專利名稱：用于渦輪機(jī)部件的耐腐蝕且耐磨的防護(hù)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體上涉及用于渦輪機(jī)部件的采用涂層、包覆層或部分替換物(section replacement)形式的耐腐蝕、耐沖擊和耐磨損的防護(hù)結(jié)構(gòu)。本公開大體上涉及制造這種用于渦輪機(jī)部件的耐腐蝕、耐沖擊和耐磨損的防護(hù)結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用涂層、包覆層或部分替換物形式的耐腐蝕、耐沖擊和耐磨損的防護(hù)結(jié)構(gòu)可用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的各種應(yīng)用，這些防護(hù)結(jié)構(gòu)包括鈷基合金如Stellite和Haynes 25(L605)。例如，常常在葉片頂部沉積磨料、耐磨的包覆層。通常使用這種包覆層來降低重要部件的磨損速度。在渦輪葉片的前緣設(shè)有其它防護(hù)結(jié)構(gòu)，以減少由于在操作時(shí)可能進(jìn)入渦輪機(jī)的周圍固體散粒(如灰塵、沙子等)所引起的腐蝕。其它類型的耐磨防護(hù)結(jié)構(gòu)還可以涂層、包覆層或部分替換物的形式設(shè)在操作時(shí)易于磨損的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上。例如，可在與相鄰結(jié)構(gòu)如盤柱或渦輪殼體架發(fā)生摩擦的葉片鳩尾榫和噴嘴的耐磨面板上設(shè)置涂層、包覆層或部分替換物。
采用涂層、包覆層或部分替換物形式的耐腐蝕防護(hù)結(jié)構(gòu)還可應(yīng)用于受到液滴腐蝕困擾的渦輪機(jī)部件上。在蒸汽渦輪機(jī)中，水滴在對(duì)應(yīng)于渦輪機(jī)的最低壓部分的最后轉(zhuǎn)子級(jí)中形成。水滴可能凝聚在固定式的葉片翼型如噴嘴上，在此處其凝聚成薄膜或小液流并遷移到噴嘴的后緣。最終，蒸汽流將薄膜和/或小液流以水滴的形式從固定葉片翼型中去除。這些水滴以與旋轉(zhuǎn)葉片的周向速度近似相等的速度來沖擊后級(jí)的旋轉(zhuǎn)葉片。水滴的沖擊在葉片材料表面產(chǎn)生沖擊接觸壓力，導(dǎo)致葉片材料的逐漸腐蝕。蒸汽渦輪機(jī)部件的腐蝕可導(dǎo)致功率損失，降低渦輪效率，并限制葉片部件的壽命。
總之，通過對(duì)包含大約11至18重量百分比的鉻的鐵合金進(jìn)行鍛造，可形成低壓蒸汽渦輪機(jī)的最后幾排葉片。采用涂層、包覆層或部分替換物形式的防護(hù)結(jié)構(gòu)由鈷基合金形成，例如那些可從DeloroStellite公司買到的商標(biāo)為Stellite的合金。雖然這些防護(hù)結(jié)構(gòu)提供對(duì)堿金屬的抗腐蝕性，但是其腐蝕仍然會(huì)導(dǎo)致不合適的、不可恢復(fù)的效率損失。防護(hù)結(jié)構(gòu)在渦輪葉片上的應(yīng)用還導(dǎo)致因接合處的應(yīng)力腐蝕裂紋而引起的可靠性問題，產(chǎn)生空洞或裂紋形式的缺陷，并由于重量增加而減少壽命。
因此，在本領(lǐng)域中持續(xù)存在對(duì)改進(jìn)的耐腐蝕、耐沖擊和耐磨損的防護(hù)結(jié)構(gòu)的需求。
發(fā)明內(nèi)容
本文公開了一種包括基底和在基底上形成的防護(hù)結(jié)構(gòu)的渦輪機(jī)部件，其中該防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、β相鈦合金或近β相鈦合金。
本文還公開了一種為渦輪機(jī)部件提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法，其包括在渦輪機(jī)部件上附著上防護(hù)結(jié)構(gòu)；其中這種防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
