CN107849672A - 涡轮动叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供涡轮动叶片的制造方法，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其加工性优异，冷却结构的设计自由度高。本发明涉及的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其具有下述工序：使上述Ni基锻造合金的与母相的γ相不共格的γ’相增加的软化工序(S1)；使用上述软化工序后的Ni基锻造合金来形成构成动叶片的至少2个构件的第1加工工序(S21)；对上述构件分别形成冷却结构构成部的第2加工工序(S22)；以及将上述构件接合的第3加工工序(S23)。

Description

涡轮动叶片的制造方法

技术领域

本发明涉及涡轮动叶片的制造方法。

背景技术

面对低碳社会的实现，要求火力发电工厂的高效率化。由于燃气涡轮负荷追随性高，因此对于作为不稳定的电力供给源的可再生能是有效的。此外，通过利用高的排气温度并与蒸汽涡轮组合从而能够高效率化的组合循环被实用化，预料到进一步的需要。

对于作为燃气涡轮的构成要素之一的动叶片，通过叶片长度的扩大等增加环体面积而能够高效率化。然而，通过扩大叶片长度而离心应力增加，因此特别是在后段动叶片的根部，以往的Ni基精铸叶片的抗拉强度不足。近年来，开发出具有与Ni基精铸材同等的蠕变耐用温度和1.5倍以上的抗拉强度的高强度Ni基锻造材，在欧州面向航空机进行实用化。高强度Ni基锻造材由于高温强度高，加工性低，因此限定于小型制品的制造，但通过使用下述专利文献1的技术，加工性被飞跃地改善。由此，高强度Ni基锻造合金能够适用燃气涡轮动叶片，期待叶片长度扩大。

进一步针对高效率化，燃烧温度的提高是有效的。与此相伴，由于动叶片的耐用温度也变高，因此需要赋予冷却功能。一般而言，采用了通过在叶片内部形成中空结构并流通冷却介质，从而从内部进行冷却的冷却方法。为了提高冷却效率，采用具有180度弯曲部的蜿蜒冷却流路、赋予凸缘结构等。对于精铸叶片，通过在铸模内部设置了模仿冷却流路的型芯的状态下浇铸，在凝固后除去型芯从而形成复杂的冷却流路。然而，在锻造叶片的情况下，由于需要在成型为叶片形状后形成冷却流路，因此单纯的机械加工、放电加工仅仅形成从叶片根部向着顶部沿单方向贯通那样的结构。因此，设计的自由度低，不能实现高的冷却效率。

专利文献1中，关于作为析出强化相的γ’相析出36～60体积％的高强度Ni基锻造合金，通过在加工时增加不有助于强化的不共格γ’相的比例而使加工性提高。

专利文献2中，公开了下述Ni基超耐热合金的制造方法，其包含下述工序：准备以质量％计，具有C：0.001～0.05％，Al：1.0～4.0％，Ti：4.5～7.0％，Cr：12～18％，Co：14～27％，Mo：1.5～4.5％，W：0.5～2.5％，B：0.001～0.05％，Zr：0.001～0.1％，残部由Ni和杂质构成的组成的待热加工材的工序；将上述待热加工材在1130～1200℃的温度范围保持至少2小时而加热的工序；将在上述加热工序中加热了的待热加工材以0.03℃/秒以下的冷却速度冷却直到热加工温度以下的工序；以及在上述冷却工序后，对待热加工材进行热加工的工序。根据该方法，可以改善热加工性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2015/008343号

专利文献2：日本专利第5652730号公报

发明内容

发明所要解决的问题

专利文献1中作为实施例对涡轮动叶片也进行了记载，但并未提供具体的动叶片的制造方法。此外，专利文献2涉及使高强度Ni基锻造合金的加工性提高的方法，但特别记载了在某种限定组成的合金中使热锻性提高而制作中小型坯(billet)，与专利文献1同样并未提供涡轮动叶片的制造方法。

