專利名稱：渦輪動(dòng)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在葉片前端作為防侵蝕層、具有通過熱處理而硬化的區(qū)域的渦輪動(dòng)葉 片。
背景技術(shù)：
在蒸氣渦輪機(jī)的低壓段，由于渦輪動(dòng)葉片在濕蒸汽氣(飽和水蒸氣)內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所 以，渦輪動(dòng)葉片受到由于與濕蒸汽結(jié)露而成的水滴的碰撞引起的侵蝕。由于在受到侵蝕的 部位應(yīng)力集中增加，所以，存在從該處產(chǎn)生龜裂的情況。近年來，為了增加渦輪機(jī)的輸出和提高效率，有加長葉片長度的傾向，伴隨著葉片 長度的增加，葉片前端的圓周速度增加，所以，要求比現(xiàn)有技術(shù)提高的耐侵蝕強(qiáng)度。因此，作為降低侵蝕的措施，已知有在葉片前端通過電子束焊接或利用銀釬焊來 貼裝鈷基合金板的方法、以及通過激光加熱等熱處理將葉片前端硬化的措施。在通過熱處 理進(jìn)行硬化的情況下，對(duì)于半徑方向的硬度的分布，在現(xiàn)有技術(shù)中沒有特別加以考慮(例 如，參照專利文獻(xiàn)1、2)。在葉片前端貼裝鈷基合金板的方法中，由于鈷基合金價(jià)格高，所以，存在制造成本 增加的問題。為了降低成本，已知有通過熱處理使葉片前端硬化的措施，但是，伴隨著材料 的硬化，對(duì)于應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性增高，所以，在長期使用的情況下，存在著由于應(yīng)力腐 蝕破裂而產(chǎn)生龜裂的危險(xiǎn)。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1特開2004-52673號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開昭54-77806號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種提高耐侵蝕性、降低應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的渦輪 動(dòng)葉片。本發(fā)明的特征在于，在葉片前端部的蒸氣入口側(cè)具有通過熱處理而硬化的區(qū)域的 渦輪動(dòng)葉片中，前述硬化區(qū)域內(nèi)的半徑方向外周側(cè)的硬度比硬化區(qū)域內(nèi)的內(nèi)周側(cè)的硬度
尚O根據(jù)本發(fā)明，在通過熱處理將翼片前端硬化時(shí)，通過使半徑方向外周側(cè)的硬度比 內(nèi)周側(cè)的硬度高，可以兼顧在葉片長度方向上耐侵蝕強(qiáng)度的提高和應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性 的降低。S卩，在半徑方向外周側(cè)圓周速度大、預(yù)計(jì)侵蝕量多，但是，由于離心應(yīng)力小、應(yīng)力腐 蝕破裂的可能性小，所以，提高該部位的硬度，以使耐侵蝕強(qiáng)度的提高優(yōu)先。另一方面，在半 徑方向內(nèi)周側(cè)，與外周側(cè)比較，圓周速度低，不需要像外周那樣的耐侵蝕強(qiáng)度，另外，由于與 外周側(cè)相比，離心應(yīng)力高、應(yīng)力腐蝕破裂的可能性高，所以，在該部位的硬度形成得比外周側(cè)低，可以兼顧耐侵蝕強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施例的圖示。(a)是透視圖，(b)表示在(a)的評(píng)價(jià)路徑上 的硬度分布。圖2是圖1 (a)的B-B剖視圖。圖3是表示在圖1 (a)的評(píng)價(jià)路徑上的各個(gè)物理量的分布的說明圖，(a)表示圓周 速度和侵蝕量的分布，(b)表示離心應(yīng)力分布。圖4是表示12Cr鋼的硬度與相對(duì)侵蝕量的關(guān)系的說明圖。圖5是表示Cr鋼的硬度與相對(duì)滯后破壞強(qiáng)度的關(guān)系的說明圖。圖6是表示圖1 (a)的評(píng)價(jià)路徑上的硬度分布例的說明圖。圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施例中的加工裝置的模式圖。