用於單晶或定向凝固構件的熱處理方法
2023-08-06 08:18:16 1
專利名稱：用於單晶或定向凝固構件的熱處理方法
技術領域：
本發明涉及一種用於熱處理單晶或定向凝固構件的熱處理方法，該方法可使構件的至少一種晶相溶解。
透平構件如透平葉片除其他之外還可由超級合金製成。超級合金是鎳基或鈷基合金，其通常還包含鉻、鈦、鉭、鋁、鎢和其他元素，它極耐高溫同時具有高強度。用超級合金製成的燃氣輪機葉片的示例可從美國專利5,611,670中獲知。
超級合金材料具有一種晶體結構。如在其他晶體結構中那樣，在超級合金中也會出現晶體缺陷。一種典型的晶體缺陷是晶界，亦即在不同材料區域之間的邊界。這些不同的材料區域雖然有相同的晶體結構，但卻有不同的結晶定向。在定向凝固的構件中，材料中的晶界基本上只沿一個方向擴展，例如只沿透平葉片的徑向擴展。與之相反，在單晶材料中則基本上沒有晶界。
如透平葉片之類的由超級合金製成的構件通過鑄造而成，並在鑄造完成後要承受進一步的加工處理。這進一步的加工處理包括用於使材料均勻的熱處理、除其他之外還可用於提高透平葉片強度的所謂固溶熱處理。此外，對鑄造後的透平葉片也要進行機械加工。機械加工會導致在構件材料內產生應力，而應力在進行固溶熱處理過程中可能形成新的晶粒(再結晶)並因此形成晶界。這些晶粒可使所述單晶或定向凝固構件的材料性能惡化，並因此對構件的壽命產生不良影響。為了避免這一點，在鑄造過程結束並且部分取出鑄模之後，就立即使新鑄成的構件在保護氣體的氣氛中或真空中經受熱處理。之後才對構件進行機械加工。
如果必須對新的構件進行再加工或者必須對已運行過的構件進行修復，例如通過熔焊或釺焊進行修復，則必需在固溶熱處理溫度或在該溫度附近重新進行熱處理。由於鑄造過程之後的機械加工會導致形成應力，這又會導致形成再結晶的晶粒。另一方面，固溶熱處理尤其能進一步提高已經過一定運行時間的構件的使用壽命。
因此，本發明的目的在於提供一種熱處理方法，該方法可有利地作用於構件的材料組織，同時與現有方法相比能減少再結晶晶粒的形成。
上述目的可通過如權利要求1所述的熱處理方法來實現。相關的從屬權利要求則包括按照本發明的熱處理方法的一些進一步的有利設計。
本發明的用於熱處理單晶或定向凝固構件的熱處理方法包括使構件材料的至少一種晶相溶解的熱處理手段，其特點在於，在進行熱處理時，僅僅將所述構件的至少一個第一構件區域加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度，以及將所述構件的至少一個第二構件區域僅僅加熱到低於該溶解溫度的溫度。
本發明的用於熱處理單晶或定向凝固構件的熱處理方法包括一種使構件材料的至少一種晶相溶解的熱處理手段，其特點表現在該方法應用在某些構件上時，即，在對其進行熱處理時，僅僅將所述構件的其材料應力不超過規定數值的至少一個第一構件區域加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度，以及將所述構件的其材料應力超過所述規定數值的至少一個第二構件區域僅僅加熱到低於該溶解溫度的溫度。
按照本發明的方法也提供了對一些在部分區域具有高應力在其他區域具有低應力的構件進行固溶熱處理的可能性。例如單晶或定向凝固透平葉片的被加工的葉根具有大的內應力，這些內應力源自於對葉根的磨削和/或對於葉根的噴丸處理。另一方面，由於葉根部分在透平機運行時處於受保護狀態，其超級合金的微觀結構幾乎不會出現任何惡化，並且通常也不會遭受任何明顯的損傷。因此，通常沒有必要對葉根部分進行修復。而且也沒有必要對葉根區域進行用於再調節構件材料的固溶熱處理、亦即用於消除材料中的老化現象的固溶熱處理。因此，藉助本發明的方法，所述熱處理手段可局限於在透平機運行期間比葉根部分遭受更高材料磨損的葉身和葉片基礎(葉片平臺)區域內進行。葉根的溫度在熱處理期間通過恰當的措施可保持在低於溶解溫度的溫度區間中。
在按照本發明進行熱處理時，尤其可藉助感應加熱來加熱所述構件。為了形成溫度梯度，也就是說對於第一構件區域和第二構件區域形成不同的溫度，對於所述第一和第二構件區域可採用不同的感應加熱線圈。對於構件的感應加熱可首先實現對於扁平表面層的加熱，並因此可將該表面層中的應力降低到原本會導致觸發晶粒形成(再結晶)的數值之下。
按照本發明的熱處理方法的另一設計，也可藉助輻射能源例如燈來加熱所述構件，其中，對於所述第一和第二構件區域可採用具有不同輻射能的能源(燈)。在此，還可通過對於本身相同的能源(燈)進行不同調節來獲得不同的輻射能。藉助輻射能源、尤其是藉助燈來進行加熱具有這樣的優點尤其當在加熱時所採用的氣氛是氧化氣氛時，所述加熱過程對於這樣的氣氛不太靈敏。
按照本發明進行熱處理時第三種用於加熱所述構件的可能性在於，整個構件被同一熱源加熱。在這種情況下，可使所述第二構件區域冷卻或絕熱，以減少向所述第二構件區域的熱量傳輸。所述冷卻或絕熱措施尤其適用於將業已存在的用同一熱源加熱構件的熱處理方法改造成按照本發明的熱處理方法。
按照本發明的熱處理方法的進一步設計，在一種氧化氣氛的影響下進行所述熱處理。這種氧化氣氛可保證在加熱構件時構件表面形成氧化層，以用作降低再結晶晶粒的形成傾向的保護層。例如在美國專利申請2003/0062099號中披露了採用氧化氣氛的技術，為此可參見其相應的公開內容。用氧化氣氛來保護在此尤其對於那些已達到或超過溶解溫度的區域能有效發揮作用。
按照一特別設計，將本發明的熱處理方法設計成用於熱處理透平葉片的熱處理方法，其中，僅僅將透平葉片的葉身和葉片基礎加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度，並將所述透平葉片的葉根區域僅僅加熱到低於該溶解溫度的溫度。這一擴展設計以如下認知為基礎所述葉根相對於所述葉片基礎和葉身有高的內應力，但其微觀結構卻很少因葉片運行造成惡化。換句話說，因為高的內應力使形成再結晶晶粒的傾向較大，但另一方面因材料性能很少惡化而要進行固溶熱處理的必要性很小，不對所述葉根進行固溶熱處理，而對應力明顯比葉根內的應力更小並且期望消除材料老化現象的所述葉身和葉片基礎進行所述固溶熱處理。
所述用於透平機葉片的熱處理方法尤其適用於由超級合金製成的透平機葉片，該超級合金包含γ晶相和γ′晶相，所述熱處理方法將所述葉身和葉片基礎至少加熱到為溶解所述γ′晶相所必需的溶解溫度。
所述用於透平葉片的熱處理方法尤其可設計為用於重新製備和/或修復透平葉片的方法的一部分。
本發明的特徵、特性和優點可從下面藉助於對附圖所示實施方式的說明中得出。附圖中
圖1示出了按照本發明進行熱處理的透平葉片；
圖2簡略地示出了用於製造圖1所示透平葉片的材料的結構；圖3示出了圖2所示的材料中的晶界。
在圖1中示出了正在實施本發明熱處理方法的透平葉片1。該透平葉片1包括葉身2、葉根3以及將葉身2與葉根3連接的葉片基礎4。該透平葉片由一種單晶的鎳基超級合金製成，它為具有兩個主晶相亦即所謂的γ晶相和γ′晶相的單晶結構。對本領域技術人員而言，這兩個晶相是公知的，在此就不再贅述。
這種單晶鎳基超級合金的結構在圖2中簡略示出，從中可看到具有γ晶相5和γ′晶相7的這種構件材料的微觀結構。同樣示出的還有存在晶格缺陷的材料位置亦即所謂的缺陷點9。缺陷點9是由於對所述透平葉片1進行機械加工時在超級合金中形成的應力而形成的。在葉根3中這樣的缺陷點特別多，因為在完成葉片的澆鑄後要藉助磨削工藝和/或噴丸工藝對葉根進行機械加工，並由此使葉根3尤其使其表面附近發生很明顯的變形。在缺陷點密度很高的區域中進行熱處理卻可能導致材料再結晶，並因此在材料中形成易引起缺陷的晶粒10和晶界11(參見圖3)。
與葉根3相反，所述葉片基礎4以及葉身2明顯具有更少的缺陷點9，這樣在進行固溶熱處理時可能形成明顯更少的再結晶晶粒並因此很少形成晶界。
在實施本熱處理方法的過程中，將葉身2和葉片基礎4加熱到導致所述超級合金中的至少γ′晶相7溶解的溶解溫度。所述葉根3則僅僅加熱到低於所述溶解溫度的溫度。在本實施例中，在葉身2、葉片基礎4為一方與葉根3為另一方之間的溫度梯度這樣來形成，即，藉助感應加熱來加熱所述透平葉片1，其中，對於葉身2、葉根3以及葉片基礎4分別採用單獨的、以不同狀態運行的感應加熱線圈12、13、14(參見圖1)。在本實施例中，所述葉片基礎4和葉身2也可用一個共同的感應加熱線圈來加熱，因為透平葉片1的這兩個部段總是要加熱到用於溶解γ′晶相7的溶解溫度或超過此溫度。
也可用輻射加熱來替代感應加熱。在輻射加熱時，葉身2、葉片基礎4以及葉根3分別配備有各自的輻射加熱器，這些輻射加熱器要麼處於不同的運行狀態要麼具有不同的構造，由此具有不同的輻射能。
最後也可以用同一個熱源來加熱所述葉身2、葉片基礎4與葉根3。此時可為葉根3配備冷卻裝置或絕熱裝置，以使葉根3的吸熱量小於葉身2和葉片基礎4所吸收的熱量，使得葉根3中不會達到用於溶解γ′晶相7的溶解溫度。
因此，可放棄使葉根3內達到用於溶解γ′晶相7的溶解溫度，因為在葉根3上一般並非必須進行需要隨後進行固溶熱處理的修復。但在葉身2以及葉片基礎4上卻明顯常常需要進行這樣的修復，因為在燃氣輪機運行時，它們的磨損非常厲害並因此常常必須進行熔焊或釺焊。而熔焊和/或釺焊工藝通常需要隨後進行固溶熱處理。
按照一種有利的擴展設計，可在氧化氣氛中對透平葉片1進行所述熱處理。在最簡單的情況下可採用空氣作為氧化氣氛。在氧化氣氛中進行熱處理可導致透平構件1的表面6形成氧化層8，該氧化層8壓制晶粒和晶界的形成。在氧化氣氛中進行所述熱處理以及該氧化氣氛的作用效果在美國專利申請2003/0062099 A1中已有詳細描述。因此，關於在氧化氣氛中進行熱處理的其他細節可參見該參考文獻。
利用上面所介紹的熱處理方法可使用過的晶體構件或定向凝固構件更新恢復原先的狀態(變新、英語為「rejuvenation」)。同樣也可採用要求隨後進行固溶熱處理的修復工藝例如釺焊或熔焊來修復新構件或已使用過的構件。
權利要求
1.一種用於熱處理單晶或定向凝固構件的熱處理方法，該方法包括使構件材料的至少一種晶相溶解的熱處理手段，其特徵在於，在進行所述熱處理時，僅僅將所述構件(1)的至少一個第一構件區域(2，4)加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度或超過該溫度；以及將所述構件的至少一個第二構件區域(3)僅僅加熱到低於該溶解溫度的溫度。
2.按照權利要求1所述的熱處理方法，其特徵在於，在進行所述熱處理時，僅僅將所述構件(1)的其材料應力不超過規定數值的至少一個第一構件區域(2、4)加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度或超過該溫度；以及將所述構件的其材料應力超過所述規定數值的至少一個第二構件區域(3)僅僅加熱到低於該溶解溫度的溫度。
3.按照權利要求1所述的熱處理方法，其特徵在於，藉助感應加熱來加熱所述構件，其中，對於所述第一和第二構件區域採用不同的感應加熱線圈。
4.按照權利要求1所述的熱處理方法，其特徵在於，藉助輻射能源來加熱所述構件，其中，對於所述第一和第二構件區域採用具有不同輻射能的能源。
5.按照權利要求1所述的熱處理方法，其特徵在於，所述第一和第二構件區域(2、3、4)被同一熱源加熱，並對所述第二構件區域(3)進行冷卻或絕熱。
6.按照權利要求1至5中任一項所述的熱處理方法，其特徵在於，在氧化氣氛的影響下進行所述熱處理。
7.按照權利要求1至6中任一項所述的熱處理方法，其特徵在於，將該熱處理方法設計成用於熱處理透平葉片(1)，其中，僅僅將透平葉片(1)的葉身(2)和葉片基礎(4)加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度，並將所述透平葉片(1)的葉根區域(3)僅僅加熱到低於該溶解溫度的溫度。
8.按照權利要求7所述的熱處理方法，其特徵在於，所述透平葉片(1)由一種超級合金製成，該合金包括一種γ晶相和一種γ′晶相，所述熱處理方法包括將所述葉身(2)和葉片基礎(4)至少加熱到為溶解所述γ′晶相所必需的溶解溫度。
9.按照權利要求7或8所述的熱處理方法，其特徵在於，該熱處理方法是用於重新製備和/或修復透平葉片的方法的一部分。
全文摘要
本發明涉及一種用於熱處理單晶或定向凝固構件的熱處理方法，該方法包括使構件材料的至少一種晶相溶解的熱處理手段，按照本發明，在熱處理時，僅僅將所述構件(1)的其材料應力不超過規定數值的至少一個第一構件區域(2，4)加熱到為溶解所述晶相所必需的溶解溫度，以及將所述構件的其材料應力超過所述規定數值的至少一個第二構件區域(3)僅僅加熱到低於溶解溫度的溫度。
文檔編號C21D9/00GK1977064SQ200580021470
公開日2007年6月6日 申請日期2005年4月28日 優先權日2004年4月30日
發明者麥可·奧特, 尤維·保羅 申請人:西門子公司