本发明鉴于上述情况，提供涡轮动叶片的制造方法，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其加工性优异，冷却结构的设计自由度高。

用于解决课题的方法

为了解决上述课题，本发明提供涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其具有下述工序：使上述Ni基锻造合金的与母相的γ相不共格的γ’相增加的软化工序；使用上述软化工序后的Ni基锻造合金来形成构成动叶片的至少2个构件的第1加工工序；对上述构件分别形成冷却结构构成部的第2加工工序；以及将上述构件接合的第3加工工序。

发明的效果

根据本发明，可以提供涡轮动叶片的制造方法，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其加工性优异，冷却结构的设计自由度高。

附图说明

图1是示意性示出本发明涉及的涡轮动叶片的制造方法的一个工序的截面图。

图2是显示本发明涉及的涡轮动叶片的制造方法的流程图。

图3是示意性示出软化工序中的温度分布图和材料组织的图。

图4是说明图2的S21～S23的流程图。

具体实施方式

以下，对本发明涉及的实施方式详细说明。然而，本发明不限定于这里提出的实施方式，在不变更主旨的范围内能够进行适当组合、改良。

[本发明的基本思想]

图1是示意性示出本发明涉及的涡轮动叶片的制造方法的一个工序的截面图。本发明人等对能够达成上述目的的涡轮动叶片(以下，也称为“Ni基锻造叶片”)的制造方法进行了深入研究。其结果发现，根据以下制造工序，能够在叶片内部形成复杂的冷却结构。即，使与γ相4不共格的γ’相5的量增加而使Ni基锻造材的加工性提高，并且形成构成涡轮动叶片的至少2个构件(图1中，构件1和2)。而且，在各个构件中形成成为冷却流体6的冷却通路(冷却结构)的冷却结构构成部后，将各个构件接合。根据上述制造方法，即使是在1050℃以上含有10摩尔％以上40摩尔％以下的γ’相的、具有高的高温强度的Ni基锻造合金，也不产生加工裂纹，能够在锻造叶片内部形成复杂的冷却结构。本发明基于该认识。

图2是显示本发明涉及的涡轮动叶片的制造方法的流程图。如上所述，在本发明涉及的Ni基锻造叶片的制造方法中，具有下述工序：使作为原材料的Ni基锻造材(Ni基锻造合金)软化的软化工序(S1)；由软化后的原材料(软化材)制造构成Ni基锻造叶片的至少2个构件的第1加工工序(S21)；在第1加工工序后将冷却流路的前体(冷却结构构成部)形成于上述构件中的第2加工工序(S22)；在第2加工工序后将第1构件和第2构件接合，使其一体化而制成作为制品的涡轮动叶片(以下，也称为“动叶片”和“Ni基锻造叶片”)的第3加工工序(S23)。本发明以上述S1、S21、S22和S23作为必需工序。在S23之后可以具有用于将软化状态的动叶片高强度化的固溶-时效处理工序(S3)。以下，使用附图对各工序进行详细说明。

(S1：软化工序)

图3是示意性示出S1中的温度分布图和材料组织的图。如图3所示，S1具有热锻工序和冷却工序。首先，对热锻工序进行说明。热锻工序中，通过将Ni基锻造材在γ’相消失的温度(γ’相的固溶温度Ts)以下、并且γ相的再结晶迅速进行的温度以上的温度进行热锻，从而在γ相的晶界上使与γ相不共格的γ’相析出。另外，在本发明中所谓“γ相的晶界上”，是指“相邻的γ晶粒的边界”。

