專利名稱:具有混晶結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造方法
本發(fā)明涉及的是制造用于燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的一種工藝過程，其燃?xì)廨啓C(jī)包括航空用渦輪機(jī)，船用渦輪機(jī)和陸用燃?xì)廨啓C(jī)。為制造定向凝結(jié)的渦輪葉片，本發(fā)明采用一種兩類凝結(jié)過程，來制造細(xì)晶粒度(非定向凝結(jié))的葉片根部，并在型面部分產(chǎn)生定向凝結(jié)結(jié)構(gòu)。
燃?xì)廨啓C(jī)是由高溫、高壓氣體經(jīng)過渦輪部分的膨脹作用釋放出能量的方式來工作的。由氣體所驅(qū)動(dòng)的各實(shí)際旋轉(zhuǎn)部件是由多種鎳基高級(jí)合金制造的，一般稱為葉片。如圖1所示，葉片是由型面(由熾熱氣體所驅(qū)動(dòng))和由機(jī)加工做出的葉根(與渦輪轉(zhuǎn)子相接)構(gòu)成。由卡諾循環(huán)的特性可知，燃?xì)廨啓C(jī)在較高溫度的氣體作用下工作更為有效，因此對(duì)葉片材質(zhì)就產(chǎn)生了要能經(jīng)受高溫的要求。就航空發(fā)動(dòng)機(jī)和陸基渦輪發(fā)電機(jī)來講，渦輪葉片產(chǎn)生的機(jī)械斷裂主要根由是來自于熱疲勞和缺少蠕變斷裂阻力。這兩個(gè)問題可通過消除晶界應(yīng)力的辦法予以緩解。因此，已知的單晶及定向凝結(jié)葉片顯示出極其良好的高溫強(qiáng)度。
若大晶粒尺寸可以改善很高溫度狀態(tài)下所要求的某些特性，則在低溫下的某些機(jī)械特性要求較小的晶粒尺寸來予以改善。具體講，渦輪葉片的根部可以認(rèn)為是在比型面所處溫度要低的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的，實(shí)質(zhì)上是經(jīng)受著疲勞載荷。因此，葉片型面和根部的最佳結(jié)構(gòu)是完全不同的，在常規(guī)型面中，應(yīng)當(dāng)允許在上述部分的某一方面有所兼顧。如果采用定向凝結(jié)的型面和細(xì)晶粒根部的方式形成葉片的混晶結(jié)構(gòu)，就可以得到其最佳特性。
在美國專利4184900號(hào)的說明書中，采用兩種不同的定向凝結(jié)過程，使型面和根部得到不同的特性。在美國專利3790303號(hào)說明書中，則采用一種共晶合金來制造混晶渦輪葉片(動(dòng)葉片)，這種葉片的型面為定向凝結(jié)，而它的根部為非定向結(jié)構(gòu)，其共晶體組織可避免結(jié)構(gòu)的不均勻性，這種不均勻性如果在采用非共晶成份的方法中就會(huì)出現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，為這種類型的燃?xì)廨啓C(jī)制造定向凝結(jié)的渦輪葉片的工藝過程，是將盛有熔融金屬的鑄模以一種可控方式冷卻的，這樣，其凝結(jié)過程就可足夠緩慢，使定向凝結(jié)從型面的端部開始，而其特點(diǎn)在于下述幾步即監(jiān)控上述的凝結(jié)過程;約在葉片根部開始凝結(jié)時(shí)進(jìn)行熔融金屬的磁性攪動(dòng);然后加快上述葉片的冷卻速率，使其快于定向凝結(jié)時(shí)的冷卻速率，從而制造出一種具有定向凝結(jié)的型面和細(xì)晶粒的根部，且在其型面和根部的交接處基本上沒有不均勻部分的葉片。
恰當(dāng)?shù)刂v，這種渦輪葉片具有混合晶粒結(jié)構(gòu)，而且能用非共晶成份的合金制造。其型面部分為定向凝結(jié)，而根部則具有細(xì)晶粒非定向凝結(jié)的結(jié)構(gòu)。
