專利名稱：基本鈦合金渦輪葉片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明以基本鈦合金渦輪葉片為基礎，至少其葉片前緣的葉尖區(qū)域有一層面層材料比基本鈦合金較耐侵蝕。這種葉片適宜用于蒸汽渦輪的低壓級，因為，雖然體積大，但可滿足大約100℃溫度范圍內的機械強度要求，并且不過度增高轉子的應力。在這溫度范圍內，進入渦輪的蒸汽凝結，水滴高速沖擊暴露于進入蒸汽的渦輪葉片表面。這種表面，尤其是，指葉片的前緣和在葉片低壓側跟在葉片前緣后面的表面部分。水滴可能造成侵蝕損壞。葉片葉尖附近的區(qū)域特別受影響，因為這一點上的葉片圓周速度最大。
本文開頭提及的這類渦輪葉片，例如從專利GB-A-1479855或EP-B1-0249092中可知為公知技術。該公知的渦輪葉片在其葉尖區(qū)域中，有一個包括葉片前緣的葉片區(qū)域，它是利用銀釬焊或紫銅釬焊、將一個含碳化鈦的保護體釬焊在沒有保護體的基本鈦合金渦輪葉片上制成的。這種保護體特別是用來使渦輪葉片的受危害區(qū)域免受侵蝕損壞。保護體在沒有保護體的渦輪葉片上的制造及應用是較為復雜的。此外，在這安排中，不能排除在不加保護體的鈦葉片的基本鈦合金上粘附保護體方面的困難。
因此，本發(fā)明的一個目的，如在權利要求1及5中所規(guī)定，是提出一種如本文開頭所述這類新穎的渦輪葉片，它制作簡單，甚至在運轉困難的條件下，顯示有長使用壽命，并提出一種制造方法，可用以在高效益成本比下制造葉片，方式適合作大量生產(chǎn)。
因此在本發(fā)明的渦輪葉片情況下，在一個簡單的工藝步驟中例如用大功率能源對無保護的基本鈦合金作表面處理，便可獲得葉片的經(jīng)處理區(qū)域的表面硬化，從而達到對水滴侵蝕的有效防護。這種侵蝕防護處理特別可靠，因為一方面，與基本鈦合金牢固連接的保護層，通過表面處理作為擴散過程的結果而形成的。在另一方面，適當層厚給定時，這保護層還顯示出可與基本鈦合金比擬的低的開裂敏感度。
對本發(fā)明的比較完全的理解和伴隨的許多優(yōu)點，很容易了解，因為參照下面的詳細敘述，結合附圖
考慮，便可更加了解制造本發(fā)明的渦輪葉片的裝置，附圖僅一幅，作簡示。
現(xiàn)參看附圖，圖示裝置有一個支承臺1，可在水平面中移動，有支承板3承載渦輪葉片2，可在座標X軸方向上平移，有底板4支持支承板3，沿與X軸垂直的座標Y軸移動。一個波長入的激光發(fā)生源用號5標示。將激光發(fā)生的光，在處理裝置6中聚焦在渦輪葉片上。如果可以用不同的大功率能源，諸如發(fā)生等離子體束或電子束的器械，以取代激光。處理裝置6可沿座標Z軸方向，垂直于支承板3移動，需要時同時繞X及Y軸轉動。處理裝置6和與大功率能源牢固連接的支承臺1的動作的協(xié)調，這可用記憶程序控制器(未示)進行，控制器對伺服電機作用，取得平移及旋轉動作。
管子7供給氮/氬混合氣，需要時供給氮和任意的一種或多種惰性氣體的混合氣，從一個貯存器(未示)，向吸氣側表面9上的大功率能源的激光作用點8，或渦輪葉片2的葉片前緣10供給，管子緊固在處理裝置6上。供給的氣體中無氧氣，復蓋激光的作用點8，以周圍氧不接觸的方式形成痕跡11。尤其在葉片前緣10的區(qū)域中，管子7安排成使氣體從若干側復蓋激光作用點8，例如從渦輪葉片2的低壓側及高壓側。這樣可保證激光作用點8上，甚至在葉片前緣10的區(qū)域內保持無氧。同時，增加氣體的供給，可保證改善葉片前緣10的處理區(qū)域的冷卻。
處理過程中，作大功率能源用的激光5相對于葉片2循環(huán)移動。循環(huán)動作圖示得很清楚，可用往復移動沿座標Y軸進行，在每一調頭的位置上，略沿X軸前進。利用輻射裝置6圍繞X軸的旋轉動作，同時輻射裝置6沿Z軸移動，在往復動作中，葉片前緣10在低壓側及高壓側可承受激光。在這過程中，在激光作用點8位置上的基本鈦合金的表面部分熔化，通過管子7供給的氣體將合金元素送入熔化金屬。在圖示的混合氣中將氮送入作合金元素。氮和熔化的基本合金中的鈦，共同形成極硬的氮化鈦。也可用適當組分的供給氣體，相應形成硼化鈦和/或碳化鈦。
