用于制造涡轮机的金属部件的固溶热处理方法与流程

本发明涉及一种制造/热处理金属部件的技术。其涉及用于制造部件，尤其是涡轮机(例如根据权利要求1的前序部分的燃气涡轮)的部件的固溶热处理方法。这样的燃气涡轮部件例如是涡轮叶片、导叶，或热屏蔽件，尤其是冷却的部件。

背景技术：

这样的燃气涡轮部件承受高的热机械负载并且通常由超级合金，例如镍基或钴基超级合金制成。单晶(SX)和定向凝固(DS)的超级合金的延展性(可变形性)比常规铸造(CC)零件更低。在部件的高多轴性(multiaxiality)的区域中，SX和DS材料的低延展性进一步减小。

另一方面，由于热应变和高机械载荷，涡轮叶片的热机械负载需要一定程度的延展性(可变形性)。

考虑到涡轮叶片的负载(由于压力和离心载荷以及非均匀的温度分布)产生约为高达1％的机械应变，因此需要材料的相当大的延展性。

文献US 5,451,142描述了一种方法以提供粘接于镍基超级合金涡轮叶片的根部的高强度多晶超级合金的层/涂层。该层被等离子喷涂于叶片的枞树形部上。

文献US 4,921,405教导了一种单晶涡轮叶片，其附接部段(枞树形部)的一部分覆有细晶粒多晶合金层。根据教导，覆层(layering)优选地通过用超级合金等离子喷涂附接部段和通过将喷涂的超级合金热等静压压实至最小的孔隙度来完成。所得的涡轮叶片应当由于复合的附接部段的减小的低周、低温疲劳易感性以及其中的减小的裂纹生长而具有改进的寿命。

在这两种情况下，在叶片的制造期间必须应用特定的涂覆工艺，这需要大量的额外时间和成本付出。

文献US 4,582,548描述了用于在燃气涡轮发动机中使用的单晶铸造合金。单晶实心叶片或条沿纵向方向被铸造和机加工。在机加工之后，它们经受固溶热处理并且然后它们被伪涂覆(pseudo-coat)和时效(age)。EP 1184473 A2公开了镍基单晶超级合金和制造其的方法。该方法类似于US 4,582,548中所描述的方法，意味着在机加工步骤之后进行样本/部件的固溶热处理和额外的热处理步骤。

文献US 2015/0013852 A公开了一种用于制造由SX或DS镍基超级合金制成的燃气涡轮部件的改进的方法，包括热处理(HTS1-3)和机加工和/或机械处理步骤(SM)，其中所述机加工/机械处理步骤(SM)在所述热处理(HTS1-3)之前完成。其特征在于，部件(11)的固溶热处理(SHT)在所述机加工/机械处理步骤(SM)之前完成。在热处理之前(热处理步骤HTS1-3)，但在固溶热处理之后，完成塑性变形和最终样品几何形状的机加工(机加工步骤SM)。因此，先前受到塑性变形和机加工的影响(例如，通过比如冷作硬化)的表面附近区域通过热处理改变。由于先前的表面处理(塑性变形)实现了显著更高的延展性。仅由于样品机加工步骤(SM)，即使在没有先前的塑性变形的情况下，SX部件上的增加的延展性的效果也可以在室温下以及在600℃下在其它样品上观察到。

通常，固溶热处理是带有一定的时间-温度-周期的依赖于温度和时间的过程。针对DS或SX部件的固溶热处理主要是加工温度和保持时间的逐步增加/减小以实现材料的所需的屈服强度。最高温度、在该最高温度下的保持时间以及冷却速率确定可实现的屈服强度和其它机械性质。

不幸地，因为由于部件的几何设计中、其在炉中的位置、在惰性气体流动速率和方向中、在复杂形状的部件的局部不均匀的绝对热容/热惯性中的变化，在炉中未能良好地控制热处理，因此固溶热处理过程具有一些过程变化。公知的是固溶热处理能够用部件中的陶瓷芯并且可能用壳型剩余物来完成，或者在没有部件中的芯和没有壳型的情况下完成。

尤其对于燃气涡轮部件，比如包括根部和翼型的涡轮叶片，在固溶热处理过程中，特别地在(快速)冷却和加热阶段期间很难在任何时刻均实现均匀的温度。在这种背景中和在该申请的背景中的术语根部包括至涡轮转子(通常呈枞树形状)的附接区域、柄部(附接区域至涡轮转子和内平台/围带(shroud)之间的连接部)以及内平台或内围带(将柄部与热气体分开)。枞树形根部尚未被机加工并且具有高的热惯性，同时翼型具有低的热惯性。存在入口孔(冷却几何构造在内侧)，以及出口孔。在涡轮的操作期间，部件与类似的邻近部件一起形成内部(冷却)和外部(热气体)流动通道，以沿预期的流动方向通导流动并且抽取功(extract work)，或防止流动沿某一流动方向流动。

在现有技术中，对于最小冷却速率和由于迅速冷却期间过度的温度梯度引起的塑性变形的风险的要求能够是冲突的。此外，在升高的温度下的保持时间可以在部件内变化，因为薄的部段比厚的部段更早地到达保持温度，因此，例如由于固溶处理(solutioning)的不充分(低)程度，能够存在厚的部段中的保持时间过短以至于不能实现所需的材料性质的风险。

技术实现要素：

本发明的目标是公开一种改进的固溶热处理方法以实现在任何时刻下的实质上改进的温度均匀性，并且特别地在用于制造涡轮机(尤其是燃气涡轮)的金属部件的固溶热处理的(快速)冷却和加热阶段期间实现实质上改进的温度均匀性。

这和其它目标通过根据权利要求1所述的方法实现。

所述方法的特征在于

-以与涡轮机中的部件组装相同的原理将部件定位在炉中，而且在邻近的部件之保留流动区域和间隙，然后

-开始固溶热处理的时间-温度-周期，以及

-在固溶热处理期间应用惰性气体，使得该惰性气体流动通过所述流动区域和间隙，以便在固溶热处理过程中的任何时刻，特别地在(快速)冷却和加热阶段期间实现均匀的温度。

用本发明的方法，在应用惰性气体流动的同时通过以公开的方式在炉中定位/安装部件实现更好地受控的固溶热处理过程。该“外部”惰性气体流动降低了炉内流动条件的失配，使得实现了处理的部件的更均匀的温度分布以及因此改进的机械性质。这例如当对内侧带有陶瓷芯的铸造部件进行固溶热处理时是适用的。

当根据所描述的方法对部件进行固溶热处理时，实现了本发明的另一优点，其中所述部件包括至少一个内部冷却通道，使得当在炉中的固溶热处理期间应用惰性气体时，所述惰性气体也流动通过内部通道。这例如是当在部件的铸造过程中所使用的陶瓷芯被移除由此产生这样的内部冷却通道时的情况。该“内部”流动与所描述的“外部”流动的组合进一步降低了流动条件的失配。

在所描述的发明的另一实施例中，每个部件均包括至少一个带有第一热惯性的第一部分和至少一个带有第二热惯性的第二部分，其中第一热惯性显著地高于第二热惯性，其中在将部分包裹的部件定位在炉中以便固溶热处理之前，用包裹材料包裹每个部件的第二部分。包裹材料，优选地陶瓷毡(ceramic felt)、陶瓷棉(ceramic wool)或陶瓷织物，增加了第二部分的热惯性并且因此降低了部件的第一部分和第二部分之间的热失配。能够容易地选择陶瓷材料的导热性、厚度、位置以及附接方法以实现最佳结果。

通过使用部件(包裹以控制热通量)的形状和条件以及通过在应用惰性气体流动的同时以公开的方式在炉中定位/安装部件实现了更好地受控的固溶热处理过程。部件在炉中承受几乎相同的流动和热条件。

能够以更有效率的方式控制冷却/加热，过程变化被减少并且因此部件之间以及部件内的材料性质中的变化(例如，屈服强度)被降低，特别地在冷却期间在厚的部段中可能未实现最小的所需的冷却速率，从而引起厚的部段中的不足够的材料性质。此外，避免或最小化了由于由局部的不均匀冷却或加热速率引起的过度的局部温度梯度所导致的在部件的冷却期间的塑性变形的风险和/或在部件的加热期间的过热的风险。

如果部件在炉中定位在包括惰性气体流动入口和惰性气体流动出口的至少一个炉屉(drawer)内，则这是有利的。优选地通过使用若干所述炉屉将多个部件分开，并且针对受控的流动情形在炉屉的惰性气体入口和惰性气体出口之间提供惰性气体的压力差。

根据实施例，所使用的炉屉包括专用的内部设计，其至少部分地与待固溶热处理的部件的设计匹配。

根据另一实施例，固溶热处理的部件通过任何适当的可拆卸的器件被固定于炉屉。

根据本发明的额外实施例，固溶加热的部件是带有或者不带有内部冷却通道的燃气涡轮部件，优选地是涡轮叶片、导叶或热屏蔽件。

根据优选的实施例，固溶加热的部件1由单晶(SX)或者定向凝固(DS)的超级合金制成，优选地由镍基或钴基超级合金制成，而且也能够被用于由常规铸造(CC)的超级合金、优选地镍基或钴基超级合金制成的部件。

附图说明

借助于不同的实施例以及参照附图，现在将更详尽地解释本发明。

图1示出根据现有技术的带有根部(第一部分)和翼型(第二部分)的涡轮叶片的简化的草图；

图2示出用于类似于图1(现有技术)的叶片的简化的冷却方案；

图3示出根据本发明的实施例的带有包裹的翼型部分的叶片；

图4示意性地示出涡轮机中具有三个涡轮叶片的组件；

图5以透视图示出用于在炉中安装的简化的炉屉；以及

图6示出根据本发明的另一实施例的带有两个涡轮叶片的炉屉设计。

具体实施方式

在优选的实施例中，本发明基于复杂部件的调质(conditioning)的组合，所述复杂部件优选地由SX/DX-镍基或钴基超级合金制成，其待在应用惰性气体流动的同时在该部件在炉中的特定定位和安装的情况下在炉中进行固溶热处理(通过包裹该部件的一部分以控制热通量)。由常规铸造(CC)的镍基或钴基超级合金制成的部件也能够用所公开的方法处理。

固溶加热的部件优选地是带有内部冷却通道的燃气涡轮部件，优选地是带有具有低热惯性的翼型部分以及具有大热惯性的根部部分的涡轮叶片、带有具有低热惯性的翼型部分和具有大热惯性的2个或1个平台部分的导叶，或者热屏蔽件。

图1示出根据公知的现有技术的这种铸造部件1的简化的草图。图1中的部件1是根据公知的现有技术的包括带有大的热惯性的第一部分2(＝根部)和带有低的热惯性的第二部分3(＝翼型)的涡轮叶片。翼型3包括尖端部段3’和后缘部段3”。涡轮机中的热气体流动方向示出为箭头4。由于薄的部段(第二部分3，在此是带有更低热质量的涡轮叶片1的翼型)的更快的冷却和/或加热以及带有大的热质量的厚的部段(第一部分2，在此是涡轮叶片1的根部，其能够例如是叶片的枞树形部和柄部)的相对慢的冷却和/或加热，使这样的部件1在炉中经受通常的公知的固溶热处理以便实现良好的机械性质导致部件中的不均匀的温度分布。在部件的加热期间由于过度的局部温度梯度，能够存在塑性变形(主要在冷却期间)和/或过热的风险。此外，在冷却期间，最小的需要的冷却速率会在厚的部段中未实现，从而引起厚的部段中的不足够的材料性质(例如，屈服强度)。此外，由于在加热期间薄的部段比厚的部段更早地到达保持温度，因此能够存在部件的厚的部段中的保持时间过短以至于不能实现所需的材料性质的风险。

