CN110130995B - 一种高强度汽轮机叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度汽轮机叶片及其制备方法，叶身包括内弧侧面和外弧侧面，叶身在内弧侧面处设有多个挡风凸条，所述挡风凸条沿叶身的长度方向设置，且所述挡风凸条远离叶身的一侧向所述叶身的进风侧延伸有挡风块，所述挡风块与挡风凸条之间的夹角为钝角。本发明的汽轮机叶片耐摩擦性能较强。

Description

一种高强度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，特别是涉及一种高强度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份，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如何提高汽轮机叶片的耐摩擦性能。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种高强度汽轮机叶片，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：所述叶身在内弧侧面处设有多个挡风凸条，所述挡风凸条沿叶身的长度方向设置，且所述挡风凸条远离叶身的一侧向所述叶身的进风侧延伸有挡风块，所述挡风块与挡风凸条之间的夹角为钝角；
该汽轮机叶片包括按照重量份数比的以下组分：C：7-9份，Si：4-5份，Mn：0.8-1份，V：2-3份，Ti：9-12份，Al：2-3份，S：1-2份，镍：4-5份，二硫化钼：3-4份，碳纤维：3-5份，苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物：3.6-4.2份，耐磨剂：4-5份，抗氧化剂：1-1.5份，分散剂：2-3份，填料：6-9份。
本发明进一步限定的技术方案是：所述锐角的大小为120-150度。
前所述的高强度汽轮机叶片，所述挡风凸条上均开设有多个通风孔。
前所述的高强度汽轮机叶片，所述通风孔均匀排布在所述挡风凸条上，且相邻的所述挡风凸条上的通风孔互相错位。
进一步的，所述耐磨剂包括纳米氧化铝、纳米氧化锌和碳化硅，且所述纳米氧化铝、纳米氧化锌和碳化硅的比例为5:2:1。
前所述的高强度汽轮机叶片，所述分散剂为硅酮粉、聚四氟乙烯粉中的一种或两种以上混合物。
前所述的高强度汽轮机叶片，所述的抗氧剂为抗氧剂1098和抗氧剂168的混合物。
一种高强度汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
a、将上述配比的C、Si、Mn、V、Ti、Al、S加入熔炼炉中，将熔炼炉炉温升至920-935℃，加热35-40min，然后升温至1400-1450℃，搅拌使得原料全部融化，加入镍、二硫化钼、碳纤维、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物、耐磨剂、抗氧化剂、分散剂和填料，迅速升温至1200-1500℃，搅拌加热4-6小时，然后保温1-2小时，形成合金溶液，待用；
b、将步骤a中的合金溶液进行加热融化，通过射嘴将熔融后的注射到模具内，然后冷却开模，即可制得坯体。
c、向将坯体加热至430-490℃，到温后保温10-13min，然后空冷至室温；再将坯体加热至620-650℃，到温后保温10-11min，然后水冷至室温；将钢板坯料加热至730-750℃，到温后保温25-30min，然后空冷至室温。
前所述的方法，所述步骤b中，在将所述合金溶液加入到模具之前，将所述模具的温度控制在250-355℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中的汽轮机叶片，在叶身上添加有挡风凸条，可以提高叶身对水蒸汽的阻力，从而提高汽轮机叶片对水蒸汽的利用，提高汽轮机叶片的效率，此外，添加的挡风块可以进一步的提高挡风凸条对水蒸汽的阻力，且将挡风块与挡风凸条之间的夹角为钝角，使得水蒸汽可以较顺利的经过挡风凸条和挡风块，从而不易造成汽轮机叶片的晃动；
(2)本发明中设置在挡风凸条上的通风孔，供水蒸汽依次穿过挡风凸条，防止水蒸汽对首个的挡风凸条的冲击力太大，可以将水蒸汽分流在多个挡风凸条上，此外，相邻挡风凸条上的通风孔相互错位设置，可以使得由通风孔穿过挡风凸条的水蒸汽首先冲击在挡风凸条上，而不是直接冲击在挡风凸条的通风孔上，从而确保对水蒸汽的利用率；
