專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其制造方法及裝有該種葉片的燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)的一種新穎葉片，更具體地說，涉及一種抗蠕變強(qiáng)度良好的葉片、其制造方法、及裝有該種葉片的燃?xì)廨啓C(jī)。
傳統(tǒng)上，發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片主要由鎳基超合金制成。然而，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，燃?xì)鉁囟戎鹉甓荚谔岣?。因此，為了提高葉片的耐熱能力，葉片材料曾從傳統(tǒng)鑄造的等軸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓡蜗蚰痰贸龅闹ЫY(jié)構(gòu)，并曾試用在葉片內(nèi)構(gòu)成復(fù)雜冷卻孔的方法進(jìn)行內(nèi)部冷卻。
大多數(shù)柱晶結(jié)構(gòu)鑄件都是用單向凝固法制造的，該法已被專利JP-B-51-4186號等公開。在該法中，鑄模須從加熱爐緩慢地向下抽出以便鑄件能從下端開始逐漸向上凝固。按照該法鑄出的葉片具有晶體取向?yàn)?amp;lt;100>并在縱長方向上延伸的柱狀結(jié)晶，由于離心應(yīng)力作用在該長度方向，因而能提高抗蠕變強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度。
在專利JP-A-60-261659和JP-A-61-71168號中都曾公開過燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造方法，在這兩種方法中都是將葉片部制成一塊單一的晶體，而將根部制成許多微細(xì)晶粒，這樣的葉片在高溫性能方面比柱晶葉片還要優(yōu)越。
為了進(jìn)一步提高效率，最有效的方法是提高燃?xì)獾臏囟?。為此目的，?nèi)部冷卻必須改善，材料的高溫強(qiáng)度也必須提高。
燃?xì)廨啓C(jī)葉片的內(nèi)部冷卻孔是用陶瓷芯子制成的。為了進(jìn)一步改善冷卻，不僅冷卻路徑數(shù)有所增加，而且金屬截面的厚度還有所降低。具有柱晶結(jié)構(gòu)的葉片是用單向凝固法制成的。溶化的金屬是在插入芯子的情況下進(jìn)行凝結(jié)的，然后冷卻至室溫。在冷卻時(shí)發(fā)生熱收縮。將芯子與鑄造金屬的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行比較，前者之值約比后者小十分之一。從而金屬收縮時(shí)較難收縮的芯子被包在里面，結(jié)果在鑄件冷卻時(shí)就會產(chǎn)生巨大的抗拉應(yīng)力。因此鑄件容易在長度方向上沿晶粒邊界的強(qiáng)度薄弱處產(chǎn)生裂紋。當(dāng)葉片部較薄時(shí)在長度方向上的裂紋特別容易產(chǎn)生。因?yàn)檫@個(gè)理由，傳統(tǒng)的柱晶葉片的葉片部不能減薄以致它不能充分地被冷卻。另外，鑄造時(shí)產(chǎn)生的晶間裂縫會降低產(chǎn)量。
飛機(jī)用噴氣發(fā)動機(jī)的葉片，其長度最大約為10cm，其重量最多為數(shù)百克，因此，它很容易制成單一的晶體。但是發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的葉片不僅形狀復(fù)雜而且很大，其長度可達(dá)15至40cm，其重量可從數(shù)公斤到約10Kg。因此，按照J(rèn)P-B-5186所公開的方法制成單一晶體是很困難的，因?yàn)槿菀桩a(chǎn)生晶粒不規(guī)則和黑斑的缺陷。
在專利JP-A-60-261659和JP-A-61-71168號所公開的制造方法中，葉片部被制成單一晶體結(jié)構(gòu)，其余部分則用磁力攪拌制成微細(xì)晶粒。然而，當(dāng)用這些方法來鑄造傳統(tǒng)的單晶合金時(shí)，會發(fā)生微細(xì)晶粒部分強(qiáng)度過低的問題。如果用含有大量晶粒邊界增強(qiáng)元素的合金來鑄造以便使微細(xì)晶粒部分維持一定強(qiáng)度，那么共晶結(jié)構(gòu)和凝固時(shí)形成的共晶r’相的熔化溫度就會降低，以致固溶熱處理不能完全地進(jìn)行。結(jié)果材料的強(qiáng)度不能提高。
如上所述，按照現(xiàn)有技術(shù)制造的葉片存在的問題是，當(dāng)要將葉片減薄借以提高冷卻效率時(shí)容易產(chǎn)生晶間裂縫，而當(dāng)要添加晶粒邊界增強(qiáng)元素借以防止產(chǎn)生晶間裂縫時(shí)強(qiáng)度又不能提高。因此，不能提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率。
另外，雖然單晶葉片具有良好的高溫強(qiáng)度，但其產(chǎn)量極低，因?yàn)槿菀仔纬刹灰?guī)則的晶粒。再者，由于不能制造出大尺寸的單晶葉片，單晶葉片就無法應(yīng)用于發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片上。因此，進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率曾被認(rèn)為是不可能的。
本發(fā)明的目的在于提供一種燃?xì)廨啓C(jī)用的柱晶葉片，它在鑄造過程中不會引起晶間裂縫的產(chǎn)生并且具有良好的抗蠕變強(qiáng)度，此外還要提供該葉片的制造方法，以及裝有該葉片的燃?xì)廨啓C(jī)。
按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其葉片部有一單晶結(jié)構(gòu)，而在該單晶結(jié)構(gòu)區(qū)域之外包括葉片部分的其余部分都是單向凝結(jié)的柱晶結(jié)構(gòu)。按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其柱晶結(jié)構(gòu)的多晶部分的縱長取向最好應(yīng)在<100>取向的15°以內(nèi)，并且相鄰柱晶的晶體取向差應(yīng)為8°或更小。
按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為一鎳基超合金的鑄件以重量計(jì)含有一種或多種下列元素，0.03％或更多的碳，0.005％或更多的硼，和0.005％或更多的鋯，其中沉淀出來的r’相由于合金晶粒邊界的局部熔化能夠溶解在r相內(nèi)而不需初始的熔化。含有0.05至0.1％的碳、0.005至0.025％的硼和鋯或兩者中之一的合金適宜用來防止裂縫的產(chǎn)生。
按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為一鎳基超合金的鑄件，具有如下的以重量計(jì)的適當(dāng)成分最多為0.20％的碳(C)，5至14％的鉻(Cr)，4至7％的鋁(Al)，2至15％的鎢(W)，0.5至5％的鈦(Ti)，最多為3％的鈮(Nb)，最多為6％的鉬(Mo)，最多為12％的鉭(Ta)，最多為10％的鈷(Co)，最多為2％的鉿(Hf)，最多為4％的錸(Re)，最多為0.035％的硼(B)，最多為0.035％的鋯(Zr)，其余為58％或更多的鎳(Ni)。
本發(fā)明所提供的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為一整體鑄件并且具有一個(gè)葉片部、一個(gè)有一平面與葉片部連接的平臺、一個(gè)與平臺連接的體干部、從體干部兩側(cè)突出的鰭片、和一個(gè)與體干部連接的拉鳩尾槽，其中葉片部包括其與平臺連接的根部、平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，葉片的其余部分除了鰭片之外都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供一種燃?xì)廨啓C(jī)用的葉片，它是一個(gè)整體構(gòu)件并且具有一個(gè)葉片部、一個(gè)有一平面與葉片部連接的平臺、一個(gè)與平臺連接的體干部、從體干部兩側(cè)突出的鰭片、和一個(gè)與體干部連接的鳩尾槽，其中葉片部包括其與平臺連接的根部、平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，葉片的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的葉片包括一條連續(xù)設(shè)在其內(nèi)的整體構(gòu)成的冷卻劑通道。