在這表面處理過程中，合金再熔化形成的保護層，顯示對沖擊水滴侵蝕的抵抗力大于基本鈦合金的無保護表面的許多倍。保護層的最低厚度應為0.1mm，因為，不然的話，由于再熔過程不可避免有不均勻性，無保護的表面區(qū)域仍存在。在另一方面，保護層的厚度應不超過1mm，因為只有這樣，才有特別好的抗開裂的能力，因此，才能保證有特別好的抗侵蝕保護。假如在熔過程中，調節(jié)激光參數(shù)，使形成的保護層顯示最大維氏硬度為900HV，最好在500至700HV之間，如層厚在0.4至1mm之間，則避免發(fā)生不利的開裂的可靠程度便很高。
在生產(chǎn)保護層時，在基本鈦合金中用激光5形成的痕跡11，應有50%至90%的搭接，最好在75%至85%之間，因為這樣才能保證在形成氮化鈦合金時，合金元素，尤其如氮，才能有特別良好的結合。
使用重量占6%的鋁和重量點4%的釩的基本鈦合金時，激光5的下列工作參數(shù)，對于制造厚度約0.6至0.7mm，維氏硬度在500至700HV之間的耐侵蝕保護層時是常用的功率 1-10千瓦沿痕跡方向的前進速度1-2公尺/分鐘痕跡搭接75%-85%激光作用點直徑 約2mm
氣體成分體積比例為N∶Ar約3∶2氣體供給量約50立升/分鐘一般而言，如渦輪葉片2的一個葉片區(qū)有保護層，它靠近葉尖并，包括葉片前緣10和一個在低壓側上的區(qū)域。這區(qū)域大致以葉片前緣10和葉尖為界，最多占葉片寬度的三分之一，從葉片前緣10向葉片后緣伸展，占從葉片尖到葉根的葉片長度的三分之一。
顯然就上面的指引，可對本發(fā)明作許多修改和變化。因此可理解，在文后的權得要求范圍內，本發(fā)明可按本文上詳細敘述以外的方法實施。
權利要求
1.基本鈦合渦輪葉片(2)，其中至少葉尖附近的區(qū)域，包括葉片前緣(10)有一個表面，其材料比基本鈦合金較耐侵蝕，該區(qū)域有一個保護層，用大功率能源對基本鈦合金作表面處理形成，其特征在于保護層通過將合金再熔形成，合金再熔用一種氣體進行，氣體與基本鈦合金形成一種硼化物，碳化物和/氮化物等。
2.如權利要求1所述之渦輪葉片(2)，其特征為保護層的最小厚度為0.1mm，最大厚度為0.7mm。
3.如權利要求1或2中一項所述之渦輪葉片(2)，其特征為保護層的最大維氏硬度為600HV。
4.如權利要求1至3中一項所述之渦輪葉片(2)，其特征為保護層中含氮化鈦。
5.如權利要求1至4中一項所述之方法，其特征為氣體用氮/惰性氣體混合物。
6.如權利要求1至5項一項中所述之方法，其特征為用循環(huán)移動的激光(5)作大功率能源，其工作參數(shù)的決定，使保護層的厚度在0.1與0.7mm之間，最大維氏硬度為600HV。
7.如權利要求6所述之方法，其特征為形成基本鈦合金保護層的由激光(5)產(chǎn)生的痕跡(11)被安排成相鄰痕跡搭接量在70至90%之間，最好在75%至85%之間。
8.如權利要求7所述之方法，其特征為在安排葉片前緣(10)區(qū)域中的痕跡(11)，由氣體從若干側復蓋。
全文摘要
適用于蒸汽渦輪壓級的渦輪葉片(2)用基本鈦合金形成。葉片附近有一區(qū)域，包括具有用某種材料制成的表面的葉片前緣(10)，該材料耐侵蝕力大于基本鈦合金。渦輪葉片應制造簡單，而且即使在困難的工作條件下也有長的使用壽命。其取得在于包括葉片前緣的區(qū)域具有某種保護層，它是通過用大功率能源，尤其如用激光(5)形成的。
文檔編號F01D5/28GK1062577SQ9111185
公開日1992年7月8日 申請日期1991年12月19日 優(yōu)先權日1990年12月19日
發(fā)明者C·格德斯, C·馬吉 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司