一种钛合金高效汽轮机叶片的制作方法

本发明涉及一种钛合金高效汽轮机叶片，属于发电设备技术领域。

背景技术：

汽轮机是将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

汽轮机叶片是汽轮发电机组的重要部件，目前市面上普遍使用的汽轮机叶片一般是通过改变叶片的形状来提高工作效率，效果不明显，且未发挥出叶片的最大工作效率，且现有的汽轮机叶片制造成本高，容易受腐蚀损坏，使用寿命短，维护成本高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种工作效率高的钛合金高效汽轮机叶片。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种钛合金高效汽轮机叶片,包括叶根、叶型和叶顶，叶根、叶型和叶顶依次固接并制为一体，叶根下方固接有安装座，叶根上还设置有捕风装置，捕风装置包括底板和翼板，翼板与底板连接，翼板与底板之间具有小于或等于90°的夹角，底板固定在叶根上；叶型表面开设有至少一个导风槽；叶顶上固接有至少一个辅叶片；

钛合金高效汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：

㈠配料：钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.08-0.12%、Fe：0.85-1.13% 、Mn：0.31-0.52%、S：≤0.020%、P：≤0.030%、Cr：0.43-0.66%、Ni：1.35-1.63%、Zn：1.75-1.96%、Cu：1.95-2.46%、Mo：0.01-0.03%、Ag：0.07-0.09%、Pd：0.02-0.05%、Pt：0.01-0.03%、Au：0.01-0.02%、W：0.91-1.15%、Ta：0.51-0.63%、Nd：0.01-0.03%、Ce：0.02-0.04%、Eu：0.01-0.04%、Lu: 0.02-0.03%，氧化钙：0.12-0.15％,滑石粉:0.13-0.16%,氧化镁：0.19-0.25％, 氧化铜：0.13-0.18％,氧化铁：0.24-0.31％,二氧化锰：0.16-0.24％,氢氧化铜：0.14-0.18％,氢氧化铁：0.05-0.09％,氢氧化钡：0.04-0.07％,硝酸钾：0.21-0.26％,氯化镁：0.13-0.18％,氯酸钾：0.26-0.32％，硫酸钡：0.03-0.07％，硫酸铜：0.04-0.08％，余量为Ti；

㈡熔炼：

a、按预定的钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比将原料加入熔炉内，将熔炉内的温度提高到1550摄氏度至1680摄氏度，原料被熔炼形成合金溶液；

b、将上一步得到的合金溶液进行冷却，冷却时用水冷与空冷结合，先采用水冷以20-22℃/s的冷却速率将合金溶液水冷至630-650℃形成合金，然后空冷至350-390℃，再采用水冷以11-12℃/s的冷却速率将合金水冷至室温；

c、加热，将上一步冷却后的合金加入熔炉内进行二次熔炼，将熔炉内的温度提高到1570摄氏度至1610摄氏度，合金被二次熔炼形成合金溶液；

d、烫包，将熔炉内的合金溶液倒入浇包，进行烫包；

e、烫包完毕后，将浇包内的合金溶液倒入电炉内，将电炉内的温度升温至1590 摄氏度至1610摄氏度，加热14分钟至18分钟，将电炉内的合金溶液倒入浇包，倒包降温；

f、倒包后，将浇包内的合金溶液倒入电炉，温度加热至1480至1510摄氏度，在浇包的包坑中依次加入1.4%至1.5%的球化剂和0.2%至0.3%的孕育剂，用5至6kg薄钢板，薄钢板的厚度为0.5mm至1mm，将薄钢板覆盖在球化剂、孕育剂上，并捣实；

g、将电炉内的合金溶液倒入浇包内凹的另一侧，球化反应70s至75s，球化反应充分后，撒一层集渣剂，快速扒渣；

h、快速扒渣后，立即在合金溶液表面撒入膨胀珍珠岩粉，打渣两遍；

㈢精炼：将熔炼后的合金溶液送入精炼斧，控制精炼温度为1300℃～1350℃精炼18分钟，静置30分钟，气压0.05-0.09MPa，形成待铸造的合金溶液，在五分钟内浇注完毕；

㈣制作覆膜砂壳型芯：

㈤浇注：在重力浇注时将上下两半覆膜砂壳型芯定位粘好固化好后，平稳放置在浇注模中进行浇注；

㈥热处理：采用淬火-加热-回火的热处理工艺对浇注好的钛合金高效汽轮机叶片进行热处理，具体热处理工艺为：

淬火：将浇注好的钛合金高效汽轮机叶片放入淬火炉进行淬火，淬火介质为真空淬火油，控制淬火温度为800-850℃，淬火时冷到260-280℃时,取出空冷至室温；

加热：将淬火后的钛合金高效汽轮机叶片放入加热炉进行加热，加热温度为750-780℃，加热25-30分钟后停止加热，使钛合金高效汽轮机叶片在加热炉内利用余热维持在450-470℃保温5-10分钟，将钛合金高效汽轮机叶片取出冷却至室温；

回火：将加热后的钛合金高效汽轮机叶片放入回火炉进行回火，控制回火温度为450-480℃，回火时间10-15分钟，然后采用压缩空气或雾状淬火液以6-8℃/s的冷却速率将原料冷至330-350℃，然后空冷至室温；

㈦探伤处理；

㈧去除钛合金高效汽轮机叶片内外尖角及毛刺；

㈨电镀：钛合金高效汽轮机叶片外表面电镀锌镍合金镀层；

㈩清洗、退磁及防锈处理。

上述技术方案的改进是：叶顶的中部制有第一弧形凸楞。

上述技术方案的改进是：辅叶片的中部制有第二弧形凸楞，第二弧形凸楞的一端与第一弧形凸楞的中部固接。

上述技术方案的改进是：叶根和安装座之间设置有加强筋。

上述技术方案的改进是：钛合金高效汽轮机叶片为弧形。

上述技术方案的改进是：安装座上向下贯穿有至少两个螺栓，螺栓对称设置。

上述技术方案的改进是：安装座的下表面中部固接有定位片。

上述技术方案的改进是：钛合金高效汽轮机叶片的加工工艺的步骤㈠中，钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.09%、Fe：0.88% 、Mn：0.35%、S：≤0.020%、P：≤0.030%、Cr：0.46%、Ni：1.38%、Zn：1.86%、Cu：1.96%、Mo：0.02%、Ag：0.07%、Pd：0.02%、Pt：0.01%、Au：0.01%、W：0.95%、Ta：0.53%、Nd：0.03%、Ce：0.02%、Eu：0.02%、Lu: 0.02%，氧化钙：0.13％,滑石粉:0.14%,氧化镁：0.19％, 氧化铜：0.14％,氧化铁：0.26％,二氧化锰：0.17％,氢氧化铜：0.15％,氢氧化铁：0.06％,氢氧化钡：0.04％,硝酸钾：0.22％,氯化镁：0.14％,氯酸钾：0.27％，硫酸钡：0.03％，硫酸铜：0.04％，余量为Ti。

上述技术方案的改进是：钛合金高效汽轮机叶片的加工工艺的步骤㈠中，钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.11%、Fe：1.05% 、Mn：0.43%、S：≤0.020%、P：≤0.030%、Cr：0.56%、Ni：1.53%、Zn：1.88%、Cu：1.97%、Mo：0.03%、Ag：0.09%、Pd：0.03%、Pt： 0.03%、Au：0.02%、W：0.93%、Ta：0.62%、Nd：0.03%、Ce：0.03%、Eu：0.02%、Lu: 0.03%，氧化钙：0.14％,滑石粉:0.15%,氧化镁：0.22％, 氧化铜：0.17％,氧化铁：0.26％,二氧化锰：0.18％,氢氧化铜：0.16％,氢氧化铁：0.07％,氢氧化钡：0.06％,硝酸钾：0.25％,氯化镁：0.16％,氯酸钾：0.28％，硫酸钡：0.04％，硫酸铜：0.07％，余量为Ti。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：

（1）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于叶根上还设置有捕风装置，可以更加有效的将蒸汽的能量转换成为机械功，提高了转换效率，从而提高汽轮机的工作效率；

（2）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于叶型表面开设有至少一个导风槽，可以进一步辅助叶片将蒸汽的能量转换成为机械功，提高了转换效率，从而提高汽轮机的工作效率；

（3）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于叶顶上固接有至少一个辅叶片，通过辅叶片与捕风装置和导风槽的相互配合，能够大大提高将蒸汽的能量转换成为机械功的转换效率，从而提高汽轮机的工作效率；

（4）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于叶顶的中部制有第一弧形凸楞，由于叶顶的线速度大，承受的离心力也大，通过第一弧形凸楞，能够大大提高叶顶部分的结构强度，防止在工作时发生损坏，保证了汽轮机叶片的稳定工作；

（5）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于辅叶片的中部制有第二弧形凸楞，第二弧形凸楞的一端与第一弧形凸楞的中部固接，通过第二弧形凸楞加强了辅叶片部分的结构强度，使得辅叶片与叶顶的连接更加牢固，防止在工作时发生损坏，保证了汽轮机叶片的稳定工作；

（6）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于叶根和安装座之间设置有加强筋，加强了叶根与安装座的连接强度，防止在工作时发生损坏，保证了汽轮机叶片的稳定工作；

（7）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于安装座上向下贯穿有至少两个螺栓，方便了钛合金高效汽轮机叶片的安装和更换；

（8）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于安装座的下表面中部固接有定位片，安装时定位片插入到轮毂上预留的定位凹槽内，可以有效防止钛合金高效汽轮机叶片工作时发作偏移影响转换效率；

（9）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于采用钛为主要材料，使得叶片整体质量轻并且结构强度大，同时具有优良的耐腐蚀性能；

（10）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于在原料熔炼时，通过烫包、倒包、球化反应、扒渣和打渣的配合，使得原料熔炼更加彻底，可以有效去除原料中的杂质，从而提高最终叶片的质量；

（11）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于在原料熔炼时，第一次熔炼后采用水冷与空冷结合快速冷却，后进行第二次熔炼，通过快速的降温和二次熔炼，大大减少了原来中的杂质，提高了最终铸件的质量；

（12）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于在原料熔炼后又进行了精炼，通过两次次熔炼和精炼的配合，提高了最终铸件的质量；

（13）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于在铸造后又经过了热处理，可控制该钛合金高效汽轮机叶片横向与纵向凹陷造成的表面裂纹，并可使叶片表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消部分工作应力，增加使用寿命；

（14）本发明的钛合金高效汽轮机叶片由于钛合金高效汽轮机叶片外表面电镀锌镍合金镀层，大大提高了叶片的耐热和耐腐蚀性能，延长了使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例钛合金高效汽轮机叶片的结构示意图；

图2是本发明实施例钛合金高效汽轮机叶片的捕风装置的结构示意图；

其中：1-辅叶片；2-叶顶；3-第一弧形凸楞；4-叶型；5-导风槽；6-叶根；7-安装座；8-定位片；9-第二弧形凸楞；10-捕风装置；10a-翼板；10b-底板；11-螺栓；12-加强筋。

具体实施方式

实施例一

本实施例的钛合金高效汽轮机叶片,如图1和2所示，包括叶根6、叶型4和叶顶2，叶根6、叶型4和叶顶2依次固接并制为一体，叶根6下方固接有安装座7，安装座7的下表面中部固接有定位片8。叶根6上还设置有捕风装置10，捕风装置10包括底板10b和翼板10a，翼板10a与底板10b连接，翼板10a与底板10b之间具有小于或等于90°的夹角，底板10b固定在叶根6上；叶型4表面开设有三个导风槽5；叶顶2上固接有一个辅叶片1。叶顶2的中部制有第一弧形凸楞3，辅叶片1的中部制有第二弧形凸楞9，第二弧形凸楞9的一端与第一弧形凸楞3的中部固接。叶根6和安装座7之间设置有加强筋12。钛合金高效汽轮机叶片为弧形。安装座7上向下贯穿有两个螺栓11，两个螺栓11对称设置。

钛合金高效汽轮机叶片的加工工艺包括以下步骤：

㈠配料：钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.09%、Fe：0.88% 、Mn：0.35%、S：≤0.020%、P：≤0.030%、Cr：0.46%、Ni：1.38%、Zn：1.86%、Cu：1.96%、Mo：0.02%、Ag：0.07%、Pd：0.02%、Pt：0.01%、Au：0.01%、W：0.95%、Ta：0.53%、Nd：0.03%、Ce：0.02%、Eu：0.02%、Lu: 0.02%，氧化钙：0.13％,滑石粉:0.14%,氧化镁：0.19％, 氧化铜：0.14％,氧化铁：0.26％,二氧化锰：0.17％,氢氧化铜：0.15％,氢氧化铁：0.06％,氢氧化钡：0.04％,硝酸钾：0.22％,氯化镁：0.14％,氯酸钾：0.27％，硫酸钡：0.03％，硫酸铜：0.04％，余量为Ti；