本發(fā)明所提供的一種燃?xì)廨啓C(jī)用的葉片以重量計(jì)主要含有下列成分C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.0％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多，其中碳含量及硼、鋯含量兩者之一或兩者同時(shí)須安排在A、B、C、D、E、五個(gè)點(diǎn)所限定的范圍內(nèi)A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.05％，B＋Zr＝0％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0.01％)；D(C＝0％，B＋Zr＝0.035％)及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.025％)，晶體取向差為2至8度。
本發(fā)明所提供的一種燃?xì)廨啓C(jī)用的葉片以重量計(jì)主要含有C 0.03至0.1％，Cr 5.5至7.0％，Co 8.5至9.5％，W 8至9％，Re 2.5至3.5％，Mo 0.3至1.0％，Ta 3至4％，Al 5至6％，Ti 0.5至1.0％，Hf 0.5至1.0％ B和Zr兩者之一或兩者一起0.005至0.025％，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，其中晶體取向差為8度或更小。
雖然本發(fā)明的葉片能用于三級或四級燃?xì)廨啓C(jī)中任一級，但它特別適用于暴露在最高溫度下的第一級。而傳統(tǒng)的多晶葉片或柱晶葉片主要用于第二級及以下各級。作為第一級，下列以重量％計(jì)的成分是特別合適的。
碳C0.03-0.1， 鉻Cr5.5-7.0，鈷Co9-10.5， 鎢W8.0-11.0，錸Re1.0-3.5， 鉬Mo0.3-1.0，鉭Ta3.0-4.0， 鋁Al5.0-6.0，鈦Ti0.5-1.0， 鉿Hf0.5-1.0硼B(yǎng)和鋯Zr中一項(xiàng)或兩項(xiàng)0.005-0.025，其余鎳Ni和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片在鑄造后最好進(jìn)行2至60小時(shí)的固溶熱處理，所用溫度范圍不能低于合金的r’相的固溶相線溫度，但也不要大于初始的熔化溫度；接下來還要進(jìn)行下列的時(shí)效熱處理在1000至1150℃時(shí)維持4至20小時(shí)，然后在800至920℃時(shí)維持8至100小時(shí)。
本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造方法具有下列工步將一含有陶瓷芯子的鑄模設(shè)定在一塊水冷的激冷板上，熔化一個(gè)主錠并將熔化的金屬澆注到預(yù)熱過的鑄模內(nèi)，從加熱爐的高溫處向下抽出鑄模以便連續(xù)地實(shí)現(xiàn)從葉片部到根部的單向凝固，從而使葉片部形成一個(gè)單一的晶體，接下來用一個(gè)比相對于葉片部時(shí)鑄模的抽出速度要高的速度相對于根部抽出鑄模以便使根部單向凝固。
至于鑄模抽出的速度，在制出單晶時(shí)最好為15cm/hr或更小，而在制出柱晶時(shí)最好為20至45cm/hr或更小。特別是前一種情況速度應(yīng)當(dāng)高些以便能制出單晶。但考慮到產(chǎn)量，大約10cm/hr是比較好的。而后一種情況如果速度超過50cm/hr，那么柱狀晶粒的晶體取向相互間的差異就會超過10度或者柱狀晶粒會變成等軸結(jié)構(gòu)，因此，45cm/hr或更小是比較好的。為了使晶體取向差限制為8度或更小，速度高一些較好，因此，30至45cm/hr是比較好的。
本發(fā)明還可提供一種制件，該制件為一單向凝固的鑄件，它有一個(gè)單晶和多個(gè)柱晶相互連結(jié)在一起構(gòu)成一個(gè)整體，其中垂直于單晶和柱晶凝固方向的晶體取向差為8度或更小，該制件除用作燃?xì)廨啓C(jī)的動葉片外還能用于其它目的。
本發(fā)明所提供的燃?xì)廨啓C(jī)用的葉片為一整體構(gòu)成的鑄件，它具有一個(gè)葉片部、一個(gè)有平面與葉片部連接的平臺、一個(gè)與平臺連接的體干部、從體干部兩側(cè)突出的鰭片、和一個(gè)與體干部連接的鳩尾槽，其中葉片部包括其與平臺連接的根部、平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，葉片的其余部分都是單向凝結(jié)的柱晶結(jié)構(gòu)，其中在葉片內(nèi)從鳩尾槽到葉片部還連續(xù)設(shè)有一條整體構(gòu)成的冷卻劑通道，該鑄件以重量計(jì)主要含有C最多0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％；Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多，其中碳含量及硼、鋯含量中的兩者之一或兩者同時(shí)須安排在A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)所限定的范圍內(nèi)A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.03％，B＋Zr＝0％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0.01％)，D(C＝0％，B＋Zr＝0.035％)及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.025％)，鑄件具有r’相沉淀物溶解在r相基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)，r相的晶體取向差為2至6度。
本發(fā)明提供給旋轉(zhuǎn)葉片的燃?xì)廨啓C(jī)能使燃?xì)獗粔嚎s機(jī)壓縮后通過導(dǎo)向葉片而沖擊嵌裝在渦輪盤上的該葉片使它旋轉(zhuǎn)，燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，其中第一級的每一個(gè)葉片都是整體鑄成的，并各具有一個(gè)葉片部、一個(gè)有一平面與葉片部連接的平臺、一個(gè)與平臺連接的體干部、從體干部兩側(cè)突出的鰭片、和與體干部連接的鳩尾槽，其中葉片部包括其與平臺連接的根部、平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，而葉片的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所提供的上述燃?xì)廨啓C(jī)中，燃?xì)鉁囟葹?500℃或更高，燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更高，第一級葉片的總長為200mm或更長，其中第一級的每一個(gè)葉片都是一個(gè)整體鑄件，葉片部為單晶結(jié)構(gòu)，除了單晶結(jié)構(gòu)區(qū)域以外包括葉片部在內(nèi)的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)，其時(shí)發(fā)電能力為50000KW或更多。
本發(fā)明提供給旋轉(zhuǎn)葉片的燃?xì)廨啓C(jī)能使燃?xì)獗粔嚎s機(jī)壓縮后通過導(dǎo)向葉片而沖擊嵌裝在渦輪盤上的該葉片使它旋轉(zhuǎn)，其時(shí)燃?xì)獾臏囟葹?500℃或更高，燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更多，第一級葉片的總長為200mm或更長。
第一級的每一個(gè)葉片都是一個(gè)整體鑄件并各具有一個(gè)葉片部、一個(gè)有一平面與葉片部連接的平臺、一個(gè)與平臺連接的體干部，從體干部兩側(cè)突出的鰭片、和與體干部連接的鳩尾槽，其中葉片部包括其與平臺連接的根部、平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，葉片的其余部分除了鰭片以外都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