本文還公開了一種為渦輪機(jī)部件提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法，其包括在渦輪機(jī)部件的將由防護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)的區(qū)域附著上擴(kuò)散緩沖層，其中該擴(kuò)散緩沖層選自純金屬或合金，這些純金屬或合金不會(huì)由于與耐腐蝕性結(jié)構(gòu)和/或基底的相互作用而形成脆性的和/或低熔點(diǎn)的相；以及將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在擴(kuò)散緩沖層上，其中通過電鍍、等離子體沉積、粉末涂覆、濺射、電子束沉積、等離子熱噴涂、釬焊、共擠壓、爆炸熔粘、熱等靜壓、共鍛造、鍛造、熔焊、共軋制、摩擦焊或者包括至少其中一種前述工藝方法的組合，來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散緩沖層和防護(hù)結(jié)構(gòu)的附著；其中防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
本文公開了一種包括β相鈦合金或近β相鈦合金的渦輪機(jī)部件。
本文還公開了一種渦輪機(jī)部件，其包括基底；附著在基底上的擴(kuò)散緩沖層；以及附著在擴(kuò)散緩沖層的與基底相接觸的表面相對(duì)的表面上的防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中這種防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
圖1以透視圖顯示了可利用本公開的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的示例性渦輪機(jī)部件；圖2是顯示用于不同α-β相或β相鈦合金的有效彈性應(yīng)變百分比對(duì)延伸率百分比的圖，這些鈦合金可用作渦輪機(jī)部件中的防護(hù)結(jié)構(gòu)或防護(hù)層；和圖3是代表性α-β相或β相鈦合金與Stellite 6B的耐腐蝕性能的比較圖。
具體實(shí)施例方式
應(yīng)該注意，本文所用的用語“第一”、“第二”等并不表示任何次序或重要性，而是用于將一個(gè)元件與另一元件區(qū)別開來，而用語“這”、“一”并不表示數(shù)量限制，而是表示至少一個(gè)所引用物件的存在。而且，本文所公開的所有范圍都包含端點(diǎn)，且可獨(dú)立地組合起來。
本文所公開的是用于渦輪機(jī)部件表面的涂層、包覆層或部分替換物(以后稱防護(hù)結(jié)構(gòu))，這些表面易受磨損、腐蝕和/或沖擊損傷。磨損、腐蝕和沖擊損傷是由于散粒(例如水滴)沖擊渦輪機(jī)部件而造成的。防護(hù)結(jié)構(gòu)通常包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金，并可提供抗腐蝕性能，耐磨性能和/或抗沖擊性能。這種α-β相鈦合金、β相鈦合金或近β相鈦合金具有富鈦的體心立方結(jié)構(gòu)是可取的，這種結(jié)構(gòu)具有Pearson內(nèi)部立方結(jié)構(gòu)模型(Pearson symbol cubicinternal)2(cI2)或空間群Im3m。本文所用用語“耐腐蝕”、“耐磨”或“耐沖擊”是可互換的，并意指由于固體或液體散粒沖擊而引起的基底材料如渦輪機(jī)部件的損耗或損傷。
防護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于處于初級(jí)和次級(jí)空氣和蒸汽流路中的那些渦輪機(jī)部件，這些流路包括熱燃?xì)饬髀?、蒸汽流路和水流路。這些防護(hù)結(jié)構(gòu)還可應(yīng)用于燃料流路中的區(qū)域。附著有防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選渦輪機(jī)部件是固定的和/或旋轉(zhuǎn)的翼型。附著有防護(hù)結(jié)構(gòu)的其它渦輪機(jī)部件的示例是密封件、渦輪殼體、分流器等?？筛街线@些防護(hù)結(jié)構(gòu)的渦輪機(jī)部件存在于任一種發(fā)電渦輪機(jī)中，例如燃?xì)鉁u輪機(jī)、水力發(fā)電渦輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)等，或者可以是用于在飛機(jī)、機(jī)車或船舶中產(chǎn)生推力的渦輪機(jī)。在渦輪機(jī)部件的易受腐蝕、磨損或沖擊的那些區(qū)域上可以選擇性地形成防護(hù)結(jié)構(gòu)?；蛘撸€可將防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)在處于熱燃?xì)饬髀?、蒸汽流路和水流路中的部?以后稱為基底)的所有表面上。在另一實(shí)施例中，整個(gè)基底或基底的部分可由β相鈦合金或近β相鈦合金制成。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，防護(hù)結(jié)構(gòu)有利地吸收了與液體和/或散粒沖擊有關(guān)的能量，并且與其它涂層不同的是，它可阻止伴隨的疲勞損壞。