圖8是表示加熱線圈形狀的模式圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1下面，利用圖1說明本發(fā)明的實(shí)施例。在渦輪動(dòng)葉片1的葉片前端的蒸氣入口側(cè)， 具有由熱處理形成的硬化區(qū)域2。在圖1(b)中表示從圖1(a)所示的半徑方向外周側(cè)向內(nèi) 周側(cè)的評(píng)價(jià)路徑3上的硬度分布。在由熱處理形成的硬化區(qū)域2內(nèi)，外周側(cè)的硬度H2比內(nèi) 周側(cè)的硬度H1形成得高，這是本發(fā)明的特征。在本實(shí)施例中，在硬化區(qū)域內(nèi)，以從外周側(cè)到 內(nèi)周側(cè)硬度平滑地降低的方式形成。另外，硬化區(qū)域的內(nèi)周側(cè)的硬度H1形成得比母材硬度 H0 iMj ο外周側(cè)的高硬度區(qū)域的硬度優(yōu)選在維氏(Vikers)硬度400HV以上。另外，高硬度 區(qū)域和低硬度區(qū)域的硬度差(H2-H1)優(yōu)選在至少30HV以上。由熱處理形成的硬化區(qū)域的半 徑方向的長度L以葉片長度、轉(zhuǎn)速、濕度為依據(jù)，不過，相對(duì)于葉片的有效長度5而言，優(yōu)選 大概為20 40%。圖2表示圖1的(a)的B_B剖視圖。如圖2所示，從翼型中弧線10與葉片入口側(cè) 輪廓的外形線11的交點(diǎn)C起的葉片背部側(cè)的硬化區(qū)域的長度12，形成得比從前述交點(diǎn)C起 的腹部側(cè)的硬化區(qū)域的長度13長。這是設(shè)想背部側(cè)比腹部側(cè)的侵蝕量多而采取的對(duì)策。根 據(jù)本結(jié)構(gòu)，可以通過盡可能少的硬化區(qū)域的加工，有效地降低侵蝕量，可以降低成本。下面利用試驗(yàn)和分析結(jié)果說明本發(fā)明的效果。圖3(a)表示圖1的半徑方向評(píng)價(jià)路徑3上的渦輪葉片的圓周速度V。分布和預(yù)計(jì) 的侵蝕量的分布。渦輪葉片的圓周速度越靠近半徑方向外周越快，與此相伴，有越位于外 周侵蝕量越增加的傾向。圖3(b)表示在該半徑方向路徑上的離心應(yīng)力的分布。如圖3(b) 所示，離心應(yīng)力越位于半徑方向內(nèi)周側(cè)越增大。這是因?yàn)?，越位于?nèi)周側(cè)，與該位置相比，外 周側(cè)的葉片體積越增大，離心力越增加。其次，對(duì)于馬氏體類的12Cr鋼，硬度和相對(duì)侵蝕的關(guān)系示于圖4。實(shí)施模擬蒸氣渦 輪機(jī)低壓段中由水滴產(chǎn)生的侵蝕的噴水試驗(yàn)。根據(jù)該試驗(yàn)，12Cr鋼的相對(duì)侵蝕量與硬度有顯著的相關(guān)性，可以看出，硬度越增加侵蝕量越降低。各種Cr鋼的硬度和滯后破壞強(qiáng)度的關(guān)系示于圖5。本圖是由文獻(xiàn)(展出腐蝕防 腐蝕協(xié)會(huì)編，腐蝕、防腐蝕手冊(cè)，丸善，(2000)，p. 117)的數(shù)據(jù)，將抗拉強(qiáng)度換算成維氏硬度 整理出來的圖。這里，滯后破壞和應(yīng)力腐蝕破裂都是在拉伸保持應(yīng)力下的環(huán)境助長破裂， 在評(píng)價(jià)應(yīng)力腐蝕破裂強(qiáng)度時(shí)，圖5所示的滯后破壞強(qiáng)度成為良好的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖5所 示，硬度和滯后破壞強(qiáng)度的關(guān)系顯示出復(fù)雜的舉動(dòng)，具有如下特征，一直到某一個(gè)硬度(約 420HV)為止，硬度越增加，滯后破壞強(qiáng)度越增大，但是，以某一個(gè)值為界強(qiáng)度降低，相對(duì)于滯 后破壞的敏感性增加。當(dāng)整理上述事項(xiàng)時(shí)，作為防侵蝕層，在通過熱處理將蒸氣渦輪機(jī)葉片的葉片前端 硬化時(shí)，在半徑方向外周側(cè)，圓周速度大、預(yù)計(jì)的侵蝕量多，離心應(yīng)力小、應(yīng)力腐蝕破裂的可 能性小，所以，提高該部位的硬度，使耐侵蝕強(qiáng)度的提高優(yōu)先。另一方面，在半徑方向內(nèi)周 側(cè)，與外周側(cè)相比，圓周速度低，沒有必要像外周那種程度的耐侵蝕強(qiáng)度，另外，與外周側(cè)相 比，由于離心應(yīng)力高、應(yīng)力腐蝕破裂的可能性高，所以，在該部位的硬度形成得比外周側(cè)低， 可以兼顧耐侵蝕強(qiáng)度和應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。