专利名称：工业燃气轮机叶片及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及到显微组织的生成和控制技术，尤其涉及一种具有极好循环疲劳寿命的、新颖的定向结晶的工业用燃气轮机叶片和一种用于制造具有其端部为等轴晶粒显微组织的柱状晶粒显微组织的翼型叶片的新方法。
定向结晶的工业用燃气轮机叶片提供了一些优于无规则定向显微组织叶片的重要机械性质，因此尽管存在一的缺点，仍广泛地应用于地面基地和船用燃气轮机中。这些结晶产品的主要缺点一直限制着循环疲劳寿命，尽管由于普遍认识这种状况而作出努力，但就我们所知还没有人能对这个问题提供满意的解答。
按照本发明，基于下面所提出的新概念，定向结晶的工业用燃气轮机叶片的循环疲劳寿命将明显延长。并且，可以始终获得这种结果，而不会引起任何技术偏差的缺点，只需额外很少的生产费用。
一个主要的新颖概念是对定向结晶晶粒边界层裂纹的生成提供一个物理阻挡层，因为疲劳寿命由柱状组织沿细长晶粒边界开裂的趋势所限定。这样，由于具有以无规则晶粒边界定向的等轴形式的叶片端部显微组织，沿柱状晶粒边界产生裂纹的趋势基本上被抑制，甚至由于柱状晶粒边界并不出现在叶型的端部而被消除。
另一个新概念是，在叶型端部使柱形晶粒显微组织再结晶，因此在叶片结构的临界部分形成一个保护等轴晶粒显微组织。这可以通过冷加工并局部热处理叶片端部来得到。另外，剩余的铸造应力和高温溶液热处理(high solution heat treatment)可以用于此目的。在两种情况下，叶型显微组织的主要部分都保持不变，叶片的机械性能和抗腐蚀性能没有变坏。
端部的尺寸，即其中显微组织这样转变的叶型部分的长度并不是关键的，相反，这只是个选择和平衡再结晶过程需要的问题的，而柱状显微组织是有利的。最好，端部仅约有1/4至1/2英寸长，即约有叶型长度的1/10至1/20。
上述新的结果和优点是在没有改变叶片形状或尺寸，或没有改变叶片合金化学成分的情况下得到的。
本发明的方法步骤包括，提供一个具有柱状显微组织的叶型的燃气轮机叶片，使叶型端部的柱状晶粒显微组织再结晶，以便将它基本上全部转变成无规则方向的等轴晶粒显微组织。
而且，在其产品方面通常叙述的，本发明的燃气轮机叶片具有一个柱状显微组织叶型，其中晶粒边界普通大致沿叶片的轴向延伸;叶型有一个端部，它的显微组织仅由或主要由无规则晶粒边界取向的等轴晶粒所组成。
从构成本发明中一部分的附图
中可以看出，本发明最佳实施例采取工业用燃气轮机叶片10的型式，它具有一个独特的显微组织区域组合。这样，叶片10具有一个定向结晶的柱状显微组织的叶型11和一个由大约十分之一叶片长度的再结晶组织构成的叶型端部12，在再结晶的显微组织中，晶粒相对于晶粒边界是无规则等轴取向的。叶片10的根部13为等轴晶粒的显微组织。这两个等轴显微组织区域是这样被配置于柱状显微组织区域的两端的，细长的晶粒从根部13向端部12延长，在叶型11主要部分中的晶粒边界，普通大致沿叶片纵向取向，即大致平行于叶片的主轴线。
根据我们的最佳实践，独特的显微组织组合是首先制造具有等轴根部13和柱状叶型12的叶片10，它是根据目前在商业生产中普遍采用的，并为熟知本技术领域的人所普遍详知的定向结晶方法制造的。
然后对端部12进行热处理，使叶型11自由端的显微组织再结晶，叶型剩余部分被隔热以防止不希望出现的柱状显微组织的再结晶。对熟悉本技术领域的人已知的局部热处理技术可用于此目的，但我们推荐采用感应加热的方法。而且，在端部12进行再结晶热处理之前，建议对它进行冷加工，为此目的，我们选用喷丸硬化。
由于再结晶动力学是由热处理温度、温度持续时间、剩余应力的大小来控制的，所以很清楚，机械加工是取代喷丸硬化的另一可行方案，实际上，铸造的剩余应力可以用于同一目的，特别是高温溶处理被用于端部12时，以保证显微组织转变的产生和完成。
以下是一个用图说明而非限制的本发明的一个实际例子，因为它可以实现这些目的，并具有上述的新的结果和优点。
