CN116262289A - 汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片，包括以下步骤：采用雾化制粉工艺将司太立合金材料制成粉末状；建立与汽轮机长叶片相适配的抗水蚀片3D模型，选取打印基板，采用激光选区熔化成型工艺将粉末状的司太立合金材料成型于打印基板，得到抗水蚀片的合金打印件；对合金打印件进行真空固溶热处理之后冷却至室温，得到汽轮机长叶片的抗水蚀片产品；对抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，若抗水蚀片产品在室温下的洛氏硬度≥37HRC，则合格。本发明能够批量生产形状更匹配、抗水蚀能力更强、硬度更高的汽轮机长叶片的抗水蚀片，进一步满足汽轮机的工况要求，使抗水蚀片的生产工艺更加简单。

Description

汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片
技术领域
本发明涉及汽轮机技术领域，特别是涉及一种基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片。
背景技术
众所周知，长叶片的应用使汽轮机效率显著提升，但末级叶片工作在湿蒸汽区域，且长叶片端部圆周速度很高，比较容易形成水蚀。为了降低叶片进汽边附近的水蚀作用，除在通流部分的结构上采取相应的去湿措施，减轻对叶片的撞击以外，还需要采取叶片表面防护措施。由于Stellite6合金具有良好的组织稳定性和较高的硬度，在水滴撞击时仅引起小量变形，而其韧性较好，不容易形成裂纹。因而许多汽轮机制造厂采用Stellite6合金作为长叶片的防水蚀材料，并对防水蚀取得良好的效果。对于带有围带的自锁式长叶片，围带端的结构比较复杂，相应的Stellite6合金片在生产制造过程中也存在较大的困难。现有技术是采用粉末冶金的方式，制造这种复杂结构的Stellite6合金片，但是存在模具成本较高、生产周期较长的缺点。
现有中国专利(公开号：CN109514058A)提供了一种汽轮机末级叶片防水蚀处理方法：运行自动微弧等离子喷焊程序，在待堆焊坡口上自动微弧等离子喷焊司太立合金。即该方法需要机器人系统和旋转变位机，这极大增加了额外设备成本。
现有中国专利(公开号：CN108823564A)提供了一种利用激光熔覆技术制备防腐涂层的方法：S1、熔覆基体预处理；S2、熔覆材料干燥处理；S3.采用激光器结合同轴送粉法使熔覆材料与熔覆基体表层同时熔化，形成一层合金涂层，即得所述防腐涂层；其中，步骤S1所述熔覆基体为Q960钢；步骤S2所述熔覆材料为Stellite 6合金粉末。即方法仅仅适用于解决Q960钢耐水蚀性差的问题。此外，还有一个缺点需要强调：长叶片围带端的结构比较复杂，激光熔覆的难度比较大，尺寸精度、熔覆质量难以满足使用要求。还有另一个缺点需要强调：对于末级叶片所处的特殊工作环境，上述利用激光熔覆技术制备防腐涂层的方法不能完全适用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片，能够批量生产形状更匹配、抗水蚀能力更强、硬度更高的汽轮机长叶片的抗水蚀片，进一步满足汽轮机的工况要求，使抗水蚀片的整体生产工艺更加简单。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，包括以下步骤：
采用雾化制粉工艺将司太立合金材料制成粉末状；
建立与汽轮机长叶片相适配的抗水蚀片3D模型，选取打印基板，对打印基板进行预处理并且放置于3D打印设备的成型室内，采用激光选区熔化成型工艺将粉末状的司太立合金材料成型于打印基板，得到抗水蚀片的合金打印件；所述激光选区熔化成型工艺的扫描策略为先对合金打印件的实体部分进行激光扫描，后对合金打印件的轮廓部分进行激光扫描，相邻两层的激光打印幅面之间的相位角为45～135度；
对合金打印件进行真空固溶热处理之后冷却至室温，得到汽轮机长叶片的抗水蚀片产品；
对抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，若抗水蚀片产品在室温下的洛氏硬度≥37HRC，则合格。