這種工藝以監(jiān)控凝結(jié)過程的方法，以足夠低的速率進(jìn)行凝結(jié)，從而使定向凝結(jié)從型面的端部開始。當(dāng)這種凝結(jié)到達(dá)型面和根部的交接處時(shí)，即開始磁性攪動(dòng)以消除正在凝結(jié)部分的不均勻區(qū)域。然后加速冷卻使其冷卻速率快于定向凝結(jié)時(shí)的冷卻速率。這樣，就可制造出具有定向凝結(jié)的型面部份和細(xì)晶粒的根部，且在其型面和根部的交接處基本上沒有不均勻結(jié)構(gòu)的葉片。
現(xiàn)在舉例說明本發(fā)明，并參見所示的下列附圖
圖1示出一個(gè)具有型面和根部的典型渦輪葉片;
圖2示出的3張系列圖形說明了在凝結(jié)過程中的熔質(zhì)濃度段，以及由于凝結(jié)速率的增加而出現(xiàn)的不均勻現(xiàn)象;和
圖3示出從熔爐中通過控制取得定向凝結(jié)的方法。
在制造定向凝結(jié)型面和細(xì)晶粒根部葉片的先有技術(shù)中，對(duì)非共晶合金而言是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵谄湫兔婧透康慕唤犹帉?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的混合不均勻現(xiàn)象。如圖2所示，如制造具有定向凝結(jié)的型面和細(xì)晶粒根部的葉片，且其型面處在定向凝結(jié)的導(dǎo)熱條件下(即結(jié)晶速率低，熱梯度高)，而其根部則具有加快的結(jié)晶速率以實(shí)現(xiàn)根部凝結(jié)，于是便會(huì)發(fā)現(xiàn)在結(jié)晶速率發(fā)生變化時(shí)，正在凝固的那一區(qū)域，在熔質(zhì)濃度上會(huì)有一明顯的增加(圖2C 曲線左段的凸起部)。通常用作燃?xì)廨啓C(jī)葉片的大多數(shù)鎳基高級(jí)合金是非共晶的。在這種葉片中，上述結(jié)構(gòu)上的不均勻性必然會(huì)產(chǎn)生機(jī)械特性很差的區(qū)域。應(yīng)注意到即使是先從根部凝結(jié)，這種結(jié)構(gòu)上的不均勻區(qū)域仍將存在。
為使定向凝結(jié)的型面與細(xì)晶粒根部結(jié)構(gòu)的結(jié)合處這一區(qū)域里，避免上述的結(jié)構(gòu)不均勻區(qū)域問題，本發(fā)明是利用磁性攪動(dòng)來消除這一區(qū)域的。這種磁性攪動(dòng)在相對(duì)均勻且為熔融的根部，進(jìn)行熔質(zhì)濃度段的攪動(dòng)，從而避免了在結(jié)構(gòu)上的任何顯著變化。
磁性攪動(dòng)是基于這樣一種原理，即一橫放在磁場中的導(dǎo)電體可以感應(yīng)出一個(gè)力，這個(gè)力垂直于含有電流向量和磁場向量的平面。如該導(dǎo)體為液體，則這個(gè)力就會(huì)產(chǎn)生剪切和攪動(dòng)效果。舉例講，磁性攪動(dòng)已經(jīng)在連續(xù)澆鑄中用到，如由阿克塞爾·馮·斯塔克(Axel von Starck)等人發(fā)明，于1981年3月17日公告的美國專利第4256165號(hào)中所說明的那樣。
本發(fā)明利用磁性攪動(dòng)來重新分布在定向凝結(jié)的型面凝固之前所具有的熔質(zhì)濃度，從而在增加冷卻速率時(shí)便在葉片的根部產(chǎn)生所要求的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，以防止產(chǎn)生不均勻性。