這樣，通過在葉片長度方向形成硬度分布， 在整個(gè)葉片長度方向，可以兼顧耐侵蝕強(qiáng)度的提高和應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性的降低。半徑方向評(píng)價(jià)路徑3上的硬度分布，并不局限于如圖1(b)所示從外周側(cè)向內(nèi)周側(cè) 平滑地降低的情況，也可以如圖6所示，即使具有兩段的平行部的分布、進(jìn)而是多段的分布 形狀，也可以獲得和本發(fā)明同樣的效果。關(guān)于借助高頻加熱進(jìn)行本發(fā)明的熱處理的方法，如下面所述。如圖7所示，高頻加 熱加工裝置由加熱線圈21、耦合器22、高頻電源裝置23、驅(qū)動(dòng)裝置24、冷卻用冷卻器25、輸 出監(jiān)視單元26構(gòu)成。加熱線圈21的形狀示于圖8。加熱線圈21形成二字型的形狀，在其 間夾著要加工的葉片1。將葉片背部側(cè)的線圈長度27形成得比葉片腹部側(cè)的線圈長度28 長，通過形成這樣的形狀，可以使背部側(cè)的熱處理區(qū)域比腹部側(cè)長。加熱線圈是銅制的，在 內(nèi)部通過來自于冷卻用冷卻器25的冷卻水，進(jìn)行水冷。加熱線圈21經(jīng)由耦合器22由饋電線30與高頻電源裝置23連接。當(dāng)高頻的交流 電流從高頻電源裝置23流過線圈時(shí)，通過電磁感應(yīng)，在渦輪動(dòng)葉片1中產(chǎn)生由渦電流引起 的焦耳熱，進(jìn)行加熱。當(dāng)提高流過線圈的電流的頻率時(shí)，渦電流的流動(dòng)范圍變成更接近于表 面層的區(qū)域，所以，通過調(diào)整頻率，可以調(diào)整淬火深度。在一般的渦輪葉片形狀的情況下，優(yōu) 選地，電源裝置的輸出為20kW 150kW，負(fù)荷頻率為IkHz 10kHz。加熱線圈21與驅(qū)動(dòng)裝置24連接，通過沿葉片長度方向χ移送加熱線圈，可以進(jìn)行 葉片長度方向的加工。驅(qū)動(dòng)裝置24能夠在三個(gè)軸(x、y、z軸)方向進(jìn)行位置控制，另外，固 定渦輪葉片1的底座29能夠以χ軸作為旋轉(zhuǎn)軸控制旋轉(zhuǎn)角度θ。通過這些位置控制，可以 對(duì)復(fù)雜形狀的渦輪葉片在規(guī)定的區(qū)域進(jìn)行高頻淬火。在進(jìn)行高頻淬火加工時(shí)，通過控制向加熱線圈21的輸入電流和向葉片長度方向 的移送速度，可以獲得規(guī)定的硬度分布。即，作為本發(fā)明的內(nèi)容，為了將外周側(cè)的硬度形成 得比內(nèi)周側(cè)高，對(duì)于加熱線圈的移送速度，可以使外周側(cè)的速度比內(nèi)周側(cè)慢。另外，在線圈 的輸入電流的控制中，可以通過使外周側(cè)的電流比內(nèi)周側(cè)的電流大來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，輸入電 流為50 200Α，移送速度為50 200mm/min。為了獲得作為目標(biāo)的硬度分布，對(duì)于有高頻加熱產(chǎn)生的加熱溫度，可以利用接觸
5式的熱電偶或者非接觸式的輻射溫度計(jì)計(jì)測表面溫度。用輸出監(jiān)視單元26進(jìn)行控制，以使 計(jì)測溫度成為目標(biāo)值。由于表面溫度和加工后的淬火硬度具有正的相關(guān)性，所以，如果預(yù)先 通過預(yù)備試驗(yàn)取得它們的相關(guān)數(shù)據(jù)，則能夠利用該數(shù)據(jù)以高精度進(jìn)行加工。另外，在馬氏體 類不銹鋼中，之所以高頻加熱時(shí)的最大溫度越高則硬度變得越高，是因?yàn)闇囟仍礁逤r22C6等 的炭化物固溶得越多，由此得到固溶強(qiáng)化。在這樣借助高頻加熱進(jìn)行的加工中，由于基于計(jì)測的溫度控制輸入電力和移送速 度，所以，可以高精度地控制硬度分布和加工區(qū)域。另外，由于不對(duì)周圍直接加熱，所以，加 熱效率高，有能夠節(jié)能地進(jìn)行加工的優(yōu)點(diǎn)。由于馬氏體類不銹鋼淬火性好，所以，在高頻加熱后即使不進(jìn)行特別的冷卻，也 能夠通過自然冷卻充分地淬火硬化。為了在淬火后使組織穩(wěn)定化，優(yōu)選地，進(jìn)行低溫退火 (150°C 200°C X2小時(shí))。