以下，示出热锻温度的根据。关于作为Ni基合金的主要强化机构的γ’相析出强化，γ/γ’相共格界面是有贡献的，通过将γ/γ’相界面不共格化而强化能力消失。热锻工序中，为了使不共格γ’相析出，要在γ’相的固溶温度以下、并且γ相的再结晶迅速进行的温度以上的温度进行热锻。在本发明中使用的原材料的γ’相的固溶温度最优选为1050℃以上。即使γ’相的固溶温度为1000～1050℃，也可获得本发明的效果，但在1000℃以下不共格γ’相不易析出，在950℃以下不能使不共格γ’相析出，因此不能获得本发明的效果。进一步，如果γ’相的固溶温度接近于Ni基合金原材料的熔点，则因为部分熔融等而在加工中产生裂纹，因此γ’相的固溶温度优选为小于1250℃。

热锻温度如上所述需要为γ相的再结晶迅速进行的温度以上。更具体而言，优选为1000℃以上，更优选为1050℃以上。如果热锻温度小于950℃，则不能使不共格γ’相析出，得不到本发明的效果。

接下来，对冷却(缓慢冷却)工序进行说明。冷却工序中，将使不共格γ’相33析出了的原材料从上述热锻温度以上的温度以50℃/h以下的冷却速度缓慢冷却，使不有助于强度的不共格γ’相33增加(生长)，从而使γ’33相的析出量增加而实现软化状态。刚热锻后的原材料除了不共格γ’相33以外，在原材料从热锻温度到室温的冷却期间共格γ’相32也析出。因此，冷却工序中，需要通过升温直到原材料的热锻温度以上，从而使共格γ’相32固溶而制成由γ相31与不共格γ’相33构成的双相组织。因此，冷却工序中的缓慢冷却前的温度优选为原材料的热锻温度以上并且γ’相的固溶温度以下。

以下，示出冷却工序中的冷却速度的根据。通过将原材料从热锻温度以上的温度开始缓慢冷却，从而共格γ’相32的析出驱动力减小，因此不共格γ’相33增加。因此，冷却速度越慢，则越能够使不共格γ’相33生长，冷却速度优选为50℃/h以下，更优选为10℃/h以下。

以下，示出冷却结束温度的根据。通过缓慢冷却直到后述的加工工序S21～S23的加工温度以下而增加不共格γ’相33，从而能够抑制加工温度时的共格γ’相32的析出。此外，温度越低，则共格γ’相32的析出驱动力越低，如果为500℃以下则几乎不发生析出。因此，冷却工序中的缓慢冷却结束温度优选为后段的加工温度以下，更优选为500℃以下。通过以上说明的软化工序，使动叶片用原材料软化而成为加工性良好的状态。

(S21：第1加工工序)

接下来，对通过上述的软化工序而成为软化状态的Ni基软化材，进行加工。图4是说明图2的S21～S23的流程图。首先，在第1加工工序(S21)中，关于Ni基软化材40a、40b(图4(a))，加工成构成动叶片的至少2个构件的形状(图4(b))。在图4(b)中，将动叶片分成两部分，即，作为动叶片的顶部(上端部)的构件41和构成动叶片的叶片部(顶部以外的部分)的构件42，加工成各自的形状。此时，如图4(d)所示，在构件41和42中设置在后述的第3加工工序(S3)中将成为各个构件的接合部的接合预定部43。第1加工工序中的加工没有特别限定，可以使用切削加工、热锻(模锻)或这两者来实施。

接合预定部43优选设置在接合时对动叶片尽量没有影响的位置。特别是，在构件的接合使用后述的摩擦搅拌接合的情况下，由于在接合时施加大的负荷，因此优选以不对动叶片的接合位置以外的部分施加大压力的方式设置接合预定部43。如图4(b)和4(c)所示，优选在构件的端部设置突出部，将该突出部设为接合部45。

(S22：第2加工工序)

在上述第1加工工序后，实施在各个构件中形成成为冷却流路的前体的冷却结构构成部44的第2加工工序(S22)。第2加工工序中的加工没有特别限定，可以使用钻孔加工、放电加工或这两者而成型为规定的形状。此时产生的飞边由于在动叶片那样的旋转体中可能成为裂缝的进展位置因此除去。