基底通常由高強(qiáng)度合金和/或高溫合金形成。基底包括已知在抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、抗氧化作用和耐腐蝕性等方面具有高應(yīng)力和/或高溫性能的合金，例如鎳基合金、鈷基合金、鐵基合金、鈦基合金等。還可對(duì)根據(jù)本公開的各種實(shí)施例的用作基底的其它結(jié)構(gòu)合金進(jìn)行處理。基底合金可制造成澆鑄或澆鑄-鍛造的結(jié)構(gòu)。或者，基底合金還可由粉末固結(jié)而成，此時(shí)可進(jìn)一步加工所得粉末冶金結(jié)構(gòu)。防護(hù)結(jié)構(gòu)通過冶金結(jié)合或機(jī)械結(jié)合在基底的表面上，從而減輕了由于固體或液體散粒腐蝕、沖擊和/或磨損而引起的損傷。
在基底由超合金材料形成的情況下，超合金是鎳基、鐵基或鈷基合金，其中超合金中的鎳、鐵或鈷是在重量上為最多的單種元素。示例性的鎳基超合金包括至少大約40重量百分比(wt％)的鎳(Ni)，以及至少一種來自鈷(Co)、鉻(Cr)、鋁(Al)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)和鐵(Fe)等金屬的成分。鎳基超合金的示例包括商標(biāo)為Inconel、Nimonic、Rene(例如Rene80-、Rene95、Rene142和ReneN5合金)和Udimet的合金，以及定向固化的單晶超合金。示例性的鈷基超合金包括至少大約30wt％的鈷，以及至少一種來自鎳、鉻、鋁、鎢、鉬、鈦和鐵等金屬組的成分。鈷基超合金的示例包括商標(biāo)為Haynes、Nozzaloy、Stelhite和Ultimet的合金。
圖1以透視圖顯示了可利用本說明書的防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理的示例性基底。應(yīng)該注意基底的工作原理和一般結(jié)構(gòu)是眾所周知的，因此不在這里重復(fù)。如圖1所示，示例性基底是一般在低壓蒸汽渦輪機(jī)的最后級(jí)中使用的蒸汽渦輪葉片10。葉片10通常包括鳩尾榫部分12和翼型部分14。鳩尾榫部分通過插銷等而安裝在轉(zhuǎn)軸(未示出)上。雖然圖紙顯示了單個(gè)葉片，但是發(fā)動(dòng)機(jī)通常具有多個(gè)安裝在轉(zhuǎn)軸上的葉片。葉片在固定式渦輪殼體所限定的區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于渦輪機(jī)中的任一基底或任何基底組合上。在一個(gè)實(shí)施例中，在基底易受腐蝕、磨損和/或沖擊的那些區(qū)域上形成防護(hù)結(jié)構(gòu)，例如在操作時(shí)受到水滴沖擊的區(qū)域等。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)最好應(yīng)用于翼型部分14的前緣16周圍。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在低壓蒸汽渦輪機(jī)的后級(jí)中，前緣16是最易受到水滴腐蝕的。
如果需要，可將防護(hù)結(jié)構(gòu)只應(yīng)用于基底的一部分上。例如在渦輪機(jī)操作過程中，固體和/或液體散粒會(huì)沖擊形成渦輪機(jī)的各種部件的表面，并通過腐蝕、沖擊和/或磨損而損傷這些表面。通過為這些表面附著防護(hù)結(jié)構(gòu)，該防護(hù)結(jié)構(gòu)可緩沖沖擊散粒所造成的損傷，從而減輕腐蝕、沖擊和/或磨損。通過防護(hù)結(jié)構(gòu)的較大的有效彈性應(yīng)變，可以完全地或部分地回復(fù)沖擊散粒所造成的變形，其中有效彈性應(yīng)變被定義為屈服應(yīng)力對(duì)楊氏模量之比。
