專利名稱:具有單晶體部分的燃燒透平葉片的制造方法
本發(fā)明與定向結(jié)晶的透平葉片的制造方法有關(guān)，此種葉片應(yīng)用于燃燒透平機(jī)上。
這是一種制造用于燃燒透平機(jī)上的透平葉片的方法;這類燃燒透平機(jī)包括航空透平機(jī)、航海透平機(jī)及地面固定式燃?xì)馔钙綑C(jī)。本發(fā)明采用二步結(jié)晶法，以便在根部產(chǎn)生細(xì)粒(非單晶)結(jié)構(gòu)，而在翼部產(chǎn)生單晶結(jié)構(gòu)。
當(dāng)高溫、高壓燃?xì)馀蛎洸⑼ㄟ^透平時(shí)，燃?xì)馔钙綑C(jī)從中獲取能量而運(yùn)轉(zhuǎn)。由燃?xì)馔苿?dòng)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)部件一般是用鎳基超耐熱合金制成的，該部件通常被稱為葉片。如圖1所示，葉片由仿形加工過的翼部和機(jī)加工過的根部組成，翼部由熱氣流驅(qū)動(dòng)，根部與透平的轉(zhuǎn)軸相連。根據(jù)卡諾循環(huán)的性質(zhì)可知，在較高的溫度下，燃?xì)馔钙綑C(jī)將更有效地工作，而這就需要有能承受更高溫度的材料。對于在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面固定式透平發(fā)電機(jī)等機(jī)器中應(yīng)用的透平葉片，在高溫下機(jī)械失效的主要形式是熱疲勞及喪失抗塑性變形能力。消除與主應(yīng)力軸垂直的晶粒邊界有助于這兩個(gè)問題的解決，因此認(rèn)為單晶及定向結(jié)晶的葉片會(huì)顯示出高溫強(qiáng)度的明顯改善。
在溫度很高的狀態(tài)下，大尺寸晶粒能加強(qiáng)所希望的性能;而在低溫狀態(tài)下，尺寸較小的晶粒能改善某些機(jī)械性能。值得一提的是，透平葉片的根部在其溫度遠(yuǎn)低于翼部的溫度下工作，而且它基本上是承受疲勞載荷的，因而葉片的翼部和根部的最佳結(jié)構(gòu)是十分不同的。并且對于傳統(tǒng)的翼部，至少要取諸截面中的一個(gè)作為折衷的過渡區(qū)。如果能制造一種具有混合結(jié)構(gòu)的葉片，使它具有定向結(jié)晶的翼部和細(xì)粒結(jié)構(gòu)的根部，則將獲得最佳性能。
根據(jù)美國4，184，900，可在翼部及根部做出兩種不同的定向結(jié)晶部分，以便獲得不同的性能。根據(jù)美國3，790，303，可用一種共晶合金制造具有混合結(jié)構(gòu)的透平葉片(渦輪葉片)，其翼部是定向結(jié)晶的，而其根部結(jié)構(gòu)則是非定向的。要注意的是，這種共晶成分能避免成分的不均勻性，如果在此方法中使用非共晶成分，則會(huì)引起成分的不均勻性問題。
在美國3，695，941中介紹了一種通過液態(tài)金屬的受控結(jié)晶來制造純共晶材料的方法，它利用一個(gè)穩(wěn)定的定向磁場，控制熔液的液-固交界面的結(jié)晶。當(dāng)熔液暴露在磁場中時(shí)，沒有外加電源與它接通。在美國3，494，709中提出了一種用于燃?xì)馔钙綑C(jī)上的單晶金屬部件，這個(gè)包括其根部的部件整體都是單晶體的。美國3，981，345介紹了一種連續(xù)澆鑄金屬的方法，在該方法中，金屬在結(jié)晶過程中受著一個(gè)磁場的作用。