通过将冷却结构构成部44制成如例如图4(c)所示那样的结构，从而在后述的第3加工工序(S23)后，能够形成冷却流路180℃弯折了的蜿蜒流路。此外，在叶片部侧面通过钻孔加工而形成孔，从而也能够进行膜冷却。

(S23：第3加工工序)

在上述第2加工工序后，实施将各个构件接合的第3加工工序。接合可以适用各种接合方法，但优选通过摩擦搅拌接合来进行。如图4(d)所示，将图4(c)中形成的接合预定部43接合而形成接合部45。由此，通过组合各个构件的冷却结构构成部，从而形成所希望的冷却结构(冷却流路)。

以下，示出摩擦搅拌接合优选的根据。一般而言，大量包含合金元素的Ni基合金的焊接是困难的，但如果采用摩擦搅拌接合，则不会将接合部熔融，可以保持均匀的锻造组织来进行接合。因此，能够不使接合部的强度降低而接合。

(S3：固溶-时效处理工序)

在上述第3加工工序后，通过实施使不共格γ’相固溶并使共格γ’相再析出的固溶时效处理，从而能够使高温强度恢复。在本发明中关于固溶处理和时效处理的条件，没有特别限定，可以适用一般使用的条件。在固溶-时效处理工序后，优选在700℃包含30摩尔％以上的共格γ’相。如果共格γ’相的含量为30摩尔％以上，则可以获得具有充分的高温强度的Ni基锻造叶片。

如上所述，以往使用1个构件通过机械加工和放电加工而形成冷却结构，但该方法仅仅制作从叶片根部向着顶部沿单方向贯通的冷却结构。本发明中，首先使Ni基合金软化，准备构成动叶片的多个构件，对该构件形成冷却结构构成部后使构件合并而制成动叶片，因此可以形成在由1个构件制作动叶片的情况下不可能的、复杂形状的冷却结构(曲折流路)。进一步，通过在构件的接合时使用摩擦搅拌接合，接合后也可以保持均匀的锻造组织，因此能够不降低Ni基锻造材的强度地制作动叶片。

以上，作为实施本发明的方式，对燃气涡轮的动叶片制造方法进行了说明，但不限定于燃气涡轮，在不变更主旨的范围内也能够适当适用其它制品。作为例子，能够适用于压缩机、蒸汽涡轮的动叶片等旋转体。

实施例

以下，说明本发明的实施例。

(1)实施例1～3和比较材1～4的涡轮动叶片的制作

使用表1所示的组成的原材料，实施从上述的软化工序(S1)到固溶-时效处理工序(S3)而制作供试材(实施例1～3和比较材1～4)。将各供试材通过表2所示的方法进行评价。评价由“○”、“△”、“×”表述，在表3中记载评价基准。在各供试材的制作中，将表1所示的组成的合金利用真空感应加热熔化法熔化各50kg，在实施均质化处理后，在1050～1250℃进行热锻从而获得了原材料。表4中显示各供试材的评价结果。

[表1]

	Ni	Cr	Co	Mo	w	Ti	Al	C	B	Zr	Nb	Fe	Hf	Re	Ta
																实施例1	Bal.	15.6	8.4	3.0	2.6	3.5	2.3	0.01	0.01	0.03	1.1	3.9	-	-	-
实施例2	Bal.	13.4	25.2	2.8	1.3	5.9	2.5	0.02	0.01	0.04	-	-	-	-	-
																实施例3	Bal.	16.0	15.1	3.0	1.3	5.3	2.5	0.01	0.02	0.03	0.00	0.15	-	-	-
比较材1	Bal.	19.8	19.0	5.9	-	2.2	0.5	0.05	-	-	-	0.7	-	-	-
																比较材2	Bal.	19.0	12.1	6.2	1.0	2.9	2.0	0.03	-	-	-	-	-	-	-
比较材3	Bal.	13.1	24.8	2.9	1.2	6.0	2.4	0.02	0.02	0.05	-	-	-	-	-
																比较材4	Bal.	7.0	1.1	0.8	8.9	-	4.7	0.05	0.01	-	0.75	-	0.25	1.5	8.8