在一個(gè)實(shí)施例中，通常需要防護(hù)結(jié)構(gòu)在變形之后展示優(yōu)越的可回復(fù)性應(yīng)變。在另一實(shí)施例中，防護(hù)結(jié)構(gòu)在大變形時(shí)展示很小或微不足道的加工硬化。優(yōu)越的可回復(fù)性應(yīng)變有助于沖擊散粒所引起的大變形的回復(fù)，因此就減輕了腐蝕、沖擊和/或磨損的損傷。在一個(gè)實(shí)施例中，α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)展示大于或等于大約4％的延伸率是可取的，其中延伸率被定義為在合金的拉伸測(cè)試過程中測(cè)量部分的增加長(zhǎng)度對(duì)最初長(zhǎng)度之比。有效彈性應(yīng)變大于或等于大約0.7％是可取的。在另一實(shí)施例中，α-β相-鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)展示大于或等于大約6％的延伸率，且有效彈性應(yīng)變大于或等于大約0.75是可取的。在又一實(shí)施例中，α-β相-鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)展示大于或等于大約8％的延伸率，且有效彈性應(yīng)變大于或等于大約0.6是可取的。有效彈性應(yīng)變被定義為屈服應(yīng)力對(duì)楊氏模量之比。楊氏模量采用在合金拉伸測(cè)試過程中在應(yīng)變趨零時(shí)的值。
渦輪機(jī)部件中所用α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)有利地幾乎沒有或沒有由于固體和/或液體散粒沖擊所引起的硬化效應(yīng)是可取的。在渦輪機(jī)部件中所使用的α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)還回復(fù)與沖擊散粒相關(guān)的變形是可取的，并通過其優(yōu)越的可回復(fù)性應(yīng)變來抵抗腐蝕受損。
圖2是顯示了用于不同α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的有效彈性應(yīng)變百分比對(duì)延伸率百分比的圖表，這些鈦合金可用作渦輪機(jī)部件中的防護(hù)結(jié)構(gòu)。通常需要α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)包括基于防護(hù)結(jié)構(gòu)總體積的至少10體積百分比的β相。更可取的是，α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)包括基于防護(hù)結(jié)構(gòu)總體積的至少30體積百分比的β相。
圖2中顯示了α-β相鈦合金、近β相鈦合金和β相鈦合金的示例。這些示例包括包含經(jīng)過時(shí)效或固溶處理加時(shí)效處理(STA)的Ti-6Al-4V的α-β相鈦合金；包含Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(也稱為β-C)的亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金；包含Ti-10V-2Fe-3Al(也稱為鈦10-2-3)的近β相鈦合金；包含Ti-5Al-2Sn-4Mo-2Zn-4Cr(也稱為Ti-17)的近β相鈦合金；包含Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(STA)的β相鈦合金；包含Ti-6Al-6V-2Sn(STA或退火)的α-β相鈦合金；包含經(jīng)過兩次退火(二次退火)的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo的α相鈦合金；包含Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb的近α相鈦合金；包含經(jīng)過時(shí)效處理的Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(也稱為鈦15-3-3-3)的β相鈦合金；包含Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo(也稱為鈦6-2-4-6)的α-β相鈦合金；包含Ti-4Al-4Mo-2Sn的近α相鈦合金；包含Ti-5.5Al-