本發(fā)明涉及一種制造用于燃燒透平機(jī)上的定向結(jié)晶透平葉片的方法，其步驟有在受控方式下冷卻盛有金屬熔液的模子，使結(jié)晶出現(xiàn)得足夠慢，以至單晶體在翼端開始生成。本發(fā)明的特點(diǎn)在于，監(jiān)控上述結(jié)晶過程;并在所述的根部將要結(jié)晶時(shí)，開始對剩余的金屬熔液進(jìn)行磁力攪拌;然后加大葉片的冷卻速度，使之高于出現(xiàn)定向結(jié)晶時(shí)的冷卻速度。借此方法，可制造出具有單晶體翼部及細(xì)粒體根部的葉片，而且在該葉片的翼部與根部之間沒有明顯的不均勻部分。
簡單地說，本發(fā)明是一種透平葉片，它有混合的晶粒結(jié)構(gòu)，并系用非共晶的合金成分加工而成。葉片翼部是單晶結(jié)構(gòu)的，而其根部結(jié)構(gòu)則是細(xì)?；摹⒎嵌ㄏ蚪Y(jié)晶的。
本方法采用足夠慢的結(jié)晶速度，使單晶體從翼端開始生長;并對結(jié)晶過程進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)結(jié)晶到達(dá)翼部與根部之間的交界處時(shí)，開始磁力攪拌，以便消除剛剛結(jié)晶部分附近的不均勻帶;然后提高冷卻速度，使其高于單晶的生長速度或定向結(jié)晶的速度。最好大約在開始攪拌時(shí)添加晶粒邊界的強(qiáng)化劑(最好是碳)。這樣便可制造出一種葉片，它具有單晶結(jié)構(gòu)的翼部和細(xì)粒結(jié)構(gòu)的根部，并且在翼部與根部之間的交界處沒有明顯的不均勻部分。
現(xiàn)在參照下列附圖，用一個(gè)實(shí)例對本發(fā)明做說明。
圖1表示一個(gè)典型的、包括翼部和根部的透平葉片。
圖2為包括三張圖的一個(gè)圖組，它表示在結(jié)晶過程中的溶質(zhì)富集區(qū)及提高結(jié)晶速度后產(chǎn)生的不均勻性。
圖3表示在對從爐中拉出的速度加以控制時(shí)，單晶的生長情況。
對于用非共晶合金制造帶有細(xì)粒結(jié)構(gòu)根部的單晶翼，以前的工藝技術(shù)是不適用的。因?yàn)樵谝聿颗c根部之間的交界處會(huì)出現(xiàn)組分嚴(yán)重不均勻的區(qū)域，該區(qū)域的機(jī)械性能很差。在如圖2所示的結(jié)晶過程中，如果用非共晶合金制造一個(gè)具有單晶體翼部及細(xì)粒體根部的葉片，而不應(yīng)用本發(fā)明，那么在初期(圖2A)，葉片翼部處在有助于單晶體生成的條件下(低生成率，高溫度梯度)，隨后根部(圖2C)在晶體生長率增加的條件下結(jié)晶?？梢钥闯?，當(dāng)生長率的改變發(fā)生作用時(shí)，在正在結(jié)晶的區(qū)域中會(huì)有溶質(zhì)含量的明顯增加(圖2C中的曲線左側(cè)的突起，本發(fā)明能有效地將這一突起除去)。常被用于制造燃?xì)馔钙綑C(jī)葉片的大多數(shù)鎳基超耐熱合金均是非共晶的。在這類葉片上，這種不均勻性將造成一個(gè)機(jī)械性能明顯低劣的區(qū)域。