[表2]

[表3]

[表4]

(2)评价1：原材料的1050℃时的γ’相量的评价

原材料的1050℃时的γ’相量基于热力学计算来算出。实施例1～3和比较材3～4都是在1050℃下10摩尔％以上的γ’相热力学稳定地存在。关于比较材1，γ’相的固溶温度为1050℃以下，不存在。关于比较材2，在1050℃下γ’相存在10摩尔％以下。然而，关于比较材4，1050℃时的γ’相量超过40摩尔％，后述的S1后的评价中在锻造原材料并制成锻造原材料的过程中产生大的裂纹，因此评价结束。因此，如果1050℃以上时的γ’相量多于40摩尔％，则原材料的锻造变得困难，因此优选为40摩尔％以下。

(3)评价2：软化工序(S1)后的硬度评价

将每个供试材都升温直到锻造温度(1050～1250℃)后，以10℃/h缓慢冷却直到500℃后进行水冷，取出。然后，从供试材的端部采取0.5～1.0mm尺寸的试验片，使用显微维氏硬度计实施硬度测定。

实施例1～3和比较材1都是为350Hv以下。比较材2显示350～400Hv的硬度。关于比较材3，不实施软化工序(S1)，而实施了后段的第1加工工序(S21)。利用扫描型电子显微镜观察此时的组织，结果实施例1～3都可以确认到形成由γ相和不共格γ’相构成的双相组织。比较材1和2未确认到不共格γ’相，而析出了共格γ’相。比较材1由于使锻造温度为γ’相的固溶温度以上，因此不共格γ’相未析出，得不到本发明的效果。比较材2锻造温度为γ’相的固溶温度以上，但评价1中评价的1050℃时的γ’相量少，可以认为不能充分获得本发明的效果。关于比较材3，不共格γ’相和共格γ’相都析出了。这是因为，在软化工序(S1)前的原材料锻造时不共格γ’相析出，然后原材料冷却直到室温的过程中共格γ’相析出了。

(4)评价3：第1加工工序(S21)时的加工性评价

第1加工工序中，首先在950℃实施模锻而制作成为动叶片的顶部和叶片部的构件。在锻造中压力机的荷重不足，供试材不变形或在锻造后在供试材的内部或表面产生裂纹等缺陷的情况下判断为不可加工。关于切削加工，在加工中工具摩耗显著或产生缺损的情况下设为不可加工。

实施例1～3和比较材1都能够通过模锻和切削加工两者来加工。比较材1在软化工序S1中不共格γ’相未析出，但γ’相的量少，强度低，因此能够加工，并不有助于本发明的软化工序。关于比较材2，虽然能够进行切削加工，但不能模锻。此外，比较材3模锻和切削加工都不可。这是因为，比较材3是γ’相的固溶温度为1050℃以上的高强度材，此外比较剂3不实施软化工序，因此在加工时共格γ’相析出，为加工性低的状态。因此，在1050℃以上包含10摩尔％以上的γ’相的热力学稳定的Ni基合金的模锻和切削加工时，为了获得良好的加工性，需要实施上述的软化工序S1。

(5)评价4：第2加工工序(S22)时的加工性评价

第2加工工序中，首先在室温通过钻孔加工而对供试材形成冷却结构构成部。此时，与评价3同样地在加工中工具摩耗显著或产生缺损的情况下设为不可加工。关于放电加工，由于供试材全部为金属，因此能够适用。

实施例1～3和比较材1都是通过钻孔加工、放电加工的任一方法都能够加工。关于比较材1，加工性良好，但如上所述，原材料本身的强度低，因此并不有助于本发明的软化工序。关于比较材2，不能进行钻孔加工，但能够进行放电加工。