這時(shí)，當(dāng)在300°C 400°C附近進(jìn)行回火時(shí)，由于回火的脆性， 有韌性降低的危險(xiǎn)，所以，有必要十分注意溫度控制。在低溫回火之后，可以在熱處理部進(jìn) 行噴丸硬化。通過賦予由噴丸硬化引起的壓縮殘留應(yīng)力，具有進(jìn)一步降低對(duì)于應(yīng)力腐蝕破 裂的敏感性的效果。作為葉片材料，優(yōu)選地，在本發(fā)明中應(yīng)用含有10 15%的Cr的馬氏體不銹鋼合 金。該材料不僅由于具有高強(qiáng)度和高的耐腐蝕性而適用于渦輪葉片，而且，由于淬火性好， 所以，在高頻加熱后，即使不特別強(qiáng)制冷卻，通過自然冷卻，也能獲得足夠的淬火硬化。另 外，不言而喻，即使是鐵素體系或析出硬化型的不銹鋼，如果是通過熱處理能夠硬化的材料 的話，也可以應(yīng)用于本發(fā)明。上面對(duì)于通過高頻加熱進(jìn)行的加工方法進(jìn)行了描述，但是，不言而喻，通過燃燒器 加熱或激光加熱，也可以獲得和本發(fā)明同樣的效果。工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明涉及蒸氣渦輪機(jī)動(dòng)葉片的防侵蝕層，可以應(yīng)用于采用這種蒸氣渦輪機(jī)動(dòng)葉 片的蒸氣渦輪機(jī)，或者蒸氣渦輪機(jī)設(shè)備。符號(hào)說明
1渦輪動(dòng)葉片
2通過熱處理硬化的區(qū)域
3從熱處理區(qū)域的半徑方向外周向內(nèi)周的評(píng)價(jià)路徑
5葉片的有效長度
10翼型中弧線
11葉片入口側(cè)輪廓的外形線
12從翼型中弧線與葉片入口側(cè)輪廓外形線的交點(diǎn)C到背部側(cè)的硬化區(qū)域長度
13從交點(diǎn)C到腹部側(cè)的硬化區(qū)域長度
21加熱線圈
22華禹合器
23高頻電源裝置
24驅(qū)動(dòng)裝置
25冷卻用冷卻器
26輸出監(jiān)視單元
6
27葉片背部側(cè)的線圈長度28葉片腹部側(cè)的線圈長度29葉片固定底座30饋電線
權(quán)利要求
一種渦輪動(dòng)葉片，所述渦輪動(dòng)葉片在葉片前端部的蒸氣入口側(cè)具有通過熱處理而硬化的區(qū)域，其特征在于，前述硬化區(qū)域內(nèi)的半徑方向外周側(cè)的硬度比硬化區(qū)域內(nèi)的內(nèi)周側(cè)的硬度高。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪動(dòng)葉片，其特征在于，在通過前述熱處理形成的硬化區(qū)域 內(nèi)的葉片截面中，從翼型中弧線與葉片入口側(cè)輪廓外形線的交點(diǎn)起的背部側(cè)方向的硬化長 度比從前述交點(diǎn)起的腹部側(cè)方向的硬化長度長。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪動(dòng)葉片，其特征在于，通過高頻淬火進(jìn)行前述熱處理。
4.如權(quán)利要求1所述的渦輪動(dòng)葉片，其特征在于，通過噴丸硬化將壓縮殘留應(yīng)力賦予 通過前述熱處理形成的硬化區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪動(dòng)葉片，其特征在于，動(dòng)葉片材料是含有10 15%的Cr 的馬氏體類不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高耐侵蝕性、降低應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性的渦輪動(dòng)葉片。其解決方案為在通過熱處理將渦輪動(dòng)葉片的葉片前端硬化時(shí)，通過使半徑方向外周側(cè)的硬度比內(nèi)周側(cè)的硬度高，在葉片長度方向上兼顧耐侵蝕強(qiáng)度的提高和應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的降低。
文檔編號(hào)C21D9/00GK101936190SQ20101021740
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者依田秀夫, 工藤健, 淺井邦夫, 田中勝巳 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所