[发明专利]用于制造涡轮机的金属部件的固溶热处理方法

说明书

技术领域

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。