优选地，所述雾化制粉工艺的粉末指标包括：
雾化气体为氩气，氩气的压力为6～10MPa，司太立合金材料在液体状态时的加热温度为1450～1650℃，司太立合金材料在液体状态时的流量为5～10Kg/min。
优选地，所述雾化制粉工艺的工艺参数还包括：
司太立合金材料的粉末流动性≤20s/50g，司太立合金材料的粉末粒径分布为15～53μm，司太立合金材料的粉末球形度大于80％，司太立合金材料的粉末空心率＜2％。
优选地，所述司太立合金材料的各个组分的质量百分比为：C：1.00～1.40％，Cr：28.00～29.00％，Fe：≤2.00％，Mn≤0.30％，Ni≤2.50％，Si：0.80～1.50％；W：4.00～5.00％，余量为Co和杂质。
优选地，所述打印基板的材料种类为不锈钢，打印基板的预热温度为150～200℃。
优选地，所述激光选区熔化成型工艺的工艺参数包括：
对于合金打印件的实体部分：实体扫描间距：0.150～0.220mm，实体扫描速度：1150～1250mm/s，实体激光功率：270～350W；
对于合金打印件的轮廓部分：轮廓扫描速度：1350～1450mm/s，轮廓激光功率：220～260W；
激光光斑的直径为60～80μm，激光扫描的层厚为55～70μm。
优选地，所述激光选区熔化成型工艺的工艺参数还包括：
对于合金打印件的支撑件：支撑扫描速度为1300～1400mm/s，支撑扫描功率为240～280W。
优选地，所述激光选区熔化成型工艺的工艺参数还包括：
所述成型室的内部氧含量≤0.06％。
优选地，所述真空固溶热处理的温度为1100～1200℃，真空固溶热处理的保温时间为0.5～1.5h。
本发明还提供一种汽轮机长叶片，包括：
长叶片基体；
抗水蚀片，抗水蚀片采用所述基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法制成，抗水蚀片采用钎焊工艺固连于长叶片基体。
如上所述，本发明的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片，具有以下有益效果：首先，采用雾化制粉工艺将司太立合金材料制成粉末状；接着，建立与汽轮机长叶片相适配的抗水蚀片3D模型，选取打印基板，将打印基板作为抗水蚀片的本体，对打印基板进行预处理并且放置于3D打印设备的成型室内，采用激光选区熔化成型工艺将粉末状的司太立合金材料成型于打印基板，得到抗水蚀片的合金打印件。需要强调的是：上述激光选区熔化成型工艺的扫描策略为先对合金打印件的实体部分进行激光扫描，后对合金打印件的轮廓部分进行激光扫描，相邻两层的激光打印幅面之间的相位角为45～135度，这样能够使最终的抗水蚀片的力学性能更加适应于汽轮机的工作环境，进而提高最终的抗水蚀片的抗水蚀能力和抗形变能力，从而提高汽轮机长叶片的使用寿命。然后，对合金打印件进行真空固溶热处理之后冷却至室温，这样能够进一步提高最终的抗水蚀片的耐水蚀性和硬度，此时得到汽轮机长叶片的抗水蚀片产品。最后，对抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，若抗水蚀片产品在室温下的洛氏硬度≥37HRC，则合格，满足预设洛氏硬度的抗水蚀片产品更加适合应用于汽轮机的工作环境。因此，本发明的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法能够批量生产形状更匹配、抗水蚀能力更强、硬度更高的汽轮机长叶片的抗水蚀片，进一步满足汽轮机的工况要求，并且使抗水蚀片的整体生产工艺更加简单。本发明的汽轮机长叶片的制造成本更低并且使用寿命更长。
附图说明
图1显示为本发明的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法的实施例的流程图；
图2显示为汽轮机长叶片的示意图。
元件标号说明
1 长叶片基体
2 抗水蚀片
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，包括以下步骤：