其中鑄件以重量計(jì)主要含有C 0.03至0.1％，Cr 5.5至9.0％，Co 8.5至10.5％，W 8至11％，Re 1.0至3.5％，Mo 0.3至1.0％，Ta3至4％，Al 5至6％，Hf 0.5至1.0％，B和Zr兩者之一或兩者一起0.005至0.025％，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，該鑄件具有r’相沉淀物溶解在r相基質(zhì)中的結(jié)構(gòu)，所說單晶的r相與所說柱晶的r相兩者的晶體取向差為8度或更小，發(fā)電能力為50000KW或更多。
本發(fā)明還可為聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)提供葉片，該系統(tǒng)具有一臺由高速流動的燃?xì)怛?qū)動的燃?xì)廨啓C(jī)，一臺從燃?xì)廨啓C(jī)排出的燃?xì)庵蝎@得蒸汽的排氣余熱回收鍋爐，一臺由蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)及一臺由燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，其時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更高，排出的燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)出口處的溫度為560℃或更高，從排氣余熱回收鍋爐中獲得的蒸汽的溫度為530℃或更高，所用汽輪機(jī)由高壓和低壓兩部分連結(jié)而成，蒸汽在送入汽輪機(jī)第一級葉片時(shí)的溫度為530℃或更高，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電能力為50000KW或更多，汽輪機(jī)的發(fā)電能力為30000KW或更多，總的熱效率為45％或更高。
本發(fā)明還可為聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)提供葉片，該系統(tǒng)具有一臺由高速流動的燃?xì)怛?qū)動的燃?xì)廨啓C(jī)，一臺從燃?xì)廨啓C(jī)排出的燃?xì)庵蝎@得蒸汽的排氣余熱回收鍋爐，一臺由蒸汽驅(qū)動的汽輪機(jī)，和一臺由燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，其時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更高，排出的燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)出口處的溫度為560℃或更高，從排氣余熱回收鍋爐中獲得的蒸汽的溫度為530℃或更高，所用汽輪機(jī)由高壓和低壓兩部分連結(jié)而成，蒸汽在送入汽輪機(jī)第一級葉片時(shí)的溫度為530℃或更高，燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電能力為50000KW或更多，汽輪機(jī)的發(fā)電能力為30000KW或更多，總的熱效率為45％或更高，第一級葉片總長為200mm或更長，第一級的每一個(gè)葉片都是一個(gè)整體鑄件并各具有一個(gè)葉片部、一個(gè)有一平面與葉片部連接的平臺、一個(gè)與平臺連接的體干部、從體干部兩側(cè)突出的鰭片、和一個(gè)與體干部連接的鳩尾槽，其中葉片部包括其與平臺連接的根部、平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，而葉片除了鰭片以外的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
該鑄件以重量計(jì)主要含有C 0.03％至0.1％，Cr 5.5至9.0％，Co 8.5至10.5％，W 8至11％，Re 1.0至3.5％，Mo 0.3至1.0％，Ta3至4％，Al 5至6％，Ti 0.5至1.0％，Hf 0.5至1.0％，B和Zr兩者之一或兩者一起0.005至0.025％，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，該鑄件具有r’相沉淀物溶解在r相基質(zhì)中的結(jié)構(gòu)，其單晶的r相與柱晶的r相兩者的晶體取向差為8度或更小。
本發(fā)明的用于燃?xì)廨啓C(jī)的動葉片，其葉片部為單晶結(jié)構(gòu)，而單晶結(jié)構(gòu)區(qū)域以外的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。相鄰柱晶結(jié)構(gòu)的晶體取向差盡可能做得小一些，具體地說，該晶體取向差被限制為8度或更小。這時(shí)要做到，即使將晶粒邊界增強(qiáng)元素減少，使柱晶葉片在鑄造時(shí)不會產(chǎn)生晶間裂縫，但同時(shí)也要使強(qiáng)度基本上維持在單晶時(shí)的水平。另外，既然晶粒邊界增強(qiáng)元素的數(shù)量已經(jīng)減少，在鑄造中形成的共晶結(jié)構(gòu)的熔點(diǎn)便會提高，因此固溶熱處理的溫度亦可提高，從而能通過熱處理將沉淀出來的r’相溶解到基質(zhì)的r相內(nèi)，以致柱狀晶粒葉片能夠獲得較高的抗蠕變強(qiáng)度。但在另一方面，如果晶體取向差超過10度，那么強(qiáng)度將會猛跌到大約為單晶葉片強(qiáng)度的10至20％。
為了提高材料的高溫強(qiáng)度，在鑄造后進(jìn)行固溶熱處理是有效的。在固溶熱處理中，在凝固后沉淀出來的r’相被完全溶解在基質(zhì)內(nèi)，因此沉淀出來的r’相的大小和形狀能夠做成最適合于接著要進(jìn)行的時(shí)效熱處理用的，這樣就可提高高溫強(qiáng)度。
但是對于通常用來鑄造傳統(tǒng)的柱晶葉片的合金來說，還必須添加大量的晶粒邊界增強(qiáng)元素，如同硼、碳、鋯、鉿等借以防止鑄造時(shí)在縱長方向上沿晶粒邊界產(chǎn)生的開裂。晶粒邊界增強(qiáng)元素不僅可以提高晶粒邊界的強(qiáng)度，而且還部分偏析到樹枝狀晶體的分叉之間使偏析部分的熔點(diǎn)顯著降低。就鎳基超合金而言，這個(gè)偏析部分形成共晶結(jié)構(gòu)并在凝固時(shí)產(chǎn)生粗糙的共晶r’相。在合金的結(jié)構(gòu)內(nèi)這樣形成的共晶結(jié)構(gòu)和共晶r’相的熔點(diǎn)最低。當(dāng)進(jìn)行固溶熱處理而將溫度升高時(shí)，這種共晶結(jié)構(gòu)首先熔化。因此，固溶熱處理的溫度不能提高到足夠的程度，以致用于傳統(tǒng)的柱晶葉片的合金不能得到充分的固溶熱處理，結(jié)果傳統(tǒng)合金的強(qiáng)度就不能提高。
在一無需晶粒邊界增強(qiáng)元素的單晶的合金中，這些元素被視為雜質(zhì)，其含量被盡量減少。從而，共晶r’相的熔點(diǎn)就可提高到能夠進(jìn)行完全的固熔熱處理。因此，單晶合金具有比傳統(tǒng)柱晶材料高40至50℃的優(yōu)越的高溫性能，常被用于飛機(jī)的噴氣發(fā)動機(jī)的動葉片上。但是，由于單晶合金所含的晶粒邊界是增強(qiáng)元素的數(shù)量被盡量減少，因此，它所形成的晶粒邊界是非常脆弱的。如果出現(xiàn)具有不同晶體取向的不規(guī)則晶體，那么裂縫就容易在晶粒邊界上形成。通常，當(dāng)出現(xiàn)晶粒邊界時(shí)，合金會脆弱到如此地步，只是在鑄造后進(jìn)行冷卻就會形成裂縫。
現(xiàn)將構(gòu)成燃?xì)廨啓C(jī)葉片的鎳基超合金中每一種元素的作用說明如下碳特別能溶解在基質(zhì)內(nèi)或晶體邊界內(nèi)并形成碳化物從而提高高溫抗拉強(qiáng)度，但若添加過多，會使晶粒邊界的熔點(diǎn)降低，從而損害高溫強(qiáng)度和韌性。因此，碳的適當(dāng)添加量為0.05至0.2％，最好為0.03至0.1％。
鈷能溶解在基質(zhì)內(nèi)從而提高高溫強(qiáng)度并能有利于提高耐熱腐蝕性。但若添加過多，會促使有害的金屬間化合物沉淀出來，從而損害高溫強(qiáng)度。鈷的適當(dāng)添加量為10.5％或更少，最好為9至10.5％。
鉻能提高耐熱腐蝕性。但若添加過多，會引起有害的δ相的沉淀并使碳化物變粗，從而損害高溫強(qiáng)度。鉻的適當(dāng)添加量為5至14％，最好為5.5至9％。
鋁和鈦有利于提高高溫強(qiáng)度，這是因?yàn)樾纬闪藃’相，即Ni3(Al，Ti)而該r’相是鎳基合金的一個(gè)增強(qiáng)因素。鋁和鈦的適當(dāng)添加量分別為4.0至7.0％及0.5至5.0％，最好為5至6％的鋁及0.5至1.0％的鈦。
鈮、鉭和鉿能溶解在r’相內(nèi)而r’相是一增強(qiáng)因素，因此能提高合金的高溫強(qiáng)度。但若添加過多，它們會偏析在晶粒邊界上并損害合金的強(qiáng)度。鈮、鉭和鉿適當(dāng)?shù)奶砑恿糠謩e為3％或更少、12％或更少、及2％或更少，最好為0.2％至3.0％的鈮、3至4％的鉭及0.5至1.0％的鉿。
鋯和硼能增強(qiáng)晶粒邊界并提高合金的高溫強(qiáng)度。但若添加過多，會降低延性和韌性并使晶粒邊界的熔點(diǎn)降低，從而損害合金的高溫強(qiáng)度。鋯和硼適當(dāng)?shù)奶砑恿糠謩e為最多為0.035％及最多為0.035％。最好考慮到它們與碳含量的關(guān)系，將它們和碳含量安排在A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)限定的范圍內(nèi)，其中A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.05％，B＋Zr＝0％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0.01％)，D(C＝0％，B＋Zr＝0.035％)及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.025％)或者使硼、鋯或硼加鋯的含量限制為0.005至0.025％。
鎢和鉬能溶解在r相的基質(zhì)內(nèi)并能使它增強(qiáng)，這兩元素對提高合金的持久強(qiáng)度特別有效。但若添加過多，會促使有害的相例如σ相沉淀出來，從而損害合金的強(qiáng)度。鎢和鉬適當(dāng)?shù)奶砑恿糠謩e為2至15％及6％或更少，最好為8.0至11.0％的鎢及0.3至1.0％的鉬。
錸能提高合金的耐熱腐蝕性。但若超過一定數(shù)量，上述效應(yīng)會達(dá)到飽和，而合金的延性和韌性會降低。錸的適當(dāng)添加量為4％或更少，最好為2.5至3.5％。
當(dāng)單晶的晶體取向差為8度或更小時(shí)，最好在作為單晶的鎳基超合金中不存在晶粒邊界。如果柱狀晶粒的晶體取向差為15度或更小，那么柱狀晶粒能夠得到一個(gè)良好的強(qiáng)度。


圖1為按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片的斜視圖，圖2為概略示出本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造方法的設(shè)備圖，圖3為一平面圖，其中示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的葉片芯子以便說明芯子和葉片兩者在位置上的關(guān)系，圖4所示為按照本發(fā)明和按照傳統(tǒng)方法所得到的柱晶葉片的高溫強(qiáng)度的比較圖，圖5所示為用單向凝固法制造傳統(tǒng)的柱晶葉片所觀察到的形成晶間裂縫的情況的說明圖，圖6為一特性線圖說明當(dāng)沉淀出來的r’相能夠溶解r相內(nèi)而不需在初始將合金熔化時(shí)碳含量與硼、鋯含量的關(guān)系，還說明它們與晶間裂縫的關(guān)系，圖7所示為按照本發(fā)明另一實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的總體結(jié)構(gòu)圖，圖8所示為按照本發(fā)明另外還有一個(gè)實(shí)施例的聯(lián)合發(fā)電廠的總體系統(tǒng)圖。
例1圖1為按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的具有單晶結(jié)構(gòu)的葉片的斜視圖，圖2概略示出所用設(shè)備以便說明葉片的制造方法。
如圖2所示，首先將一個(gè)主要由鋁礬土構(gòu)成的陶瓷鑄模8固定在一塊水冷的紫銅激冷板11上，然后放在鑄模加熱爐4內(nèi)使陶瓷鑄模8加熱到鎳基超合金的熔點(diǎn)或更高的溫度。接著，將熔化的鎳基超合金澆注到陶瓷鑄模8內(nèi)，然后將水冷的紫銅激冷板11向下抽出，以便進(jìn)行合金的單向凝固。在單向凝固時(shí)，首先用一始晶器10生成大量晶體，接下來用一選擇器9只選擇一個(gè)晶體，這一個(gè)選出的晶體在一擴(kuò)大部分內(nèi)被擴(kuò)大，以10cm/h的抽出速度凝固的葉片部就在此基礎(chǔ)上形成一個(gè)單一的晶體。在葉片部凝固成一個(gè)單晶后，其余的部分并不生長成為一個(gè)單晶而是形成多個(gè)柱狀晶粒，方法是在過了平臺15的位置后將鑄模的抽出速度增加到40cm/h。按照這種方法制成的柱晶葉片，其葉片部分具有單晶結(jié)構(gòu)，其余部分則具有柱晶結(jié)構(gòu)。葉片部的單晶結(jié)構(gòu)并不是在平臺上突然地并完全地轉(zhuǎn)變?yōu)橹ЫY(jié)構(gòu)的，而是與葉片部連接的平臺和一部分體干部都是單晶結(jié)構(gòu)，但平臺上正好與葉片部連接的截面以外的周邊區(qū)、體干部的其余部分和鳩尾槽則為柱晶結(jié)構(gòu)。在這情況下，柱狀晶粒是從作為種子的葉片部的單晶上生長起來的，因此柱晶的取向差可以小到約為5度。鑄模加熱爐4維持在高溫，一直要到陶瓷鑄模8完全抽出以及凝固完畢為止。上述熔化和凝固的過程都是在真空下進(jìn)行的。表1示出本發(fā)明葉片的鑄造條件，表2示出鑄造時(shí)所用鎳基超合金的成分。在鑄造后，用上法鑄出的葉片接受固溶熱處理，在1260至1280℃的溫度下在真空中維持2至60小時(shí)，使在冷卻過程中凝固后沉淀出來的r’相轉(zhuǎn)變?yōu)閞相。在此以后還要進(jìn)行時(shí)效熱處理，先在1000至1150℃的溫度下維持4至20小時(shí)，再在800至950℃的溫度下維持8至100小時(shí)，從而將平均尺寸為0.3至2μm的沉淀出來的r’相溶解在基質(zhì)中的r相內(nèi)。
表1
<p>表2
有一熱電偶插在鑄模8中相當(dāng)于平臺15的區(qū)罩上以便測量該區(qū)帶的溫度。當(dāng)溫度到達(dá)凝固溫度時(shí)，鑄模的抽出速度就改變了。用一塊石墨做的分隔板放在加熱爐4的下面，并將水冷的紫銅管成為螺旋形地卷繞在分隔板的下部使鑄模冷卻。
按照上述方法制成的葉片具有單晶結(jié)構(gòu)的葉片部1和柱晶結(jié)構(gòu)的葉片在平臺15以下的部分2?？諝饫鋮s的鰭片14是由直徑約為10mm的晶粒形成的，這種晶粒不能稱為柱狀晶粒。雖然體干部的表面是柱晶結(jié)構(gòu)而且具有從葉片部1的單晶生長起來的大的柱狀晶粒，但這柱狀晶粒從體干部的表面到中心卻是逐漸縮小的。在表面上柱狀晶粒的寬度為5至10mm，而從表面到中心的平均寬度為5至6mm。
圖3為一示出葉片芯子的平面圖，用來說明芯子和動葉片在位置上的關(guān)系。該實(shí)施例的葉片是空心的以便自己冷卻。除了用空氣作為冷卻介質(zhì)外，蒸汽冷卻也有用的。冷卻空氣是由一個(gè)鳩尾槽16的芯子21供應(yīng)的并分成兩股，其中一股空氣流從葉片的末端部17排出，另一股空氣流從葉片的出氣邊23排出。該出氣邊23具有縫隙狀的冷卻空氣排出口。該芯子還包括孔眼20，兩個(gè)葉片表面可通過這些孔眼互相連通。該芯子還包括孔眼22，熔化金屬就澆注在其內(nèi)。
在該實(shí)施例中，葉片部1的長度約為100mm，而葉片在平臺以下的其余部分的長度為120mm。
這樣得到的葉片的蠕變斷裂強(qiáng)度在圖4中用Larson-Miller參數(shù)P示出。柱狀晶粒的商品合金CM186LC用來作為對比材料。本發(fā)明的葉片是制成單一晶體并隨后經(jīng)過固溶熱處理和時(shí)效熱處理的，而具有傳統(tǒng)的柱晶結(jié)構(gòu)的對比葉片只是經(jīng)過時(shí)效熱處理。本發(fā)明的葉片與對比葉片相比對應(yīng)力為14.0Kgf/mm2持續(xù)100000小時(shí)的蠕變的溫度承受能力提高了大約20℃。該商品合金除了含有0.016％的硼、0.016％的鋯和0.15％的碳以外，其成分基本上與表2所示相同。例2本發(fā)明的葉片所以能進(jìn)行固溶熱處理是因?yàn)楹辖鸬墓簿ЫY(jié)構(gòu)的熔點(diǎn)通過對碳、硼和鋯含量的控制已被提高?，F(xiàn)對提高共晶結(jié)構(gòu)熔點(diǎn)的方法進(jìn)行說明。
傳統(tǒng)的含有晶粒邊界增強(qiáng)元素的合金在含有大量的碳、硼、鋯、鉿等時(shí)是不能進(jìn)行固溶熱處理的。因此，采用一種鎳基合金，以重量計(jì)基本上含有Cr5.0-14.0％，Co0-12.0％，W 5.0-12.0％，Re0-3.5％，Mo0.5-3.0％， Ta3.0-7.0％，Al4.0-6.0％， Ti0.5-3.0％，Hf0-2.0％。
并變化合金的碳含量與Zr＋B含量的比率，研究共晶結(jié)構(gòu)的熔點(diǎn)與沉淀r’相的凝固線溫度兩者之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳含量為0.1％或更少及B＋Zr含量為0.025％或更少時(shí)，沉淀出來的r’相能夠溶解到基質(zhì)相內(nèi)而無需將共晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始熔化。但在另一方面，對于一個(gè)含有0.1％或更少的碳及總計(jì)為0.025％或更少的B＋Zr的鎳基超合金來說，當(dāng)鑄出一個(gè)柱晶結(jié)構(gòu)的單向凝固的葉片時(shí)晶間裂縫便會產(chǎn)生。圖5示出按照傳統(tǒng)單向凝固法制造的具有柱晶結(jié)構(gòu)的葉片產(chǎn)生晶間裂縫的情況。那就是說，如果按照傳統(tǒng)的單向凝固法將含有碳含量為0.1重量％或更少的及B＋Zr含量為0.025重量％或更少的合金制造成柱晶結(jié)構(gòu)的葉片時(shí)，裂縫便會在晶粒邊界上產(chǎn)生，因此這種葉片就不能提供作為產(chǎn)品。
此外并曾研究過柱狀晶粒的晶體取向差、合金的碳含量和Zr＋B含量與晶間裂縫的關(guān)系。當(dāng)柱晶的晶體取向差在8°以內(nèi)及當(dāng)以重量計(jì)碳含量為0.03％或更多而Zr＋B含量為0.005或更多時(shí)可以得到有利的柱晶葉片而不會產(chǎn)生晶間裂縫。但當(dāng)柱狀晶粒的晶體取向差為8°或更大時(shí)，即使碳含量為0.03％或更多及Zr＋B含量為0.005％或更多，也會產(chǎn)生晶間裂縫。另外當(dāng)碳含量為0.03％或更少時(shí)，即使柱狀晶粒的晶體取向差在8°以內(nèi)，也會產(chǎn)生晶間裂縫。上述結(jié)果在圖6中示出。應(yīng)該注意的是，當(dāng)柱狀晶粒的晶體取向差為6°以內(nèi)時(shí)，鑄出的葉片可以做到無需被始熔化并且沒有晶粒間裂縫。鑄造這種葉片的合金的碳含量及B＋Zr含量可按A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)所限定的范圍加以安排，其中A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.05％，B＋Zr＝0％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0％)，D(C＝0％ B＋Zr＝0.035％)及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.025％)。較好的范圍是在A、B、C、D、E限定的一個(gè)五角形之內(nèi)，其中A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.04％ B＋Zr＝0.002％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0.01％)，D(C＝0％ B＋Zr＝0.002％)及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.020％)。
當(dāng)合金的碳含量為0.1重量％或更少及B＋Zr為0.025重量％或更少時(shí)，為了防止產(chǎn)生晶間裂縫，晶體取向差必須在8°以內(nèi)。在傳統(tǒng)的單向凝固法中柱狀晶粒的側(cè)邊的晶體取向是任意的因此無法控制在8°以內(nèi)。而在另一方面，按照本發(fā)明的方法，葉片部形成一個(gè)單晶，而柱狀晶粒是從該作為種子的單晶上生長起來的，因此柱晶的晶體取向差能夠在8°之內(nèi)。那就是說，當(dāng)葉片部形成一個(gè)單晶而其余部分形成取向差在8°以內(nèi)的柱狀晶粒如同本發(fā)明那樣時(shí)，即使碳含量為0.1重量％或更少及B＋Zr含量為0.025重量％或更少時(shí)，也能得到不帶晶間裂縫的有利的柱晶葉片。當(dāng)硼和鋯采用其一或兩者并用時(shí)都能獲得基本相同的效果。
表3列出按照傳統(tǒng)方法鑄造的柱晶葉片和單晶葉片以及按照本發(fā)明鑄成的葉片在特性上的比較結(jié)果，其時(shí)葉片長度為22cm(葉片部為100mm，根部為120mm)。用傳統(tǒng)方法鑄造柱晶葉片和單晶葉片時(shí)所用的都是一種商品合金。
表3
>由于在本發(fā)明的柱晶葉片中不會產(chǎn)生晶間裂縫，因此產(chǎn)出率可達(dá)70％，比產(chǎn)出率為15％的葉片大起約四倍，而對應(yīng)力為14.0kgf/mm2持續(xù)100,000小時(shí)的蠕變的溫度承受能力則可提高約20℃。
當(dāng)只比較溫度承受能力時(shí)，本發(fā)明的葉片似乎比單晶葉片差。但在本發(fā)明中，由于葉片部以外的其余部分為柱晶結(jié)構(gòu)，因此鑄造時(shí)間能夠縮短，鑄模預(yù)熱溫度可以降低。其結(jié)果，在合金和鑄模間較少發(fā)生反應(yīng)，缺陷率可降低，從而葉片的產(chǎn)出率可提高。因此本發(fā)明提供的是一種非常實(shí)用的柱晶葉片和一種非常實(shí)用的制造方法。顯然如果整個(gè)葉片都是用本發(fā)明的合金形成單一的晶體，由于生產(chǎn)率和產(chǎn)出率受到損害，實(shí)際上也不會起多大作用。例3按照例1內(nèi)所速方法，將一化學(xué)成分如表4所示(以重量計(jì))的鎳基超合金鑄造時(shí)，可以制造出一個(gè)柱晶葉片，其葉片部由單晶形成，其余部分基本上完全是由柱狀晶粒形成。在本實(shí)施例中鑄模被設(shè)計(jì)為有一直邊模可作為從單晶擴(kuò)大部通向突出鰭片的旁路如圖2所示，以致突出鰭片也可具有柱狀晶粒。在鑄出的葉片中沒有發(fā)現(xiàn)晶間裂紋。該葉片接下來經(jīng)過溫度為1270至1285℃持續(xù)2至60小時(shí)的固溶熱處理，以及在1000至1150℃維持4至20小時(shí)再在800至950℃維持8至10小時(shí)的時(shí)效熱處理。上述葉片的溫度承受能力與一對比試樣就應(yīng)力為14.0kgf/mm2持續(xù)100000小時(shí)的蠕變進(jìn)行比較。對比試樣只是經(jīng)過在1000至1150℃維持4至20小時(shí)再在800至950℃維持8至100小時(shí)的時(shí)效熱處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的葉片的溫度可以增加約15℃。在本實(shí)施例中，柱狀晶粒的晶體取向差約為5°。
例4圖7為一燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子部分的模剖面圖，在該燃?xì)廨啓C(jī)中裝有例2所述的本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)葉片。
標(biāo)號30為輪機(jī)短軸，33為輪機(jī)葉片，43為輪機(jī)組裝螺栓，38為輪機(jī)間隔器，49為遠(yuǎn)離件，40為輪機(jī)導(dǎo)向葉片，36為壓縮機(jī)盤，37為壓縮機(jī)葉片，38為壓縮機(jī)組裝螺栓，39為壓縮機(jī)短軸，34為輪機(jī)盤或渦輪盤，及41為一孔。本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)包括17級壓縮機(jī)盤和3級的燃?xì)廨啓C(jī)33。燃?xì)廨啓C(jī)也可以是四級的。不論是三級還是四級的，本發(fā)明的合金全部都能運(yùn)用。
在本實(shí)施例中所用燃?xì)廨啓C(jī)的主要型式為重載式具有一根單一的軸一個(gè)水平的分格機(jī)殼和一個(gè)疊裝起來的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)為17級軸流式。第一級和第二級的葉片和導(dǎo)向葉片是空氣冷卻的。燃?xì)馐覟槟媪魇?，具?6個(gè)管狀燃燒部和一個(gè)開槽冷卻器。
完全回火過的馬氏體鋼以重量計(jì)主要含有C 0.06至0.15％，Si 1％或更少，Mn 1.5％或更少，Cr 9.5至12.5％，Ni 1.5至2.5％，Mo 1.5至3.0％，V 0.1至0.3％，Nb 0.03至0.15％，N(氮)0.04至0.15％，余額為Fe。這種材料用于遠(yuǎn)離件39、渦輪盤34、間隔器38和組裝螺栓33。本實(shí)施例的特征值為抗拉強(qiáng)度為90至120kg/mm2，0.2％的屈伏強(qiáng)度為70至90kg/mm2，延伸率為10至25％，面積縮減率為50至70％，V槽沖擊值為5至9.5kg-m/cm2，蠕變斷裂強(qiáng)度在450℃持續(xù)105小時(shí)的條件下為45至55kg/mm2。
燃?xì)廨啓C(jī)葉片33具有三級，在實(shí)施例1中制出的葉片用作第一級。壓縮機(jī)的壓縮壓力為14.7，溫度為400℃，在第一級葉片入口處的溫度為1300℃，燃燒室燃?xì)獾臏囟人綖?450℃。由多晶結(jié)構(gòu)制成的葉片用于第二級動葉片，它具有與第一級葉片基本相同的成分，其長度為280mm(160mm為葉片部，其余120mm為平臺以下的部分。第三級葉片是用與第二級葉片同樣的合金制造的。它具有多晶結(jié)構(gòu)，其長度為350mm(230mm為葉片部)。第三級葉片是實(shí)心的，采用傳統(tǒng)的失臘精密鑄造方法制造。
第一至第三級燃?xì)廨啓C(jī)導(dǎo)向葉片40采用公知的鈷基合金為材料。每一導(dǎo)向葉片都有一個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)向葉片部，整個(gè)導(dǎo)向葉片都是由真空精密鑄造制成的。導(dǎo)向葉片部的長度等于每一葉片的葉片部的長度，并包括有鰭針冷卻、沖擊冷卻和薄膜冷卻的結(jié)構(gòu)。第一級的導(dǎo)向葉片的兩端都是卡住的，而第二級和第三級的導(dǎo)向葉片只是用邊墻卡住一側(cè)。在燃?xì)廨啓C(jī)上還設(shè)有中間冷卻器。
本實(shí)施例可發(fā)出50MW的電，熱效率為33％或更高。例5圖8為一單軸式聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，在該系統(tǒng)內(nèi)采用了例4的燃?xì)廨啓C(jī)，還采用了一臺蒸汽輪機(jī)。
當(dāng)采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電時(shí)，近時(shí)常用聯(lián)合發(fā)電法，其時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)是用液化天然氣(LNG)作為燃料驅(qū)動的，而汽輪機(jī)是由燃?xì)廨啓C(jī)的排出廢氣在能量回收時(shí)產(chǎn)生的蒸汽來驅(qū)動的。在聯(lián)合發(fā)電法中，采用下面要說到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可使熱效率達(dá)到約45％或更多，而傳統(tǒng)的只設(shè)一臺汽輪機(jī)的系統(tǒng)的熱效率僅為40％。最近這種聯(lián)合發(fā)電廠已從只用液化天然氣(LNG)為燃料轉(zhuǎn)變?yōu)榧瓤捎靡夯烊粴?LNG)為燃料又可用液化石油氣(LPG)為燃料，或者把兩者(LNG和LPG)混合起來使用，從而發(fā)電廠可更為順當(dāng)?shù)剡\(yùn)作并提高其經(jīng)濟(jì)效果。
首先，通過吸入過濾器和吸入消聲器將空氣引入到燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)內(nèi)。壓縮機(jī)壓縮空氣并將壓縮空氣供給低NOX的燃燒室。在燃燒室內(nèi)將燃料噴入到壓縮空氣內(nèi)使它燃燒而產(chǎn)生1400℃或更高的高溫燃?xì)狻Ｔ撊細(xì)饽芡瓿善湓谌細(xì)廨啓C(jī)內(nèi)的任務(wù)并產(chǎn)生動力。
溫度為530℃或更高的燃?xì)庠趶娜細(xì)廨啓C(jī)排出后，通過一個(gè)排氣消音器被送到排氣余熱回收鍋爐內(nèi)，在該處燃?xì)廨啓C(jī)排氣的熱能被回收并產(chǎn)生530℃或更高的高壓蒸汽。該鍋爐設(shè)有干氨接觸還原法的去氨裝置。排氣通過一個(gè)數(shù)百米長的由三個(gè)煙氣通道結(jié)合而成的煙道向外排出。所產(chǎn)生的高壓和低壓的蒸汽被供到一臺汽輪機(jī)的一個(gè)高低壓結(jié)合的轉(zhuǎn)子上。
從汽輪機(jī)排出的蒸汽被引入到一個(gè)凝結(jié)器內(nèi)并在真空內(nèi)除氣以便轉(zhuǎn)變成凝結(jié)水。凝結(jié)水被一凝結(jié)水泵加壓并被作為給水送到到鍋爐內(nèi)。于是，燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)分別在主軸的相對端驅(qū)動一臺發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。為了使這種聯(lián)合發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻，有時(shí)用汽輪機(jī)排出的蒸汽與空氣一樣作為冷卻介質(zhì)。通常，采用空氣作為葉片的冷卻介質(zhì)。但是，因?yàn)檎羝谋葻徇h(yuǎn)比空氣為大，并且因?yàn)檎羝闹亓亢茌p，所以冷卻效果是很優(yōu)越的。
按照該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，可以得到總量為8000KW的發(fā)電量輸出，其中50000KW來自燃?xì)廨啓C(jī)，30000KW來自汽輪機(jī)。由于本實(shí)施例中的汽輪機(jī)比較小巧，所以它比具有相同發(fā)電能力的大尺寸汽輪機(jī)制造費(fèi)用要低，這樣聯(lián)合發(fā)電后巨大的有利點(diǎn)是可以按照發(fā)電量輸出的變化經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
按照本發(fā)明的汽輪機(jī)為一高低壓結(jié)合的型式。該汽輪機(jī)的單機(jī)輸出尚能提高，只要把高低壓結(jié)合式汽輪機(jī)主要蒸汽入口處的蒸汽壓力提高到100大氣壓并將溫度提高到538℃即可。為了提高單機(jī)輸出，有必要末級動葉片的葉片長度增加到30或更長以便增加蒸汽流率。
按照本發(fā)明的汽輪機(jī)包括13級或更多的葉片，這些葉片被嵌裝在高低壓結(jié)合的轉(zhuǎn)子軸上。如上所述，蒸汽通過一個(gè)蒸汽控制閥經(jīng)蒸汽入口處流入汽輪機(jī)內(nèi)，其時(shí)的溫度高達(dá)538℃壓力高達(dá)88大氣壓。蒸汽沿一個(gè)方向從入口處流到末級葉片，其時(shí)的溫度為33℃，壓力為722mmHg并從出口處排出。按照本發(fā)明，Ni-Cr-Mo-V低合金鋼的鍛件可用作高低壓結(jié)合式轉(zhuǎn)子軸。轉(zhuǎn)子軸上牢固地安裝葉片的部分為一盤狀物，該盤狀物全部是在轉(zhuǎn)子軸上切割而成。葉片的長度越短，盤狀物的寬度越大以便使振動減為最小。
按照本實(shí)施例，高低壓結(jié)合式轉(zhuǎn)子軸含有的成分主要為C0.18至0.30％，Si最多為0.1％，Mn最多為0.3％，Ni 1.0至2.0％，Cr 1.0至1.7％，Mo 1.0至2.0％，V 0.20至0.3％，其余為Fe。轉(zhuǎn)子軸在900至1050℃用水噴霧冷卻進(jìn)行淬火，燃后在650至680℃回火。
發(fā)電廠的布置可以采用單軸式將六套發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合在一起，每一套系統(tǒng)包括一臺燃?xì)廨啓C(jī)、一臺排氣余熱回收鍋爐、一臺汽輪機(jī)和一臺發(fā)電機(jī)。發(fā)電廠的布置也可采用多軸式，其中一臺發(fā)電機(jī)和一臺燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合成為一套，另外有六套結(jié)合進(jìn)去以便從排出的燃?xì)庵腥〉谜羝⒄羝肫啓C(jī)再帶動一臺發(fā)電機(jī)。
聯(lián)合發(fā)電方式是用一臺能在短時(shí)間內(nèi)容易開動并停止的燃?xì)廨啓C(jī)和一臺小尺寸的簡單的汽輪機(jī)結(jié)合而成。因此，能夠立即進(jìn)行輸出控制。聯(lián)合發(fā)電方式是一種能適應(yīng)變動的需要的中等載荷的熱力發(fā)電方式。
由于最近技術(shù)上的發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性已經(jīng)取得顯著的提高。另外，聯(lián)合發(fā)電廠是一種由許多小容量的機(jī)械結(jié)合而成的系統(tǒng)。這樣當(dāng)一臺機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，其損害能夠被局部所包涵，從而可以提供一種高可靠性的動力來源。
按照本發(fā)明制出的燃?xì)廨啓C(jī)葉片具有高抗蠕變程度，因此能夠延長葉片的壽命，增加燃?xì)獾臏囟龋灾氯細(xì)廨啓C(jī)的熱效率及包括燃?xì)廨啓C(jī)在內(nèi)的聯(lián)合發(fā)電廠系統(tǒng)的熱效率能夠顯著地提高。
另外，按照本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)葉片的制造方法，能夠提高葉片制造的產(chǎn)出。
權(quán)利要求
1.一種由整體鑄造形成的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片部連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從所說體干部兩側(cè)突出的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽，其特征在于所說葉片部包括其與所說平臺連接的根部、所說平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，葉片的其余部分除了所說鰭片之外都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
2.一種由整體鑄造形成的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從所說體干部兩側(cè)突出的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽，其特征在于所說葉片部包括其與所說平臺連接的根部、所說平臺和一部分體干部為連接的單晶結(jié)構(gòu)，葉片的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1和2中任一的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其特征在于在葉片內(nèi)連續(xù)地設(shè)有一條從所說鳩尾槽到所說葉片部的整體構(gòu)成的冷卻劑通道。
4.按照權(quán)利要求1的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其特征在于所說鑄件以重量計(jì)主要含有下列成分，C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni其余的58％或更多。
5.按照權(quán)利要求2的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其特征在于所說鑄件以重量計(jì)主要含有下列成分，C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni其余的58％或更多。
6.用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為整體鑄件并具有一個(gè)葉片部和一個(gè)鳩尾槽，其特征在于所說葉片部為單晶結(jié)構(gòu)，而單晶結(jié)構(gòu)區(qū)域之外包括所說葉片部為單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)，所說葉片是從所說葉片部向所說鳩尾的方向開始進(jìn)行凝固的。
7.按照權(quán)利要求6的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其特征在于所說鑄件以重量計(jì)主要含有下列成分，C最多為0.20％，Cr5至14％，Al 4至7％，W2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多。
8.用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為一整體鑄件并具有單晶結(jié)構(gòu)區(qū)域和其余區(qū)域，其特征在于所說第一區(qū)域和其余區(qū)域的晶體取向差為2至8度。
9.按照權(quán)利要求8的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其特征在于所說鑄件以重量計(jì)主要含有下列成分，C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為10.5％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為3％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多。
10.用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為一整體鑄件并具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片部連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從所說體干部兩側(cè)突出的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽，其特征在于所說各部的晶體取向差為2至8度。
11.按照權(quán)利要求10的用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片，其特征在于所說鑄件以重量計(jì)主要含有下列成分，C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多。
12.用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片以重量計(jì)主要含有，C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多，其特征在于碳含量及硼、鋯含量兩者之一或兩者同時(shí)被安排在A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)所限定的范圍內(nèi)，其中A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.05％，B＋Zr＝0％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0.01％)，D(C＝0％，B＋Zr＝0.035％)及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.025％)，而晶體取向差為2至6度。
13.用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片以重量計(jì)主要含有，C 0.03至0.1％，Cr 5.5至9.0％，Co 8.5至10.5％，W8至11％，Re 1.0至3.5％，Mo 0.3至1.0％，Ta 3至4％，Al 5至6％，Ti 0.5至1.5％，Hf 0.5至1.0％，B和Zr兩者之一或兩者一起0.005至0.025％，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，其特征在于晶體取向差為8度或更少。
14.用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片為一整體鑄件并具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片部連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從所說體干部兩側(cè)突出的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽，其特征在于所說葉片部包括其與所說平臺連接的根部、所說平臺和一部分所說體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，而葉片的其余部分為單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)，在葉片內(nèi)連續(xù)地設(shè)有一條從所說鳩尾槽到所說葉片部的整體構(gòu)成的冷卻劑通道。所說鑄件以重量計(jì)主要含有，C最多為0.20％，Cr 5至14％，Al 4至7％，W 2至15％，Ti 0.5至5％，Nb最多為3％，Mo最多為6％，Ta最多為12％，Co最多為10.5％，Hf最多為2％，Re最多為4％，B最多為0.035％，Zr最多為0.035％，Ni為其余的58％或更多，其中碳含量及B、Zr含量兩者之一或兩者同時(shí)被安排在A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)所限定的范圍內(nèi)，其中A(C＝0.20％，B＋Zr＝0％)，B(C＝0.05％，B＋Zr＝0％)，C(C＝0％，B＋Zr＝0.01％)，D(C＝0％，B＋Zr＝0.035％)，及E(C＝0.1％，B＋Zr＝0.025％)，所說鑄件具有r’相沉淀物溶解在r’相基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)，所說r相的晶體取向差為2至6度。