图2示出根据现有技术的用于这种铸造涡轮叶片的简化的冷却方案。在涡轮机的操作期间，部件1(叶片)由冷却空气6冷却。根据图2的涡轮叶片因此包括从根部(带有大的热惯性的第一部分2)延伸至翼型3的尖端部段3’(带有低的热惯性的第二部分3)的内部冷却通道5，其在翼型内两次改变方向并且包括在尖端部段3′中的开口以便叶片尖端冷却(如由箭头所指示的)，以及在后缘部段3”中的开口以便叶片后缘冷却(也由箭头所指示)。冷却空气6如所描述的那样流过所述通道5。

该部件的固溶热处理例如用包括复杂内部几何构造的陶瓷芯7完成，并且可能地用壳型剩余物完成，或替代性地在没有芯7和没有壳型的情况下完成。即使在铸造之后没有完全打开，部件1也提供冷却流动通道5(图1中未示出)。如果芯7已经被移除，则芯入口和出口芯头退出部(print outs)提供流动通道5。

在操作期间(当在涡轮机中使用叶片/部件1时)，部件1与类似的邻近部件1一起形成外部(热气体流动4)通道，以沿预期的流动方向通导流动并且抽取功，或防止流动沿某一流动方向流动。

图3示出在本发明的简化的实施例中的涡轮叶片1，其由镍基超级合金制成，带有包裹的翼型(第二部分3)。第一部分2(带有高的热惯性的根部)未用额外材料8覆盖。包裹材料8(例如陶瓷毡、陶瓷棉或陶瓷织物)增加了第二部分3的热惯性并且在热处理期间遍及该部件使温度分布均匀。结果取决于材料8的选定的厚度、其导热性、热容、位置以及附接方法。

图4示意性地示出涡轮机中的三个涡轮叶片(三个部件1)的组件。这三个邻近的部件中的每一个均包括根部(带有大的热惯性的第一部分2)和翼型(带有低热惯性的第二部分3)。它们之间存在重复的喉部区域13。当组装在机器中时，部件1提供(与涡轮机的其它部分一起)热气体流动通道。

在透视图中，图5中示出用于安装在固溶热处理炉中的简化的炉屉10。炉屉10包括惰性气体流动入口11和惰性气体流动出口12。若干这样的炉屉10能够安装在炉中并且通过使用若干所述炉屉10将多个部件1分开。存在针对受控的流动情形在炉屉10的惰性气体流动入口11和惰性气体流动出口12之间提供的惰性气体的压力差。此外，针对受控的流动情形在部件1(图5中未示出)的内部冷却通道5的惰性气体流动入口11与惰性气体流动出口12之间提供惰性气体的压力差。

所公开的固溶热处理方法被用于制造涡轮机的金属部件1，在制造之后当在涡轮机中组装该部件1时，其提供热气体流动通道，其中部件1在炉中承受一定的时间-温度-周期。该方法包括以下步骤：

-以与涡轮机中部件组装相同的原理将部件1定位在炉中，而且在邻近的部件1之间保留流动区域和间隙9，然后

-开始时间-温度-周期并且

-在固溶热处理过程期间应用惰性气体，使得惰性气体流动通过所述流动区域和间隙9，以便在固溶热处理过程中在任何时刻均实现均匀温度，特别地在快速冷却和加热阶段期间。

该“外部”惰性气体流动降低了炉内的流动条件的失配，使得实现处理的部件1的更均匀的温度分布以及因此改进的机械性质。例如当对内侧带有陶瓷芯7的铸造部件1进行固溶热处理时，这是适用的。