舉例講，定向凝結(jié)可如圖3所示而予以實(shí)現(xiàn);其凝結(jié)是從一銅鑄?；彘_始的，并通過把該基板和鑄模緩慢地從熔爐的熾熱區(qū)移出來實(shí)現(xiàn)可控凝固。在這里葉片的根部位于上方，而型面則首先從熔爐中移出。通過加快撤出速度可實(shí)現(xiàn)較快的凝結(jié)。為能在葉片根部產(chǎn)生均勻的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，磁性攪動(dòng)基本上應(yīng)與結(jié)晶速率的增加同時(shí)開始。這樣，凝固將首先從型面開始，而其結(jié)晶是在以相對(duì)緩慢地撤出條件下形成的，對(duì)熔液的攪動(dòng)則僅僅是通過自然對(duì)流來實(shí)現(xiàn)的。由于鑄模的移出，前凝結(jié)面到達(dá)型面-根部的交接處。在此處將加快硬模移出速率，使其比上述定向凝結(jié)時(shí)的移出速率更快，并開始磁性攪動(dòng)(與移出速率增加的同時(shí)或先于它進(jìn)行)。磁性攪動(dòng)是由電流流經(jīng)液態(tài)熔質(zhì)及磁性線圈系統(tǒng)以便產(chǎn)生所需要的磁場而進(jìn)行工作的。在這種狀態(tài)下，凝結(jié)的速度越快，晶粒越細(xì)，等軸晶粒越多，由于較快地移出硬模和通過強(qiáng)制磁性攪動(dòng)，晶粒結(jié)構(gòu)較之自然對(duì)流結(jié)晶要好。以這種方式，可使熔質(zhì)組成在進(jìn)入交接處之前已經(jīng)分散在熔液中，并產(chǎn)生更加均勻的化學(xué)構(gòu)成。
用這種方法，實(shí)際上是利用非共晶合金，能夠制造出具有定向凝結(jié)結(jié)構(gòu)型面的(這里用到的定向凝結(jié)這一術(shù)語包括了單晶結(jié)構(gòu))，而根部具有細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)葉片，且在凝結(jié)速率增加的區(qū)域(即在型面-根部的交接處)不會(huì)形成熔質(zhì)的純合成物夾層。
當(dāng)然，控制冷凝速率的上述特殊結(jié)構(gòu)配置和方法，以及可產(chǎn)生磁性攪動(dòng)的結(jié)構(gòu)配置僅是范例，還可以使用其它的定向凝結(jié)和磁性攪動(dòng)方法。
權(quán)利要求
1、制造燃?xì)廨啓C(jī)用的定向凝結(jié)渦輪葉片的工藝方法，是將盛有熔融金屬的鑄模以可控方式進(jìn)行冷卻，并以足夠緩慢的速度進(jìn)行凝結(jié)，且使定向凝結(jié)從型面端部開始，其特點(diǎn)在于下述各步即對(duì)于上述的凝結(jié)過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)上述葉片根部的金屬仍為熔融狀態(tài)并開始凝結(jié)時(shí)，進(jìn)行磁性攪動(dòng)，然后加快對(duì)上述葉片的冷卻速率，使其快于定向凝結(jié)的冷卻速率，從而制造出具有定向凝結(jié)的葉片型面部分，和具有細(xì)晶粒的根部，并且在型面與根部的交接處基本上沒有質(zhì)地不均勻部分。
專利摘要
用于燃?xì)廨啓C(jī)定向凝結(jié)的渦輪葉片的制造工藝，是將盛有熔融金屬的鑄模以可控方式進(jìn)行冷卻，并以足夠緩慢的速度進(jìn)行冷凝，而定向凝結(jié)則開始于型面的端部。對(duì)上述的凝結(jié)過程進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)葉片根部為熔融金屬并開始冷凝時(shí)即開始磁性攪動(dòng)，并加快上述葉片的冷卻速率，使其快于定向凝結(jié)時(shí)的冷卻速率。這樣就可制造出具有定向凝結(jié)的型面和細(xì)晶粒根部的渦輪葉片。
文檔編號(hào)C22C19/03GK85103662SQ85103662
公開日1986年11月19日 申請(qǐng)日期1985年5月21日
發(fā)明者米歇爾·安托尼·伯克 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan