[其他]具有部分单晶体的燃气透平叶片的制造方法

说明书

一种用于燃气透平机的透平叶片的制造方法。在受控方式下冷却盛着熔化了的金属的模子，使结晶出现得足够慢，以致单晶体在翼端开始生成。结晶过程受到监控，大约当叶片的根部开始结晶时，开始对金属熔液做磁力搅拌上，上述叶片的冷却速度也几乎同时被提高，使之高于产生单晶体的冷却速度。大约在开始搅拌的同时，可添加晶界强化剂（最好是碳）。制造出来的叶片具有单晶体翼部和细粒体根部。

本发明与定向结晶的透平叶片的制造方法有关，此种叶片应用于燃气透平机上。

这是一种制造用于燃气透平机上的透平叶片的方法;这类燃气透平机包括航空透平机、航海透平机及地面固定式燃气透平机。本发明采用二步结晶法，以便在根部产生细粒（非单晶）结构，而在翼部产生单晶结构。

当高温、高压燃气膨胀并通过透平时，燃气透平机从中获取能量而运转。由燃气推动的实际旋转部件一般是用镍基超耐热合金制成的，该部件通常被称为叶片。如图1所示，叶片由仿形加工过的翼部和机加工过的根部组成，翼部由热气流驱动，根部与透平的转轴相连。根据卡诺循环的性质可知，在较高的温度下，燃气透平机将更有效地工作，而这就需要有能承受更高温度的材料。对于在航空发动机及地面固定式透平发电机等机器中应用的透平叶片，在高温下机械失效的主要形式是热疲劳及丧失抗塑性变形能力。消除与主应力轴垂直的晶粒边界有助于这两个问题的解决，因此认为单晶及定向结晶的叶片会显示出高温强度的明显改善。

在温度很高的状态下，大尺寸晶粒能加强所希望的性能;而在低温状态下，尺寸较小的晶粒能改善某些机械性能。值得一提的是，透平叶片的根部在其温度远低于翼部的温度下工作，而且它基本上是承受疲劳载荷的，因而叶片的翼部和根部的最佳结构是十分不同的。并且对于传统的翼部，至少要取诸截面中的一个作为折衰的过渡区。如果能制造一种具有混合结构的叶片，使它具有定向结晶的翼部和细粒结构的根部，则将获得最佳性能。

根据美国专利说明4，184，900，可在翼部及根部做出两种不同的定向结晶部分，以便获得不同的性能。根据美国专利说明3，790，303，可用一种共晶合金制造具有混合结构的透平叶片（涡轮叶片），其翼部是定向结晶的，而其根部结构则是非定向的。要注意的是，这种共晶成分能避免成分的不均匀性，如果在此方法中使用非共晶成分，则会引起成分的不均匀性问题。

在美国专利说明3，695，941中介绍了一种通过液态金属的受控结晶来制造纯共晶材料的方法，它利用一个稳定的定向磁场，控制熔液的液-固交界面的结晶。当熔液暴露在磁场中时，没有外加电源与它接通。在美国专利说明3，494，709中提出了一种用于燃气透平机上的单晶金属部件，这个包括其根部的部件整体都是单晶体的。美国专利说明3，981，345介绍了一种连续浇铸金属的方法，在该方法中，金属在结晶过程中受着一个磁场的作用。

本发明的目的在于提供一种制造用于燃气透平机上的定向结晶透平叶片的方法，其步骤有，在受控方式下冷却盛有金属熔液的模子，使结晶出现得足够慢，以至单晶体在翼端开始生成。本发明的特点在于，监控上述结晶过程;并在所述的根部将要结晶时，开始对剩余的金属熔液进行磁力搅拌;然后加大叶片的冷却速度，使之高于出现定向结晶时的冷却速度，借此方法，可制造出具有单晶体翼部及细粒体根部的叶片，而且在该叶片的翼部与根部之间没有明显的不均匀部分。

简单地说，本发明的目的在于提供一种透平叶片，它有混合的晶粒结构，并系用非共晶的合金成分加工而成。叶片翼部是单晶结构的，而其根部结构则是细粒化的、非定向结晶的。

本方法采用足够慢的结晶速度，使单晶体从翼端开始生长;并对结晶过程进行监控。当结晶到达翼部与根部之间的交界处时，开始磁力搅拌，以便消除刚刚结晶部分附近的不均匀带;然后提高冷却速度，使其高于单晶的生长速度或定向结晶的速度。最好大约在开始搅拌时添加晶粒边界的强化剂（最好是碳）。这样便可制造出一种叶片，它具有单晶结构的翼部和细粒结构的根部，并且在翼部与根部之间的交界处没有明显的不均匀部分。

现在参照下列附图，用一个实例对本发明做说明。

图1表示一个典型的、包括翼部和根部的透平叶片。

图2为包括三张图的一个图组，它表示在结晶过程中的溶质富集区及提高结晶速度后产生的不均匀性。