专利名称：由(α/β)钛基合金构成的气轮机叶片的制造方法
技术领域：
本发明涉及由(α/β)钛基合金构成一种耐蚀汽轮机叶片的制造方法。一种根据这样的方法制造的叶片优选地在低压级汽轮机中使用，由于该叶片在大结构长度时的低密度而符合于一直到大约150℃温度时对机械承载能力的要求。在这种温度范围内进入汽轮机的水蒸汽含有液滴，该液滴以较大的速度撞击到承受进入蒸气的汽轮机叶片表面上，特别是叶片前缘和位于该叶片前缘在吸收侧连接的叶片表面上。在这里液滴引起腐蚀损害。特别对位于叶片部件的尖端部份的磨损严重，因为在那里叶片的圆周速度最大。
前面所述类型的一种方法在EP-A-0491075中描述。这种方法用于在由(α/β)钛基合金构成的汽轮机叶片的叶片尖端区域，制造一种高抗腐蚀的保护层。其时，该保护层是在一种含硼、碳或氮的气氛中，借助激光，通过在表面上重熔(α/β)钛基合金而产生。这样一种保护层与叶片的未处理区域相比具有高硬度，和保护在其下的钛基合金有效地抗液滴腐蚀。但是已发现，这种起保护作用的耐腐蚀叶片材料与未保护的叶片材料相比，疲劳强度降低。
本发明的目的，正如在权利要求1中规定的，是提供前面所述类型的一种新方法，利用这种方法能够以便宜的，适合于成批生产的方式，制造一种耐腐蚀的汽轮机叶片，该叶片以在固定交变应力作用下具有长的寿命为其特征。
本发明的方法以较容易实现的方法步骤，借助高功率能源对未保护的((α/β)钛基合金进行重熔合金化，接着进行热处理的表面处理，提供一种汽轮机叶片，制得的汽轮机叶片以其叶片尖端区域既具高的耐蚀强度又具良好的疲劳强度为其特征。
虽然这种耐蚀强度基本上是由在适合的气氛中重熔合金化而形成，但是防止有外应力存在时在保护层中形成不希望的裂纹和由此防止材料的过早疲劳是由于在温度为600-750℃下的热处理。在这种比较低的温度中，在重熔炼制合金化的保护层中出现了特别明显的组织变化，但这些变化并非发生在未处理的(α/β)-钛基合金的连接区域中。
若热处理在温度在650-700℃实现时，受到影响的组织变化对疲劳强度是特别有利的。这种热处理至少进行一小时，最好2-6小时，这样，由于扩散过程在稳定化的α相之间的均匀化作用得以加强。同时，在重熔炼制合金化的保护层内和在与此相连接的(α/β)钛基合金的热影响区中同时出现了再结晶，并且形成了直径为20-100μm的晶粒尺寸。然而，特别有意义的是出现了均匀分布的有利的富钒β-钛相析出。这可能是由于钒在α钛中的低溶解度引起的。
热处理的叶片部件的疲劳强度可以附加地通过机械增强、特别是通过可控的喷射硬化而改善。
当这种重熔炼制合金化在一种除含硼、碳和/或氮的气体外，还含有一种惰性载气的气氛中进行时，可以达到疲劳强度进一步改善。同时，载气与含硼、碳和/或氮的气体的分压之比至少为2∶1。优选的气氛是，该比大于2∶1以及最大为4∶1，并且在该气体中可以采用稀有气体，特别如氩、和氮。
下面本发明根据附图详细地加以说明。两个附图，1和2各自表示根据现有技术制造的叶片部件的耐蚀强度和疲劳强度与根据本发明的方法制造的叶片部件的耐蚀强度和疲劳强度以及两者进行和比较。
根据现有技术EP-A-0491075说明的，将无涂层的汽轮机叶片支承在一个水平可移动的支承台上。该叶片尖端在其前缘，暴露于一种含无氧硼、含碳和/或含氮的气氛中，同时利用一种高功率能源、特别是利用一种激光对其进行照射。
在一个优选的实施例中，汽轮机叶片由含6％(重量)铝和4％(重量)钒的钛基合金(Ti-6Al-4V)组成，以及使用具有功率为1.5KW和具有根据高斯分布能谱的一种CO2激光。优选的激光束宽度为1.3mm。当重熔炼制合金化时，在叶片表面形成的熔化踪迹搭接大约50％，和具有熔化深度大约0.5mm。气氛含有氮和氩，并且以气流的形式导入叶片表面的激光的入射点。氮气流呈喷注状，由氩气流包围，因此有可能使氧和其它不希望的物质远离照射点，并且由此远离重熔炼制合金化过程。当重熔炼制合金化时，这种氮吸收取决于气流中的氮气分压。氩与氮的分压比在2∶1和4∶1之间变化。
当照射时该激光相对于汽轮机叶片沿曲折轨道运动。在这里位于入射点的(α/β)钛基合金的的表面部分被熔化并且熔化金属与氮发生合金化，该氮与熔化的钛基合金中的钛形成硬的氮化钛。当输入的气体具有适合的成分时，还可以相应地形成硼化钛和/或碳化钛。
由X射线衍射图、显微硬度测量、描描电子显示镜和透射电子显微镜的研究以及显微探头测定值确定，此方法得到的保护层基本上包括具有典型厚度为0.4至1mm的氮化钛，该氮化钛嵌入由α钛构成的基体中。该氮化钛的形态和分布取决于重熔炼制合金化的工艺参数和气氛中的氮气浓度。根据气氛中的氮气浓度，该氮化钛可以构成为层状的或者树枝状的。这种形成的保护层依据重熔炼制合金化的条件，可以具有维氏硬度为600-800HV，而相对的(α/β)钛基合金的维氏硬度为350至370HV。
这样成批生产出的叶片材料在其保护层抛光之后，测量耐蚀强度和疲劳强度。
耐蚀强度的测量在一个试验机上进行，该试验机基本上包括旋转的双臂，在该双臂的自由端安置着要研究的叶片材料的矩形试件。该双臂置于一室中，该室抽成大约为25毫巴的真空，为的是避免空气摩擦和可以达到高速度。在室的周围设置了一个液滴发生器，该液滴发生器产生总是具有同样大小水滴的三束喷注。这些水滴垂直地撞击到试件的表面上。每一次撞击强度由在撞击处的旋转臂的圆周速度确定。这种由发生器产生的液滴典型地具有大约0.2mm的直径。在要研究的试件部件处臂的圆周速度是常数，并且对于不同试件其变化为300和500m/s。做为对耐蚀强度的测量，测定了研究试件的体积损失(mm3)，该体积损失是在给定的圆周速度时作为撞击液滴的次数的函数(
图1)。
为了测量疲劳强度，在一伺服液压试验机上，在频率为30Hz和当交变载荷应力比R(σmin/σmax)为0.2/超过107次循环时，在四点弯曲条件下测试该试件。这样测得的试件只吸收应力而不发生断裂的最大应力值σmax[Mpa]，被用来量度疲劳强度(图2)。
由图1清楚地看出，(α/β)钛基合金与由氩与氮分压比为2∶1条件下重熔炼制合金化而产生的保护层相比，具有很小的耐蚀强度。这种未处理的((α/β)钛基合金延展性大并且在水滴的撞击下塑性变形。因此在很早期就形成腐蚀口，该腐蚀口此后相互重叠，最好导致裂纹，或者产生鳞片层导致剥落。与此相反，由重熔炼制合金化形成的保护层具有高硬度，并因此能大大阻力止这种不希望的腐蚀口的形成。然而，这种高硬度和相应的低延展性，与(α/β)钛基合金相比确实使保护层的疲劳强度下降约70％(图2)。
为了改善该保护层的疲劳强度，带涂层的叶片部件在650-700℃温度下经过4小时的热处理。除了保护层和热影响区的显微组织的均匀化和再结晶以外，首先在合金化的保护层中形成一种富钒的和均匀分布的β钛相析出。正如由图1和图2所看到的，这种组织变化在保持未热处理的保护层的耐蚀强度条件下，引起保护层的疲劳强度改善大约10-15％(图2的样品A)。
对疲劳强度的进一步改善，是在实际保持未热处理的保护层耐蚀强度的条件下，通过可控的喷射硬化方法，对热处理的保护层进行附加的机械增强而达到的。这里应用的喷射处理方法的典型值是喷丸直径为0.3，用于加速该喷丸的空气压力为3-5巴。使用0.2mmA的Almen强度有可能使表面层的疲劳强度，相对于未热处理的或未喷丸的保护层加倍。