(3)本发明的汽轮机叶片以Ti为主体，添加的C和W可以形成WC，确保汽轮机叶片的强度和耐摩擦性能，加入的苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物作为抗冲击改性剂，可以大大改善汽轮机叶片的抗冲击性，在原料中加入Si等元素，在熔炼的氧化性气氛中可以很快地生成一层致密的保护膜，并牢固地附在汽轮机叶片的表面，进一步的提高汽轮机叶片的耐摩擦性能，加入的可以提高汽轮机叶片的密闭性，蒸汽冲击汽轮机叶片时，无法透过汽轮机叶片中存在的气孔以及缝隙进入到汽轮机叶面内使得汽轮机叶片耐点蚀以及耐缝隙腐蚀，另此外，本发明添加的Mn和S，在冶炼时可以形成MnS，MnS可以在温度升高至835℃时开始扩散，MnS扩散夹杂在基材的间隙处，提高汽轮机叶片的硬度值和其抗冲击性能。
附图说明
图1为本发明用于体现叶身的结构示意图；
图2为本发明用于体现挡风凸条和挡风板的结构示意图。
其中：1、叶根；2、叶身；3、叶冠；4、挡风凸条；5、挡风块；6、通风孔。
具体实施方式
本实施例提供的一种高强度汽轮机叶片，如图1和2所示，包括叶根1、叶身2和叶冠3，叶根1、叶身2和叶冠3依次固定连接，叶身2包括内弧侧面和外弧侧面，叶身在内弧侧面处设有多个挡风凸条4，挡风凸条4可以提高叶身对水蒸汽的阻力，提高汽轮机叶片的工作效率，且挡风凸条4沿叶身2的长度方向设置，此外，在挡风凸条4远离叶身2的一侧向叶身2的进风侧延伸有挡风块5，可以进一步的提高挡风凸条4对水蒸汽的阻力，进一步的提高汽轮机叶片的工作效率，且本方案中，将挡风块5与挡风凸条4之间的夹角为钝角，锐角的大小为120-150度。
具体的，本实施例中，可以将挡风凸条4上均开设有多个通风孔6，供水蒸汽依次穿过挡风凸条4，防止水蒸汽对首个的挡风凸条4的冲击力太大，可以将水蒸汽分流在多个挡风凸条4上，再具体的，通风孔6均匀排布在挡风凸条4上，且相邻的挡风凸条4上的通风孔6互相错位，相邻挡风凸条4上的通风孔6相互错位设置，可以使得由通风孔6穿过挡风凸条4的水蒸汽首先冲击在挡风凸条4上，而不是直接冲击在挡风凸条4的通风孔6上，从而确保对水蒸汽的利用率。
该汽轮机叶片包括按照重量份数比的以下组分：C：7份，Si：4份，Mn：0.8份，V：2份，Ti：9份，Al：2份，S：1份，镍：4份，二硫化钼：3份，碳纤维：3份，苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物：3.6份，耐磨剂：4份，抗氧化剂：1份，分散剂：2份，填料：6份。
耐磨剂可以提高汽轮机叶片的耐磨性能，其包括纳米氧化铝、纳米氧化锌和碳化硅，且纳米氧化铝、纳米氧化锌和碳化硅的比例为5:2:1，分散剂为硅酮粉、聚四氟乙烯粉中的一种或两种以上混合物，抗氧剂为抗氧剂1098和抗氧剂168的混合物。
一种高强度汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：
a、将上述配比的C、Si、Mn、V、Ti、Al、S加入熔炼炉中，将熔炼炉炉温升至920-935℃，加热35-40min，然后升温至1400-1450℃，搅拌使得原料全部融化，加入镍、二硫化钼、碳纤维、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物、耐磨剂、抗氧化剂和填料，迅速升温至1200-1500℃，搅拌加热4-6小时，然后保温1-2小时，形成合金溶液，待用；
b、将步骤a中的合金溶液进行加热融化，通过射嘴将熔融后的注射到模具内，然后冷却开模，即可制得坯体。
c、向将坯体加热至430-490℃，到温后保温10-13min，然后空冷至室温；再将坯体加热至620-650℃，到温后保温10-11min，然后水冷至室温；将钢板坯料加热至730-750℃，到温后保温25-30min，然后空冷至室温。
其中，在步骤b中，在将合金溶液加入到模具之前，将模具的温度控制在250-355℃。
实施例2：一种高强度汽轮机叶片，与实施例1不同之处在于，该汽轮机叶片包括按照重量份数比的以下组分：C：8份，Si：4.5份，Mn：0.9份，V：2.5份，Ti：10.5份，Al：2.5份，S：1.5份，镍：4.5份，二硫化钼：3.5份，碳纤维：4份，苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物：3.9份，耐磨剂：4.5份，抗氧化剂：1.25份，分散剂：2.5份，填料：7.5份。
实施例3：一种高强度汽轮机叶片，与实施例1不同之处在于，该汽轮机叶片包括按照重量份数比的以下组分：C：9份，Si：5份，Mn：1份，V：3份，Ti：12份，Al：3份，S：2份，镍：5份，二硫化钼：4份，碳纤维：5份，苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物：4.2份，耐磨剂：5份，抗氧化剂：1.5份，分散剂：3份，填料：9份。
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1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，即摩擦后叶片表面形貌观察可知，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。
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 (6)

1.一种高强度汽轮机叶片，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，所述叶身（2）包括内弧侧面和外弧侧面，其特征在于：所述叶身（2）在内弧侧面处设有多个挡风凸条（4），所述挡风凸条（4）沿叶身（2）的长度方向设置，且所述挡风凸条（4）远离叶身（2）的一侧向所述叶身（2）的进风侧延伸有挡风块（5），所述挡风块（5）与挡风凸条（4）之间的夹角为钝角，所述钝角的大小为120-150度；
该汽轮机叶片包括按照重量份数比的以下组分：C：7-9份，Si：4-5份，Mn：0.8-1份，V：2-3份，Ti：9-12份，Al：2-3份，S：1-2份，镍：4-5份，二硫化钼：3-4份，碳纤维：3-5份，苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物：3.6-4.2份，耐磨剂：4-5份，抗氧化剂：1-1.5份，分散剂：2-3份，填料：6-9份；
所述挡风凸条（4）上均开设有多个通风孔（6），所述通风孔（6）均匀排布在所述挡风凸条（4）上，且相邻的所述挡风凸条（4）上的通风孔（6）互相错位。
2.根据权利要求1所述的一种高强度汽轮机叶片，其特征在于：所述耐磨剂包括纳米氧化铝、纳米氧化锌和碳化硅，且所述纳米氧化铝、纳米氧化锌和碳化硅的重量份数比例为5:2:1。
3.根据权利要求1所述的一种高强度汽轮机叶片，其特征在于：所述分散剂为硅酮粉、聚四氟乙烯粉中的一种或两种以上混合物。
4.根据权利要求1所述的一种高强度汽轮机叶片，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1098 和抗氧剂168的混合物。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的高强度汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将汽轮机叶片组分中的C、Si、Mn、V、Ti、Al、S加入熔炼炉中，将熔炼炉炉温升至920-935℃，加热35-40min，然后升温至1400-1450℃，搅拌使得原料全部融化，加入镍、二硫化钼、碳纤维、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物、耐磨剂、分散剂、抗氧化剂和填料，迅速升温至1200-1500℃，搅拌加热4-6小时，然后保温1-2小时，形成合金溶液，待用；
b、将步骤a中的合金溶液进行加热融化，通过射嘴将熔融后的注射到模具内，然后冷却开模，即可制得坯体；
c、向将坯体加热至430-490℃，到温后保温10-13min，然后空冷至室温；再将坯体加热至620-650℃，到温后保温10-11min，然后水冷至室温；将钢板坯料加热至730-750℃，到温后保温25-30min，然后空冷至室温。
6.根据权利要求5所述的高强度汽轮机叶片的制备方法，其特征在于：所述步骤b中，在将所述合金溶液加入到模具之前，将所述模具的温度控制在250-355℃。
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