15.一種裝用旋轉(zhuǎn)葉片的燃?xì)廨啓C(jī)使經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮通過導(dǎo)向葉片的燃?xì)鉀_擊嵌裝在渦輪盤上的所說葉片，其特征在于所說燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，其中第一級的每一個(gè)葉片都是整體鑄成的，并各具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片部連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從所說體干部兩側(cè)突出的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽。所說葉片部包括其與所說平臺連接的根部、所說平臺和一部分體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，而葉片的其余部分除了所說鰭片之外都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。
16.一種裝用旋轉(zhuǎn)葉片的燃?xì)廨啓C(jī)能使被壓縮機(jī)壓縮通過導(dǎo)向葉片的燃?xì)鉀_擊嵌裝在渦輪盤上的所說葉片，其特征在于所說燃?xì)獾臏囟葹?500℃或更高，所說燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，所說燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更高，所說第一級葉片的總長為200mm或更長，其中第一級的每一個(gè)葉片都是整體鑄成的，所說葉片部為單晶結(jié)構(gòu)而除了單晶結(jié)構(gòu)區(qū)域之外包括葉片部在內(nèi)的其余部分都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)，發(fā)電能力為50000KW或更多。
17.一種裝用旋轉(zhuǎn)葉片的燃?xì)廨啓C(jī)能使被壓縮機(jī)縮通過導(dǎo)向葉片的燃?xì)鉀_擊嵌裝在渦輪盤上的所說葉片，其特征在于所說燃?xì)獾臏囟葹?500℃或更高，所說燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，所說燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更高，所說第一級葉片每一片的總長為200mm或更長。其中第一級的每一個(gè)葉片都是整體鑄成的，并具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片部連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從體干部兩側(cè)突出的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽。所說葉片部包括其與所說平臺連接的根部、所說平臺和一部分所說體干部為連續(xù)的單晶結(jié)構(gòu)，而葉片的其余部分除了所說鰭片之外都是單向凝固的柱晶結(jié)構(gòu)。所說鑄件以重量計(jì)主要含有，C 0.03至0.1％，Cr 5.5至9.0％，Co 8.5至10.5％，W 8至11％，Re 1.0至3.5％，Mo 0.3至1.0％，Ta 3至4％，Al 5至6％，Ti 0.5至1.0％，hf 0.5至1.0％，B和Zr兩者或兩者一起0.005至0.025％，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)，所說鑄件具有r’相沉淀物溶解在r’相基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)。所說單晶的r相與所說柱晶的r相兩者的晶體取向差為8度或更少發(fā)電能力為50000KW或更多。
18.一種聯(lián)合發(fā)電廠系統(tǒng)具有一臺由高速流動的燃?xì)怛?qū)動的燃?xì)廨啓C(jī)，一臺由從所說燃?xì)廨啓C(jī)排出的燃?xì)庵蝎@得蒸汽的排氣余熱回收鍋爐，一臺由所設(shè)蒸汽驅(qū)動的汽輪機(jī)，及一臺由所說燃?xì)廨啓C(jī)和所說汽輪驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，其特征在于所說燃?xì)廨啓C(jī)具有三級或更多級，所說燃?xì)庠诘谝患壢~片入口處的溫度為1300℃或更多，排出的燃?xì)庠谒f燃?xì)廨啓C(jī)出口處的溫度為560℃或更多，所說排氣余熱回收鍋爐能夠獲得的蒸汽的溫度為530℃或更多，所述汽輪機(jī)是高、低壓整體式的，送入所述汽輪機(jī)第一級葉片的蒸汽溫度是530℃或更多，所說燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電能力為50000KW或更多，所說汽輪機(jī)的發(fā)電能力為30000KW或更多，總的熱效率為45％或更高，每一所說第一級葉片的總長為200mm或更長。第一級的第一個(gè)葉片都是整體鑄成的并各具有一個(gè)葉片部，一個(gè)有一平面與所說葉片部連接的平臺，一個(gè)與所說平臺連接的體干部，從所說體干部兩側(cè)突起的鰭片，和一個(gè)與所說體干部連接的鳩尾槽。所說葉片部包括其與所說平臺連接的根部，和所述平臺和體干部的一個(gè)部分都是單晶結(jié)構(gòu)，而葉片的其余部分除了所說鰭片之外為一單向凝固的柱狀結(jié)構(gòu)。所說鑄件以重量計(jì)主要含有，C 0.03至0.1％，Cr 5.5至9.0％，Co 8.5至10.5％，W 8至11％，Re 1.0至3.5％，Mo 0.3至1.0％，Ta 3至4％，Al 5至6％，Ti 0.5至1.0％，Hf 0.5至1.0％，B和Zr兩者之一或兩者一起0.005至0.025％，其余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。所說鑄件具有r’相沉淀物溶解在r相基質(zhì)內(nèi)的結(jié)構(gòu)。單晶的r相與柱晶的r相的晶體取向差為8度或更小。
19.一種用于燃?xì)廨啓C(jī)的葉片的制造方法為整體鑄成，并有葉片部和鳩尾槽，該方法具有下列工步將用來成形所說葉片的鑄模設(shè)定在一塊水冷的激冷板上。在加熱爐內(nèi)加熱所說的鑄模到預(yù)定的溫度，在真空中熔化一個(gè)主錠并將熔化的金屬澆注到所說加熱過的鑄模內(nèi)。從所說加熱爐抽出含有所說熔化金屬的鑄模使它從所說葉片部朝向所說鳩尾槽順次凝固，從而便所說葉片部形成單晶結(jié)構(gòu)。接下來用比所說葉片部鑄模抽出速度更高的速度抽出鑄模，從而使所說根部形成柱晶結(jié)構(gòu)。
20.一種用單向凝固法鑄成的單晶結(jié)構(gòu)和柱晶結(jié)構(gòu)相互結(jié)合成為一個(gè)整體的制件，其特征在于垂直于所說單晶和柱晶的所說凝固方向上的晶體取向差為8度或更小。
全文摘要
一種由含有較少晶粒邊界增強(qiáng)元素的鎳基超合金制成的燃?xì)廨啓C(jī)葉片，其中葉片部為單晶結(jié)構(gòu)而其余部分則為柱晶結(jié)構(gòu)，以及一種包括該動葉片的燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率可以提高到35％或更高，與蒸汽輪機(jī)復(fù)合的發(fā)電系統(tǒng)的熱效率能提高到45％或更多。
文檔編號B22D27/04GK1123874SQ9410952
公開日1996年6月5日 申請日期1994年8月5日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月6日
發(fā)明者吉成明, 玉置英樹, 齊藤年旦, 小林滿, 飯島活巳, 和田克夫, 狩野公男, 松崎裕之 申請人:株式會社日立制作所, 東北電力株式會社