S1，采用雾化制粉工艺将司太立合金材料制成粉末状；
S2，建立与汽轮机长叶片相适配的抗水蚀片3D模型，选取打印基板，对打印基板进行预处理并且放置于3D打印设备的成型室内，采用激光选区熔化成型工艺将粉末状的司太立合金材料成型于打印基板，得到抗水蚀片的合金打印件；所述激光选区熔化成型工艺的扫描策略为先对合金打印件的实体部分进行激光扫描，后对合金打印件的轮廓部分进行激光扫描，相邻两层的激光打印幅面之间的相位角为45～135度(即当前层的激光打印幅面与相邻层的激光打印幅面的旋转角度为45～135度)；
S3，对合金打印件进行真空固溶热处理之后冷却至室温，得到汽轮机长叶片的抗水蚀片产品；
S4，对抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，若抗水蚀片产品在室温下的洛氏硬度≥37HRC，则合格。
在本发明中，首先，采用雾化制粉工艺将司太立合金材料制成粉末状；接着，建立与汽轮机长叶片相适配的抗水蚀片3D模型(例如，技术人员可以通过3D建模软件实现)，选取打印基板，将打印基板作为抗水蚀片的本体，对打印基板进行预处理并且放置于3D打印设备的成型室内，采用激光选区熔化成型工艺将粉末状的司太立合金材料成型于打印基板，得到抗水蚀片的合金打印件。需要强调的是：上述激光选区熔化成型工艺的扫描策略为先对合金打印件的实体部分进行激光扫描，后对合金打印件的轮廓部分进行激光扫描，相邻两层的激光打印幅面之间的相位角为45～135度，优选为90度，这样能够使最终的抗水蚀片的力学性能更加适应于汽轮机的工作环境，进而提高最终的抗水蚀片的抗水蚀能力和抗形变能力，从而提高汽轮机长叶片的使用寿命。然后，对合金打印件进行真空固溶热处理之后冷却至室温，这样能够进一步提高最终的抗水蚀片的耐水蚀性和硬度，此时得到汽轮机长叶片的抗水蚀片产品。最后，对抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，若抗水蚀片产品在室温下的洛氏硬度≥37HRC，则合格，满足预设洛氏硬度的抗水蚀片产品更加适合应用于汽轮机的工作环境。因此，本发明的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法能够批量生产形状更匹配、抗水蚀能力更强、硬度更高的汽轮机长叶片的抗水蚀片，进一步满足汽轮机的工况要求，并且使抗水蚀片的整体生产工艺更加简单。
上述步骤S1还包括：对粉末状的司太立合金材料进行干燥处理。
为了使上述司太立合金材料的粉末参数满足汽轮机的工况要求，上述述雾化制粉工艺的工艺参数包括：雾化气体为氩气，氩气的压力为6～10MPa，司太立合金材料在液体状态时的加热温度为1450～1650℃，司太立合金材料在液体状态时的流量为5～10Kg/min。此外，司太立合金材料的原材料形状为棒材。进一步的，上述雾化制粉工艺的粉末指标包括：司太立合金材料的粉末流动性≤20s/50g，司太立合金材料的粉末粒径分布为15～53μm，司太立合金材料的粉末球形度大于80％，司太立合金材料的粉末空心率＜2％。如此设置，由司太立合金粉末成型的合金打印件的形状、力学性能以及化学性能更符合汽轮机长叶片的设计要求。
上述司太立合金材料可以是Stellite6钴基合金，所述司太立合金材料的各个组分的质量百分比为：C：1.00～1.40％，Cr：28.00～29.00％，Fe：≤2.00％，Mn≤0.30％，Ni≤2.50％，Si：0.80～1.50％；W：4.00～5.00％，余量为Co和杂质。经测试，该种Stellite6钴基合金更适合汽轮机的工作环境。
为了进一步提高上述合金打印件的硬度，所述打印基板的材料种类为不锈钢，打印基板的预热温度为150～200℃。
为了进一步提高上述合金打印件的硬度，上述激光选区熔化成型工艺的工艺参数包括：对于合金打印件的实体部分：实体扫描间距：0.150～0.220mm，实体扫描速度：1150～1250mm/s，实体激光功率：270～350W；对于合金打印件的轮廓部分：轮廓扫描速度：1350～1450mm/s，轮廓激光功率：220～260W；激光光斑的直径为60～80μm，激光扫描的层厚为55～70μm。进一步的，上述激光选区熔化成型工艺的工艺参数还包括：对于合金打印件的支撑件：支撑扫描速度为1300～1400mm/s，支撑扫描功率为240～280W。为了保证合金打印件的成型质量，上述激光选区熔化成型工艺的工艺参数还包括：所述成型室的内部氧含量≤0.06％。