為了在單晶體翼部與細(xì)粒根部的連接區(qū)域中避免出現(xiàn)組分不均勻的問題，本發(fā)明用磁力攪拌的方法來基本上清除不均勻段。用磁力攪拌的方法可在尚未固化的根部段相當(dāng)大的范圍內(nèi)摻混質(zhì)富集區(qū)，從而可避免組分的任何明顯變化。這里所用的“不均勻部分”一詞的意思是溶質(zhì)富集，而不包括在結(jié)晶過程中有意添加的添加劑所引起的組分的變化(如晶粒邊界強(qiáng)化劑的加入)。
磁力攪拌所依據(jù)的原理是在磁場中的一個(gè)通電導(dǎo)體要受到一個(gè)力的作用，這個(gè)力垂直于電流矢量和磁場矢量所在的平面。如果導(dǎo)體是液體，這個(gè)力將引起切變，并產(chǎn)生攪拌效果。在美國4，256，165中，介紹了在連續(xù)鑄造方面應(yīng)用磁力攪拌的例子。
本發(fā)明采用磁力攪拌方法使位于正在結(jié)晶的單晶翼部前方的溶質(zhì)濃集重新分布，以便當(dāng)為了制造具有所希望的細(xì)粒體根部而提高冷卻速度時(shí)，基本上防止不均勻區(qū)段的出現(xiàn)。
在美國3，494，709中介紹了一種單晶體的生長情況。圖3所示的即為一種實(shí)施實(shí)例，在這個(gè)例子中，結(jié)晶過程從激冷銅底座開始進(jìn)行，并用慢慢地從爐子的熱區(qū)移出底座及鑄模的方法控制結(jié)晶過程。在這里，葉片的根部朝上，首先從爐中移出的是翼部。提高移出速度可使結(jié)晶過程加快。為了在葉片的根部形成均勻的細(xì)粒結(jié)構(gòu)，應(yīng)基本在提高生長率的同時(shí)，開始磁力攪拌。這樣，結(jié)晶從翼部開始，此處結(jié)晶的生長是在移出速度相當(dāng)慢的情況下進(jìn)行的，而且只有自然對流形式的、微弱的流體擾動(dòng)。隨著模子被抽出，結(jié)晶面達(dá)到翼-根的交界處。從這一點(diǎn)上，將抽出速度提高到單晶生長所需的速度之上，并開始磁力攪拌(基本上同時(shí)或稍提前于提高抽出速度的時(shí)刻)。啟動(dòng)系統(tǒng)，使電流通過金屬熔液及勵(lì)磁線圈(以便產(chǎn)生所需的磁場)，磁攪拌便隨之開始。在這種情況下，移出速度越快，則結(jié)晶過程進(jìn)行得越快，所產(chǎn)生的顆粒結(jié)構(gòu)也越細(xì)致，沿各軸向的分布也越均勻。強(qiáng)制的磁力攪拌將聚集在擴(kuò)展著的結(jié)晶面之前的溶質(zhì)破碎成液體，并形成化學(xué)上基本均勻的結(jié)構(gòu)。
因?yàn)槿魏沃糜诖艌鲋械妮d流導(dǎo)體均會(huì)受到一個(gè)垂直于磁場及電流的力的作用，據(jù)此，可實(shí)現(xiàn)熔液的攪拌。在攪拌的作用下，不僅溶質(zhì)富集能被消除，而且熔液中的溫度梯度也能夠均勻一致。從而，在已結(jié)晶材料中的枝狀體發(fā)生過熱，這不僅是因熱均勻化而引起的，而且也與結(jié)構(gòu)性有關(guān)。因?yàn)橹铙w是要核化的，在枝狀體根部附近的結(jié)構(gòu)性過熱(熟知的“結(jié)構(gòu)性過冷”效應(yīng)的類比)十分嚴(yán)重，導(dǎo)致發(fā)生使系統(tǒng)趨于均衡的“回熔”，枝狀體隨之細(xì)化，并在由直流電及磁場所引起的力的作用下散斷開，由磁擾動(dòng)流帶走。為確保足夠的冷卻率，以使散斷的枝狀體碎塊不在熔液中熔化而保持固態(tài)，拉出速度應(yīng)足夠快。上述碎塊可作為各向同性顆粒結(jié)晶的結(jié)晶核。