在保持未热处理的保护层良好的耐蚀强度的条件下，实现对保护层的疲劳强度的另一种改善的方法是，使气体气氛中氩与氮的分压比大于2∶1和4∶1。正如图2的例B演示的，通过测量，与例A同样的热处理保护层相比，疲劳强度能够大约提高20％(图1和图2)。
对于显微组织的高疲劳强度而言，进行喷丸时采用至少两次完全的复盖是特别有利的。此外，极为有利的是，选择强度为大于0.2和小于0.45mmA的可控的喷射硬化处理。与实例B的保护层使用Almen强度仅为0.2mmA的喷丸使疲劳强度改善了大约15-20％相比，使用Almen强度约为0.3mmA的喷射硬化处理，有可能使保护层的疲劳强度改进，使该保护层实际上具有与未处理的保护层相同的耐蚀强度，同时达到了钛基合金的大约85％的疲劳强度(图2)。
很明显，在上述教导下，对本发明作出各种改进和变化是可能的。因此应当理解，除了这里具体描述过的外，本发明可按所附权利要求的范围进行实施。
权利要求
1.一种制造由含钒的(α/β)钛基合金构成的抗腐蚀的汽轮机叶片的方法，该方法包括在一种含硼、碳和/或氮的气氛中，借助高功率能源，通过对叶片尖端区域及前缘部位的重熔炼制合金化，而形成一种比钛基合金更耐蚀硼化钛、碳化钛和/或氮化钛基材料保护层，其特征在于，这种重熔炼制合金化的叶片部件在温度为600-750℃热处理的条件下，形成一种富钒的β钛相。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该热处理在650-700℃进行。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，该热处理进行至少一小时。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，热处理进行2-6小时。
5.根据权利要求1至4的方法，其特征在于，该热处理的叶片部件进行机械硬化处理。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，该叶片部件经受可控的喷射硬化处理。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，这种喷射处理的方式是进行至少两次完全的复盖。
8.根据权利要求6或7的方法，其特征在于，进行Almen强度为大于0.2小于0.45mmA的喷射处理。
9.根据权利要求1至8之任一的方法，其特征在于，该气体气氛除了含硼、碳和/或氮的气体之外还含有一种载气，同时该载气与含硼、碳和/或氮的气体的分压比至少为2∶1。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，该气体气氛含有氮和稀有气体，特别是含有氩，同时，稀有气体与氮的分压比大于2∶1和小于4∶1。
全文摘要
本方法用于制造由含钒(α/β)钛基合金构成的抗腐蚀低压级汽轮机叶片。其中，在含硼、碳和/或氮的气氛中，借助一种高功率能源，通过对叶片尖端区域和前缘部分的重熔合金化，而形成一种由硼化钛，碳化钛和/或氮化铁构成的抗腐蚀的保护层。部件又经600-750℃热处理，形成一种富钒的B钛相。通过热处理和与此相关的组织变化，该汽轮机叶片在几乎保持未处理保护层的耐蚀强度的条件下，使保护层的疲劳强度显著改善。
文档编号C22F1/18GK1119698SQ9511529
公开日1996年4月3日 申请日期1995年8月16日 优先权日1994年8月17日
发明者C·耶尔达斯 申请人:Abb管理有限公司