为了进一步提高最终的抗水蚀片的耐水蚀性和硬度，上述真空固溶热处理的温度为1100～1200℃，真空固溶热处理的保温时间为0.5～1.5h。
如图2所示，本发明还提供一种汽轮机长叶片，包括：
长叶片基体1；
抗水蚀片2，抗水蚀片2采用上述基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法制成，抗水蚀片2采用钎焊工艺固连于长叶片基体1。本发明的汽轮机长叶片的制造成本更低并且使用寿命更长。
具体的，抗水蚀片2采用钎焊工艺固连于长叶片基体1具有围带的部位以及围带的附近处。
作为上述汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法的第一具体实施例，包括以下步骤：
S1，利用Stellite6高温合金棒材进行气雾化制粉，得到粒径范围为15～53μm的金属粉末，粉末成分为C：1.00％，Cr：28.15％，Fe：1.80％，Mn：0.25％，Ni：2.10％，Si：0.85％；W：4.25％，余量为Co和杂质；
S2，利用步骤S1所得到的粉末进行激光选区熔化成型，得到形状满足预设要求的Stellite6钴基合金构件，即合金打印件；
S3，将步骤S2得到的形状尺寸满足预设要求的合金打印件进行真空固溶热处理，得到形状和硬度均满足预设要求的抗水蚀片产品。
在上述步骤S1中，以Stellite6高温合金棒材为原材料，采用气雾化制粉工艺，雾化气体为氩气，氩气的压力为6MPa，Stellite6合金液体的加热温度为1450℃，Stellite6合金液体的流量为每分钟10Kg，得到粒径范围为15～53μm的合金粉末。
在上述步骤S2中，上述激光选区熔化成型工艺的工艺参数为：实体扫描间距：0.15mm，实体扫描速度：1150mm/s，实体激光功率：290W，轮廓扫描速度：1350mm/s，轮廓激光功率：220W，光斑直径为70μm，扫描策略为先实体后轮廓，相位角为90°，扫描层厚为60μm；支撑扫描速度为1300mm/s，支撑扫描功率为250W。
在上述步骤S3中，上述真空固溶热处理的步骤包括：将打印的合金打印件放在真空热处理炉内1150℃并且保温40min，随炉冷却至室温。
对得到的抗水蚀片产品采用同批试样进行力学性能测试，测得抗水蚀片产品的洛氏硬度为37.8HRC，符合设计要求。
作为上述汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法的第二具体实施例，包括以下步骤：
利用Stellite6高温合金棒材进行气雾化制粉，氩气的压力为10MPa，Stellite6合金液体的加热温度为1550℃，Stellite6合金液体的流量为每分钟8Kg，得到粒径范围为15～53μm的金属粉末，粉末成分为C：1.35％，Cr：28.85％，Fe：0.05％，Mn：0.10％，Ni:0.10％，Si：1.50％；W：4.85％，余量为Co和杂质；以得到的金属粉末为原材料，采用如下激光扫描工艺：实体扫描间距：0.22mm，实体扫描速度：1250mm/s，实体激光功率：340W，轮廓扫描速度：1450mm/s，轮廓激光功率：260W，光斑直径为80μm，扫描策略为先实体后轮廓，相位角为90°，扫描层厚为70μm；支撑扫描速度为1400mm/s，支撑扫描功率为280W，制备Stellite6钴基合金构件，即合金打印件，然后置于1200℃真空炉中并且保温1.5h，随炉冷至室温。对得到的抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，结果为38.5HRC，满足汽轮机的设计要求。
综上所述，本发明基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法及汽轮机长叶片，能够批量生产形状更匹配、抗水蚀能力更强、硬度更高的汽轮机长叶片的抗水蚀片，进一步满足汽轮机的工况要求，并且使抗水蚀片的整体生产工艺更加简单。本发明的汽轮机长叶片的制造成本更低并且使用寿命更长。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用雾化制粉工艺将司太立合金材料制成粉末状；
建立与汽轮机长叶片相适配的抗水蚀片3D模型，选取打印基板，对打印基板进行预处理并且放置于3D打印设备的成型室内，采用激光选区熔化成型工艺将粉末状的司太立合金材料成型于打印基板，得到抗水蚀片的合金打印件；所述激光选区熔化成型工艺的扫描策略为先对合金打印件的实体部分进行激光扫描，后对合金打印件的轮廓部分进行激光扫描，相邻两层的激光打印幅面之间的相位角为45～135度；
对合金打印件进行真空固溶热处理之后冷却至室温，得到汽轮机长叶片的抗水蚀片产品；
对抗水蚀片产品进行洛氏硬度测试，若抗水蚀片产品在室温下的洛氏硬度≥37HRC，则合格。
2.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述雾化制粉工艺的工艺参数包括：
雾化气体为氩气，氩气的压力为6～10MPa，司太立合金材料在液体状态时的加热温度为1450～1650℃，司太立合金材料在液体状态时的流量为5～10Kg/min。
3.根据权利要求2所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述雾化制粉工艺的粉末指标包括：
司太立合金材料的粉末流动性≤20s/50g，司太立合金材料的粉末粒径分布为15～53μm，司太立合金材料的粉末球形度大于80％，司太立合金材料的粉末空心率＜2％。
4.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述司太立合金材料的各个组分的质量百分比为：C：1.00～1.40％，Cr：28.00～29.00％，Fe：≤2.00％，Mn≤0.30％，Ni≤2.50％，Si：0.80～1.50％；W：4.00～5.00％，余量为Co和杂质。
5.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述打印基板的材料种类为不锈钢，打印基板的预热温度为150～200℃。
6.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述激光选区熔化成型工艺的工艺参数包括：
对于合金打印件的实体部分：实体扫描间距：0.150～0.220mm，实体扫描速度：1150～1250mm/s，实体激光功率：270～350W；
对于合金打印件的轮廓部分：轮廓扫描速度：1350～1450mm/s，轮廓激光功率：220～260W；
激光光斑的直径为60～80μm，激光扫描的层厚为55～70μm。
7.根据权利要求6所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述激光选区熔化成型工艺的工艺参数还包括：
对于合金打印件的支撑件：支撑扫描速度为1300～1400mm/s，支撑扫描功率为240～280W。
8.根据权利要求6所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述激光选区熔化成型工艺的工艺参数还包括：
所述成型室的内部氧含量≤0.06％。
9.根据权利要求1所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法，其特征在于：所述真空固溶热处理的温度为1100～1200℃，真空固溶热处理的保温时间为0.5～1.5h。
10.一种汽轮机长叶片，其特征在于，包括：
长叶片基体；
抗水蚀片，抗水蚀片采用如权利要求1至权利要求9任一项所述的基于激光选区熔化技术的汽轮机长叶片抗水蚀片制造方法制成，抗水蚀片采用钎焊工艺固连于长叶片基体。
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