采用磁力攪拌的另一個(gè)好處是能摻入一種或多種晶粒邊界強(qiáng)化元素(即“碳化物形成劑”碳，硼，鋯，鉬，鎢，鉭)。因?yàn)閱尉w合金不需要作這類晶粒邊界強(qiáng)化，通常在單晶體合金的化學(xué)結(jié)構(gòu)中不加入這類能加強(qiáng)強(qiáng)度的元素。雖然葉片的單晶部分不需要利用晶粒邊界的強(qiáng)化元素，但各向同性部分卻可用添加能產(chǎn)生晶粒邊界“碳化”的強(qiáng)化作用的元素來改進(jìn)。然而，用含有晶粒邊界強(qiáng)化元素的合金鑄造葉片會(huì)增加生產(chǎn)單晶體鑄件的困難。利用磁力攪拌便可添加這類元素，并能使它們在葉片的結(jié)晶過程中及時(shí)地分布到所希望的點(diǎn)上去。
用這種方法，可使用實(shí)用的非共晶合金制造出具有單晶結(jié)構(gòu)翼部及細(xì)粒結(jié)構(gòu)根部的透平葉片，并在提高結(jié)晶速率的部位(根-翼交界處)不致產(chǎn)生溶質(zhì)富集區(qū)段。
當(dāng)然，控制冷卻速度的特殊裝置和方法，以及實(shí)施磁力攪拌的裝置，均為一些實(shí)例，也可以采用其他的一些定向結(jié)晶和磁力攪拌的方法。
權(quán)利要求
1.一種制造用于燃燒透平機(jī)的定向結(jié)晶透平葉片的方法，該方法在受控方式下冷卻盛著熔化了的金屬的模子，使結(jié)晶出現(xiàn)得足夠慢，以致單晶體在翼端開始生成；本方法的特點(diǎn)在于監(jiān)控上述結(jié)晶過程，并大約在所述根部將要開始結(jié)晶時(shí)，開始對剩余的金屬熔液進(jìn)行磁力攪拌；然后加大葉片的冷卻速率，使之高于出現(xiàn)定向結(jié)晶時(shí)的冷卻速率；借此方法可制造出具有單晶體翼部及細(xì)粒體根部的葉片，而且在該葉片的翼部和根部之間沒有明顯的不均勻部分。
2.如權(quán)利要求
1中所述的方法，其特點(diǎn)是，大約在開始磁力攪拌的同時(shí)，加入一些晶粒邊界的強(qiáng)化元素。
3.如權(quán)利要求
2中所述的方法，其特點(diǎn)是，所說的晶粒邊界強(qiáng)化元素是碳。
4.一種制造用于燃燒透平機(jī)的定向結(jié)晶透平葉片的方法，該葉片由單晶體翼部及細(xì)粒體根部組成。本方法如上文所描述，參考附圖所示。
專利摘要
一種用于燃燒透平機(jī)的透平葉片的制造方法。在受控方式下冷卻盛著熔化了的金屬的模子，使結(jié)晶出現(xiàn)得足夠慢，以致單晶體在翼端開始生成。結(jié)晶過程受到監(jiān)控，大約當(dāng)葉片的根部開始結(jié)晶時(shí)，開始對金屬熔液做磁力攪拌，上述葉片的冷卻速度也幾乎同時(shí)被提高，使之高于產(chǎn)生單晶體的冷卻速度。大約在開始攪拌的同時(shí)，可添加晶界強(qiáng)化劑(最好是碳)。制造出來的葉片具有單晶體翼部和細(xì)粒體根部。
文檔編號F01D5/14GK85106439SQ85106439
公開日1987年3月11日 申請日期1985年8月27日
發(fā)明者邁克爾·安東尼·布克, 西里爾·格拉德·貝克 申請人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan