一种低成本高温合金汽轮机叶片的制作方法

本发明涉及发电设备技术领域，特别是涉及一种低成本高温合金汽轮机叶片。

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者中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。汽轮机主要应用于电力工业、船舶工业、水泥、化工、石油、冶金、重型机械等领域。

汽轮机在工作时，汽轮机叶片受蒸汽作用高速旋转，在旋转过程中汽轮机叶片很容易产生晃动，不仅影响到汽轮机的发电效率，而且会严重影响汽轮机叶片的使用寿命。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种低成本高温合金汽轮机叶片。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

一种低成本高温合金汽轮机叶片，包括依次固定连接的叶根、叶型和叶冠，所述叶型为变截面扭曲结构，所述叶型的一侧为进气边，另一侧为出气边，所述叶冠的一端设置有卡槽，所述卡槽的槽口朝向叶冠的宽度方向，所述叶冠的另一端设置有与卡槽相匹配的卡块，相邻的两个叶冠通过卡槽和卡块配合实现连接。

进一步地，所述卡槽为t型卡槽。

前所述的一种低成本高温合金汽轮机叶片，卡块的两侧均设置有弹性限位块，所述卡槽上对应于弹性限位块处设置有限位孔。

前所述的一种低成本高温合金汽轮机叶片，叶型的内弧面上设置有若干个导风槽，所述导风槽由进气边朝向出气边，所述导风槽的一端与进气边连通，所述导风槽的另一端封闭且位于叶型内弧面的中部。

前所述的一种低成本高温合金汽轮机叶片，若干个所述导风槽由上往下均匀设置。

前所述的一种低成本高温合金汽轮机叶片，该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：c：0.15-0.18％，mn：0.48-0.62％，ni：0.35-0.54％，w：0.28-0.44％，si：1.02-1.22％，nb：0.06-0.09％，mo：0.25-0.36％，al：3.02-3.44％，pr：0.02-0.05％，ce：0.06-0.09％，n：0.03-0.05％，余量为fe和不可避免的杂质。

一种低成本高温合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：

s1：按照汽轮机叶片的化学成分配比，称取各组分，得到原料，然后将原料置于非真空感应炉内熔炼，熔炼温度为1580-1720℃，将原料熔炼成合金溶液，保温15-20min；

s2：采用水冷结合空冷的方式将合金溶液冷却至720-750℃，保温20-25min，然后将合金溶液浇注至对应的模具中，浇注完成后在650-680℃的温度下保温1-2h，得到叶片胚料；

s3：将叶片胚料放置进炉体中，将叶片胚料加热至550-600℃，保温10-15min，然后空冷至室温；再将叶片胚料加入至炉体中，将叶片胚料加热至820-850℃，保温15-20min，然后采用水冷的方式将叶片胚料冷却至260-285℃，保温5-10min；再将叶片胚料放入炉体中，将叶片胚料加热至760-800℃，空冷至室温；

s4：将s3得到的叶片胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入nh3，进行氮化处理；

s5：对叶片胚料采用电解加工的方式，在叶片胚料上形成导风槽、卡槽和卡块，得到叶片成品；

s6：对叶片成品进行超声波探伤处理，探伤合格的进行打磨、清洗，然后包装入库。

前所述的一种低成本高温合金汽轮机叶片的制备方法，s2中合金溶液的冷却速度为15-22℃/s。

前所述的一种低成本高温合金汽轮机叶片的制备方法，s4中氮化处理的时间为35-55min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中在叶冠的一端设置卡槽，另一端设置与卡槽相匹配的卡块，在安装汽轮机叶片时，相邻的两个汽轮机叶片，后一个叶冠前端的卡槽可与前一个叶冠后端的卡块相互卡接，使相邻的两个叶冠稳定连接，从而使相邻的汽轮机叶片稳定连接，避免汽轮机在工作的过程中汽轮机叶片发生晃动，不需要在叶片上开设拉筋孔，避免拉筋孔处的叶片受力容易出现破裂，有效延长了汽轮机叶片的使用寿命；

(2)本发明中将卡槽设置为t型卡槽，使卡槽与相匹配的卡块卡接时更为稳定，从而提高了相邻两个汽轮机叶片连接时的稳定性；又在卡块的两侧均设置有弹性限位块，在卡槽上对应于弹性限位块处设置限位孔，当卡块与卡槽进行对接时，卡块与卡槽两侧接触，弹性限位块先向卡块内收缩，使卡块可完全对接，对接完成后弹性限位块正好与与限位孔处于同一水平面内，弹性限位块受弹力向限位孔伸出，位于限位孔内，使相邻的两个叶冠连接稳定；

(3)本发明在叶型上设置有多个导风槽，可以更有效地将作用到汽轮机叶片上的蒸汽能量转换成机械功，提高了蒸汽利用率，从而提高了发电机的发电效率；导风槽一端位于进气边，另一端位于叶型内弧面的中部且封闭，使蒸汽从进气边进入导风槽，然后作用在叶型的中部，进一步提高了蒸汽利用率；

(4)本发明在汽轮机叶片的原料中加入cr、si、al等元素，在熔炼的氧化性气氛中可以很快地生成一层致密的氧化膜，并牢固地附在钢表面，从而有效地提高汽轮机叶片的耐高温性能；加入nb、pr、ce、n这几种稀土元素，金属原子的粒径大，可填补在叶片内部的晶粒缺陷中，不仅提高了汽轮机叶片的强度，而且提高了材料的热稳定性，从而使汽轮机叶片的耐高温性能提高了22-26％；又加入mo元素和w元素，增加钢中原子间在高温下的结合力，提高金属键的强度，使汽轮机叶片的机械性能提高了15-18％；

(5)本发明在制备汽轮机叶片时采用水冷结合空冷的方式对合金溶液进行降温，冷却速度快，增大了过冷度，促进了金属的自发形核，使金属的晶粒更细，从而使汽轮机叶片的强度和硬度更高，同时提高了汽轮机叶片的塑性和韧性，使汽轮机叶片的使用寿命提高了22-25％；

(6)本发明采用电解加工的方式来制造导风槽、卡槽和卡块，电解加工不受材料加工性能的影响，成型精度高，重复精度也高，加工效率高，校模次数可减少3/4，与仿形铣相比可提高5-6倍效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为叶冠的俯视图；

其中：1、叶根；2、叶型；3、叶冠；4、进气边；5、出气边；6、卡槽；7、卡块；8、弹性限位块；9、限位孔；10、导风槽。

具体实施方式

为使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施方式并结合附图，对本发明作出进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种低成本高温合金汽轮机叶片，如图1,2所示，包括叶根1、叶型2和叶冠3，叶冠3固定安装在叶型2的上端，叶根1固定安装在叶型2的下端，叶型2为变截面扭曲结构，叶型2的一侧为进气边4，另一侧为出气边5，叶型2的内弧面上由上向下均匀设置有三个导风槽10，每个导风槽10均由进气边4朝向出气边5，导风槽10的左端位于进气边4上，与进气边4连通，导风槽10的右端封闭且位于叶型2内弧面的中部。

在叶冠3的左端开设有t型卡槽6，该t型卡槽6的槽口朝向叶冠3的宽度方向，叶冠3的右端设置有与t型卡槽6相匹配的卡块7，相邻的两个汽轮机叶片通过叶冠3上的卡槽6和卡块7配合实现连接。其中，在卡块7的左右两侧均设置有弹性限位块8，弹性限位块8沿水平方向伸缩，在卡槽6上对应于弹性限位块8处设置有限位孔9，当卡块7与卡槽6进行对接时，卡块7与卡槽6两侧接触，弹性限位块8先向卡块7内收缩，使卡块7可完全对接，对接完成后弹性限位块8正好与与限位孔9处于同一水平面内，弹性限位块8受弹力向限位孔9伸出，位于限位孔9内，使相邻的两个叶冠3连接稳定。

该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：c：0.15％，mn：0.48％，ni：0.35％，w：0.28％，si：1.02％，nb：0.06％，mo：0.25％，al：3.02％，pr：0.02％，ce：0.06％，n：0.03％，余量为fe和不可避免的杂质。

本实施例还提供了一种低成本高温合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：

s1：按照汽轮机叶片的化学成分配比，称取各组分，得到原料，然后将原料置于非真空感应炉内熔炼，熔炼温度为1580℃，将原料熔炼成合金溶液，保温15min；

s2：采用水冷结合空冷的方式将合金溶液冷却至720℃，合金溶液的冷却速度为15℃/s，保温20min，然后将合金溶液浇注至对应的模具中，浇注完成后在650℃的温度下保温1h，得到叶片胚料；

s3：将叶片胚料放置进炉体中，将叶片胚料加热至550℃，保温10min，然后空冷至室温；再将叶片胚料加入至炉体中，将叶片胚料加热至820℃，保温15min，然后采用水冷的方式将叶片胚料冷却至260℃，保温5min；再将叶片胚料放入炉体中，将叶片胚料加热至760℃，空冷至室温；

s4：将s3得到的叶片胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入nh3，进行氮化处理，氮化处理的时间为35min；

s5：对叶片胚料采用电解加工的方式，在叶片胚料上形成导风槽10、卡槽6和卡块7，得到叶片成品；

s6：对叶片成品进行超声波探伤处理，探伤合格的进行打磨、清洗，然后包装入库。

实施例2

本实施例提供了一种低成本高温合金汽轮机叶片，如图1,2所示，包括叶根1、叶型2和叶冠3，叶冠3固定安装在叶型2的上端，叶根1固定安装在叶型2的下端，叶型2为变截面扭曲结构，叶型2的一侧为进气边4，另一侧为出气边5，叶型2的内弧面上由上向下均匀设置有三个导风槽10，每个导风槽10均由进气边4朝向出气边5，导风槽10的左端位于进气边4上，与进气边4连通，导风槽10的右端封闭且位于叶型2内弧面的中部。

在叶冠3的左端开设有t型卡槽6，该t型卡槽6的槽口朝向叶冠3的宽度方向，叶冠3的右端设置有与t型卡槽6相匹配的卡块7，相邻的两个汽轮机叶片通过叶冠3上的卡槽6和卡块7配合实现连接。其中，在卡块7的左右两侧均设置有弹性限位块8，弹性限位块8沿水平方向伸缩，在卡槽6上对应于弹性限位块8处设置有限位孔9，当卡块7与卡槽6进行对接时，卡块7与卡槽6两侧接触，弹性限位块8先向卡块7内收缩，使卡块7可完全对接，对接完成后弹性限位块8正好与与限位孔9处于同一水平面内，弹性限位块8受弹力向限位孔9伸出，位于限位孔9内，使相邻的两个叶冠3连接稳定。

该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：c：0.18％，mn：0.62％，ni：0.54％，w：0.44％，si：1.22％，nb：0.09％，mo：0.36％，al：3.44％，pr：0.05％，ce：0.09％，n：0.05％，余量为fe和不可避免的杂质。

本实施例还提供了一种低成本高温合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：

s1：按照汽轮机叶片的化学成分配比，称取各组分，得到原料，然后将原料置于非真空感应炉内熔炼，熔炼温度为1720℃，将原料熔炼成合金溶液，保温20min；

s2：采用水冷结合空冷的方式将合金溶液冷却至750℃，合金溶液的冷却速度为22℃/s，保温25min，然后将合金溶液浇注至对应的模具中，浇注完成后在680℃的温度下保温2h，得到叶片胚料；

s3：将叶片胚料放置进炉体中，将叶片胚料加热至600℃，保温15min，然后空冷至室温；再将叶片胚料加入至炉体中，将叶片胚料加热至850℃，保温20min，然后采用水冷的方式将叶片胚料冷却至285℃，保温10min；再将叶片胚料放入炉体中，将叶片胚料加热至800℃，空冷至室温；

s4：将s3得到的叶片胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入nh3，进行氮化处理，氮化处理的时间为55min；

s5：对叶片胚料采用电解加工的方式，在叶片胚料上形成导风槽10、卡槽6和卡块7，得到叶片成品；

s6：对叶片成品进行超声波探伤处理，探伤合格的进行打磨、清洗，然后包装入库。

实施例3

本实施例提供了一种低成本高温合金汽轮机叶片，如图1,2所示，包括叶根1、叶型2和叶冠3，叶冠3固定安装在叶型2的上端，叶根1固定安装在叶型2的下端，叶型2为变截面扭曲结构，叶型2的一侧为进气边4，另一侧为出气边5，叶型2的内弧面上由上向下均匀设置有三个导风槽10，每个导风槽10均由进气边4朝向出气边5，导风槽10的左端位于进气边4上，与进气边4连通，导风槽10的右端封闭且位于叶型2内弧面的中部。

在叶冠3的左端开设有t型卡槽6，该t型卡槽6的槽口朝向叶冠3的宽度方向，叶冠3的右端设置有与t型卡槽6相匹配的卡块7，相邻的两个汽轮机叶片通过叶冠3上的卡槽6和卡块7配合实现连接。其中，在卡块7的左右两侧均设置有弹性限位块8，弹性限位块8沿水平方向伸缩，在卡槽6上对应于弹性限位块8处设置有限位孔9，当卡块7与卡槽6进行对接时，卡块7与卡槽6两侧接触，弹性限位块8先向卡块7内收缩，使卡块7可完全对接，对接完成后弹性限位块8正好与与限位孔9处于同一水平面内，弹性限位块8受弹力向限位孔9伸出，位于限位孔9内，使相邻的两个叶冠3连接稳定。

该汽轮机叶片的化学成分及质量百分比含量如下：c：0.16％，mn：0.55％，ni：0.45％，w：0.36％，si：1.12％，nb：0.08％，mo：0.31％，al：3.23％，pr：0.04％，ce：0.08％，n：0.04％，余量为fe和不可避免的杂质。

本实施例还提供了一种低成本高温合金汽轮机叶片的制备方法，包括以下步骤：

s1：按照汽轮机叶片的化学成分配比，称取各组分，得到原料，然后将原料置于非真空感应炉内熔炼，熔炼温度为1650℃，将原料熔炼成合金溶液，保温17min；

s2：采用水冷结合空冷的方式将合金溶液冷却至735℃，合金溶液的冷却速度为18℃/s，保温23min，然后将合金溶液浇注至对应的模具中，浇注完成后在665℃的温度下保温1.5h，得到叶片胚料；

s3：将叶片胚料放置进炉体中，将叶片胚料加热至575℃，保温13min，然后空冷至室温；再将叶片胚料加入至炉体中，将叶片胚料加热至835℃，保温17min，然后采用水冷的方式将叶片胚料冷却至272℃，保温8min；再将叶片胚料放入炉体中，将叶片胚料加热至780℃，空冷至室温；

s4：将s3得到的叶片胚料放入气体氮化炉中，向炉内通入nh3，进行氮化处理，氮化处理的时间为45min；

s5：对叶片胚料采用电解加工的方式，在叶片胚料上形成导风槽10、卡槽6和卡块7，得到叶片成品；

s6：对叶片成品进行超声波探伤处理，探伤合格的进行打磨、清洗，然后包装入库。

对比例：市售江苏欧美达汽轮机配件有限公司生产的汽轮机叶片。

将实施例1至3和对比例进行对比试验测试，各项性能按国标进行测定，试验条件及其他实验材料均相同，测试结果如表1所示：

表1

由表1可以看出，本发明制备的低成本高温合金汽轮机叶片，不仅抗拉强度、屈服强度和伸长率高于对比例，而且可在高温下承受外力保持较长时间不损坏。由此可以看出，本发明本发明制备的低成本高温合金汽轮机叶片，不仅机械性能高于现有的汽轮机叶片，而且更耐高温，使用寿命大大延长。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。