㈡熔炼：

a、按预定的钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比将原料加入熔炉内，将熔炉内的温度提高到1550摄氏度至1680摄氏度，原料被熔炼形成合金溶液；

b、将上一步得到的合金溶液进行冷却，冷却时用水冷与空冷结合，先采用水冷以20-22℃/s的冷却速率将合金溶液水冷至630-650℃形成合金，然后空冷至350-390℃，再采用水冷以11-12℃/s的冷却速率将合金水冷至室温；

c、加热，将上一步冷却后的合金加入熔炉内进行二次熔炼，将熔炉内的温度提高到1570摄氏度至1610摄氏度，合金被二次熔炼形成合金溶液；

d、烫包，将熔炉内的合金溶液倒入浇包，进行烫包；

e、烫包完毕后，将浇包内的合金溶液倒入电炉内，将电炉内的温度升温至1590 摄氏度至1610摄氏度，加热14分钟至18分钟，将电炉内的合金溶液倒入浇包，倒包降温；

f、倒包后，将浇包内的合金溶液倒入电炉，温度降至1480至1510摄氏度，在浇包的包坑中依次加入1.4%至1.5%的球化剂和0.2%至0.3%的孕育剂，用5至6kg薄钢板，薄钢板的厚度为0.5mm至1mm，将薄钢板覆盖在球化剂、孕育剂上，并捣实；

g、将电炉内的合金溶液倒入浇包内凹的另一侧，球化反应70s至75s，球化反应充分后，撒一层集渣剂，快速扒渣；

h、快速扒渣后，立即在合金溶液表面撒入膨胀珍珠岩粉，打渣两遍；

㈢精炼：将熔炼后的合金溶液送入精炼斧，控制精炼温度为1300℃～1350℃精炼18分钟，静置30分钟，气压0.05-0.09MPa，形成待铸造的合金溶液，在五分钟内浇注完毕；

㈣制作覆膜砂壳型芯：

㈤浇注：在重力浇注时将上下两半覆膜砂壳型芯定位粘好固化好后，平稳放置在浇注模中进行浇注；

㈥热处理：采用淬火-加热-回火的热处理工艺对浇注好的钛合金高效汽轮机叶片进行热处理，具体热处理工艺为：

淬火：将浇注好的钛合金高效汽轮机叶片放入淬火炉进行淬火，淬火介质为真空淬火油，控制淬火温度为800-850℃，淬火时冷到260-280℃时,取出空冷至室温；

加热：将淬火后的钛合金高效汽轮机叶片放入加热炉进行加热，加热温度为750-780℃，加热25-30分钟后停止加热，使钛合金高效汽轮机叶片在加热炉内利用余热维持在450-470℃保温5-10分钟，将钛合金高效汽轮机叶片取出冷却至室温；

回火：将加热后的钛合金高效汽轮机叶片放入回火炉进行回火，控制回火温度为450-480℃，回火时间10-15分钟，然后采用压缩空气或雾状淬火液以6-8℃/s的冷却速率将原料冷至330-350℃，然后空冷至室温；

㈦探伤处理；

㈧去除钛合金高效汽轮机叶片内外尖角及毛刺；

㈨电镀：钛合金高效汽轮机叶片外表面电镀锌镍合金镀层；

㈩清洗、退磁及防锈处理。

实施例二

本实施例的钛合金高效汽轮机叶片与实施例一基本相同，不同之处在于钛合金高效汽轮机叶片的加工工艺的步骤㈠中，钛合金高效汽轮机叶片原料中各成分的质量百分比为：C：0.11%、Fe：1.05% 、Mn：0.43%、S：≤0.020%、P：≤0.030%、Cr：0.56%、Ni：1.53%、Zn：1.88%、Cu：1.97%、Mo：0.03%、Ag：0.09%、Pd：0.03%、Pt： 0.03%、Au：0.02%、W：0.93%、Ta：0.62%、Nd：0.03%、Ce：0.03%、Eu：0.02%、Lu: 0.03%，氧化钙：0.14％,滑石粉:0.15%,氧化镁：0.22％, 氧化铜：0.17％,氧化铁：0.26％,二氧化锰：0.18％,氢氧化铜：0.16％,氢氧化铁：0.07％,氢氧化钡：0.06％,硝酸钾：0.25％,氯化镁：0.16％,氯酸钾：0.28％，硫酸钡：0.04％，硫酸铜：0.07％，余量为Ti。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。