在商业中以GTD-11著称的通用电器公司的商用镍基超耐热合金，用于铸造各种用途动力发电的燃气轮机的前三级叶片，每个叶片为9英寸长的标准尺寸，叶型为4 1/2 英寸。通过向放于水冷金属平板上的铸模的开口端注入熔化金属的方法进行铸造，以生产定向结晶叶片。金属平板位于一个垂直推出机的顶部，该推出机可以以某一预定的速率从炉子中抽回。从炉子中抽回的速率是控制柱状晶粒组织生成的主要参数之一，因为那种结构的形成是由炉外已结晶的材料与仍在炉内的熔化材料之间存在大的温度梯度决定的。由于已知推出机抽速度，操作员便控制叶片高度在何处显微组织区域应开始和结束。冷却被这样地控制，使它在固态与液态的交界面或均匀地围绕铸模的周围进行，以产生柱状组织或等轴晶粒。所希望的混合显微组织叶片，通过结晶过程的温度控制就这样简单地产生了。
在从模具中取出所得到的定向结晶叶片时，它们之中的一个带有保护套，仅让叶型端部(约为它的自由端的1/4英寸)暴露在外。然后，叶片端部按照熟悉技术领域的人常用的已知技术对其进行喷丸硬化。此后，叶片与被喷丸硬化的端部一起被放置在一个感应加热腔中，在经受基本不变的温度大约为800°F的情况下保持30分钟。当证实叶型端部的柱状显微组织基本上全部转变成等轴显微组织时，叶片即可准备安装，并用于各种用途的燃气轮机中。
为了同样的目的，把第二级定向结晶叶片置于一局部热处理炉内同样地进行热处理，仅叶型的端部处于炉子的某一部分内约45分钟，那里炉温足以高(约为950°F)到完成所希望的显微组织的转变。叶片的剩余部分的叶型的根部在热处理期间被保持在低温，以保存它们各自的原始显微组织。端部可以承受的温度，高于用喷丸硬化叶片端部的温度，因为在两个叶片端部内的剩余应力明显不同。
最后，第三级叶片被铸造成其头部稍重，该叶片被加工成所需的形状和尺寸，此时其端部具有机械加工应力，叶片的这部分在约900°F温度下经历约30分钟。叶型的剩余部分和叶型的根部在热处理时又一次被保持在较低温度下，以保持原始显微组织原封不动。
权利要求
1.一种工业用燃气轮机叶片，具有等轴显微组织的根部和柱状显微组织的叶型部分，其特征在于晶粒边界沿叶片的轴向延伸，叶型具有一个主要由或仅由无规则取向晶粒构成的显微组织的端部。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于该叶型具有定向结晶的柱状显微组织。
3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于叶片端部的显微组织被再结晶。
4.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于端部约为叶片叶型部分长度的二十分之一。
5.一种制造工业用燃气轮机叶片的方法，其特征在于包括制具有等轴显微组织的根部和柱状晶粒显微组织的叶型部分的步骤;再结晶叶型端部的柱状晶粒显微组织，以使端部显微组织基本上全部从柱状晶粒转换成等轴晶粒及无规则晶粒边界取向的复合步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于再结晶包括热处理叶型的端部。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于包括冷加工叶型的端部，然后再热处理被冷加工的叶型端部的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于冷加工包括喷丸硬化叶型部分，藉以引起高的剩余应力。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于包括在喷丸之前遮盖叶型部分，让端部进行喷丸以产生大剩余应力，然后局部热处理端部的步骤。
全文摘要
一种定向结晶工业用燃气轮机叶片，通过包括冷加工和局部热处理叶片叶型端部步骤的方法进行生产，以便将柱状显微组织转变成具有无规则晶普边界取向的等轴显微组织。
文档编号F01D5/28GK1061072SQ91108388
公开日1992年5月13日 申请日期1991年10月31日 优先权日1990年10月31日
发明者L·G·彼得森, A·D·福斯特 申请人:通用电气公司