当根据所描述的方法对部件1进行固溶热处理时，实现本发明的另一优点，其中所述部件1包括至少一个内部冷却通道5，使得当在炉中在固溶热处理过程期间应用惰性气体时，所述惰性气体也流动通过该内部通道5。这例如是当在部件的铸造过程中所使用的陶瓷芯7被移除由此产生这样的内部冷却通道5时的情况。该“内部”流动与所描述的“外部”流动的组合进一步降低了流动条件的失配。

在所描述的发明的一个实施例中，其中每个部件1均包括至少一个带有第一热惯性的第一部分2和至少一个带有第二热惯性的第二部分3，其中第一热惯性显著地高于第二热惯性，在将部分包裹的部件定位在炉中以便固溶热处理之前，用包裹材料8包裹每个部件1的第二部分3。包裹材料8，优选地陶瓷毡、陶瓷棉或陶瓷织物，增加了第二部分的热惯性。能够容易地选择陶瓷材料的导热性、厚度、位置以及附接方法以实现最佳的结果。

如上文所述且在图5中示出的那样，优选地在炉中使用带有布置在炉屉10中的部件1的该炉屉10。炉屉允许炉中的受控的流动情形。

图6详细地示出带有根据本发明的另一实施例的两个涡轮叶片(部件1)的炉屉设计。炉/炉屉中部件的放置将使用与操作期间涡轮机中的部件组装相同的原理布置。如能够从图6中看到的，所使用的炉屉10包括与待固溶热处理的部件1的设计匹配的专用的内部设计，这意味着例如匹配于铸造部件1。能够通过使用若干所述炉屉10将多个部件1分开。每个所述部件1均由任何合适的可拆卸固定装置器件(fixture means)14(例如通过金属线或通过块)固定于炉屉10，因为金属阻断陶瓷接口件(interface piece)以避免扩散，提供至部件1的粘接，使得在炉的运行期间无意的运动是不可能的。每个部件类型均获得将与铸造部件匹配的专用的炉屉和固定装置。每个部件类型均需要喉部13、流动区域和间隙9以及惰性气体设计使得实现部件的均匀的热惯性并且因此减少了过程变化并且减少和避免了部件之间或部件内的材料性质的变化，例如屈服强度中的变化。炉屉10确保热气体路径的使用并且使用冷却流动路径。

炉屉10确保所有部件1均获得类似的惰性气体流动。对于外缘上的部件，固定装置侧壁需要匹配部件的压力侧/吸力侧。存在针对受控的流动情形在炉屉10的惰性气体流动入口11和惰性气体流动出口12之间提供的惰性气体的压力差。

内部冷却通道(图6中未示出)提供带有上述优点的额外的惰性气体流动。此外，用包裹材料8(也未在图6中示出)包裹部件1的翼型(第二部分3)进一步限制了翼型与根部之间的热惯性的显著失配，并且因此促成温度的进一步均匀化。包裹材料8优选地遍及翼型具有均匀的厚度，以维持流动路径。

在部件1的第一部分和第二部分之间的热失配不显著的情况下，当然不需要在固溶热处理期间包裹部件1的部分。在这种情况下，应当将如独立权利要求1所公开的方法或如从属权利要求2中所公开的方法应用于该部件。

用所公开的方法，可能实现的是部件在炉中承受几乎相同的流动和热条件，因此部件之间以及部件内材料性质(例如屈服强度)中的变化减小。

附图标记列表

1 部件，例如涡轮叶片、导叶、热屏蔽件

2 第一部分，例如根部

3 第二部分，例如翼型

3’ 翼型的尖端部段

3” 翼型的后缘部段

4 涡轮机中的热气体流动方向

5 内部冷却通道

6 冷却空气

7 芯(由陶瓷材料制成)

8 包裹材料，例如陶瓷毡

9 间隙

10 炉屉

11 惰性气体流动入口

12 惰性气体流动出口

13 喉部区域

14 固定装置器件

附图说明

图1

Prior art现有技术

图2

Prior art现有技术

图4

Prior art现有技术