所述的耐摩擦钛合金汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：所述抛光液由粒度为W5～W0.5的氧化铬微粉和乳化液混合而成。
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