(6)评价5：第3加工工序(S23)时的加工性评价

第3加工工序中，将顶部和叶片部通过摩擦搅拌接合而接合。在工具不压入到供试材的情况下、施工中的工具摩耗和破损显著的情况下，而且在接合部在内部确认到缺陷、特殊的有害相等的情况下，设为不可接合。

实施例1～3和比较材1在任一情况下都能够接合，采用显微镜的观察中也未确认接合部中的缺陷等，是微细的多晶组织。即，包含接合部的动叶片整体具有均匀的锻造组织。比较材2不能压入工具，不可接合。

(7)固溶时效处理工序(S23)后的γ’相量的评价

固溶时效处理在各供试材的标准热处理条件下实施，然后通过组织观察和图像解析，算出共格γ’相的析出量。实施例1～3都是在700℃下30摩尔％以上的共格γ’相析出，可以提供具有充分的高温强度的动叶片。比较材1在700℃下的γ’相量为30摩尔％以下。

如上，根据本发明，证实了可以提供涡轮动叶片的制造方法，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其加工性优异，冷却结构的设计自由度高。

另外，上述实施例是为了帮助理解本发明而进行的具体说明，本发明不限定于具备说明的全部构成。例如，能够将某些实施例的构成的一部分置换成其它实施例的构成，此外，也能够在某些实施例的构成中加入其它实施例的构成。进一步，关于各实施例的构成的一部分，能够削除、置换成其它构成、追加其它构成。

符号说明

1、41…第1构件，

2、42…第2构件，

3、45…接合部，

4、31…γ相，

5、33…不共格γ’相，

32…共格γ’相，

43…接合预定部，

44…冷却结构构成部，

S1…软化工序，

S21…第1加工工序，

S22…第2加工工序，

S23…第3加工工序，

S3…固溶-时效处理工序。

Claims (14)

1.一种涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，是使用了Ni基锻造合金的涡轮动叶片的制造方法，其具有下述工序：

使所述Ni基锻造合金的与母相的γ相不共格的γ’相增加的软化工序，

使用所述软化工序后的Ni基锻造合金来形成构成动叶片的至少2个构件的第1加工工序，

对所述构件分别形成冷却结构构成部的第2加工工序，以及

将所述构件接合的第3加工工序。

2.根据权利要求1所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，在所述第3加工工序中，通过摩擦搅拌接合而将所述构件接合。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，所述软化工序具有下述工序：

在γ相的固溶温度以下、并且γ相的再结晶迅速进行的温度以上的温度进行热锻而使不共格γ’相析出的热锻工序，以及

从所述热锻的温度以上的温度缓慢冷却而使不共格γ’相增加的冷却工序。

4.根据权利要求3所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，所述热锻的温度为1050℃以上且小于1250℃，所述冷却工序中的冷却速度为10℃/h以上50℃/h以下。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，在所述第1加工工序中，通过切削加工而形成所述构件之中的至少1个。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，在所述第1加工工序中，通过热锻而形成所述构件之中的至少1个。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，在所述第2加工工序中，对所述构件之中的至少1个通过钻孔加工而形成所述冷却结构形成部。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，在所述第2加工工序中，对所述构件之中的至少1个通过放电加工而形成所述冷却结构构成部。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，进一步，在所述第3加工工序后具有固溶-时效处理工序。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，所述Ni基锻造合金在1050℃以上包含10摩尔％以上40摩尔％以下的γ’相。

11.根据权利要求9所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，所述固溶-时效处理工序后的Ni基锻造合金在700℃以下包含30摩尔％以上的与母相共格的γ’相。

12.根据权利要求1～11中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，在所述第3加工工序中被接合了的所述构件的接合部具有锻造组织。

13.根据权利要求1～12中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，所述构件为构成所述涡轮动叶片的叶片部和顶部的构件。

14.根据权利要求1～13中任一项所述的涡轮动叶片的制造方法，其特征在于，所述冷却结构构成部在所述第3加工工序中通过接合所述构件而形成涡轮动叶片的冷却结构。