3Sn-3Zr-0.5Nb的近α相鈦合金；包含Ti-6Al-6V-2Sn(也稱為鈦6-6-2)的α-β相鈦合金；包含Ti-4Al-4Mo-2Sn的近α相鈦合金；包含Ti-6Al-7Nb的α-β相鈦合金；包含Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(也稱為鈦6-2-4-2)的近α相鈦合金；包含Ti-6Al-2Cr-2Mo-2Zr-2Sn(也稱為Ti62222)的β相鈦合金；包含Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si的β相鈦合金等，或者包含至少一種前述鈦合金的組合。
在一個(gè)實(shí)施例中，在一種提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的方法中，可取的是，至少一種近β相鈦合金通常包括為總組分的大約30到60重量百分比(wt％)的釩族元素，其余基本上為鈦。釩族元素是釩、鈮和/或鉭。近β相鈦合金還可包括小于或等于近β相鈦合金總重量的大約20wt％的鋯、鉿和/或鈧?？商砑拥竭@種近β相鈦合金組分中的其它合適的元素和雜質(zhì)是鉻、鉬、錳、鐵、鈷、鎳或者包括至少一種前述元素的組合。如果需要，還可將氧選擇性地添加到這種近β相鈦合金組分中。
可取的是，這種近β相鈦合金具有小于或等于大約80×109帕斯卡(80GPa)的楊氏模量。在另一實(shí)施例中，這種近β相鈦合金具有小于或等于大約65GPa的楊氏模量是可取的。在又一實(shí)施例中，這種近β相鈦合金具有小于或等于大約60GPa的楊氏模量是可取的。這種近β相鈦合金具有大于或等于大約750×106帕斯卡(750MPa)的抗拉強(qiáng)度是可取的。在一個(gè)實(shí)施例中，這種近β相鈦合金具有大于或等于大約800MPa的抗拉強(qiáng)度是可取的。在另一實(shí)施例中，這種近β相鈦合金具有大于或等于大約900MPa的抗拉強(qiáng)度是可取的。在又一實(shí)施例中，這種近β相鈦合金具有大于或等于大約1,500MPa的抗拉強(qiáng)度是可取的。
這種近β相鈦合金在室溫下展示出超塑性是可取的。在一個(gè)實(shí)施例中，這種近β相鈦合金可回復(fù)大于或等于大約2％的應(yīng)變，而在另一實(shí)施例中，這種近β相鈦合金可回復(fù)大于或等于大約2.5％的應(yīng)變。這種近β相鈦合金還展示超塑性，并且允許在室溫下進(jìn)行大于或等于大約95％的冷加工。這種近β相鈦合金的一個(gè)具體示例是GumMetal。
在一個(gè)實(shí)施例中，包含α-β相鈦合金、β相鈦合金或近β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)可作為涂層而施加在渦輪機(jī)部件上。通過諸如電鍍、等離子體沉積、粉末涂覆、濺射、電子束沉積以及等離子熱噴涂等方法來施加涂層。
在另一實(shí)施例中，α-β相鈦合金、β相鈦合金或近β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)可預(yù)成形為包覆層，而后通過冶金結(jié)合方式附著在渦輪機(jī)部件上。具體的冶金結(jié)合方法將取決于α-β相鈦合金、β相鈦合金或近β相鈦合金的組分和基底的合金組分。將預(yù)成形的包覆層附著在渦輪機(jī)部件上的適當(dāng)方法的示例為釬焊、共擠壓、爆炸熔粘、熱等靜壓(HIP)、鍛造、熔焊、摩擦焊等，或者包括至少其中一種前述工藝方法的組合。
基于所需的回復(fù)性應(yīng)變性能、延展性和/或塑性變形下的加工硬化程度，來選擇防護(hù)結(jié)構(gòu)的合金元素和組分。在一個(gè)實(shí)施例中，所選擇的用于形成冶金結(jié)合的工藝提供了基底和防護(hù)結(jié)構(gòu)之間的最少互擴(kuò)散。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些類型的互擴(kuò)散可能產(chǎn)生脆性金屬間化合物，其可能削弱在兩種材料之間的這樣形成的結(jié)合。為了提高除耐磨損、耐沖擊和/或耐腐蝕以外的機(jī)械強(qiáng)度，可在附著上防護(hù)結(jié)構(gòu)之前，將可選的擴(kuò)散緩沖層附著在基底上。防護(hù)結(jié)構(gòu)則附著在擴(kuò)散緩沖層的與基底相接觸的表面相對(duì)的表面上。擴(kuò)散緩沖層的特征在于，鈦、鎳和主要基底元素的高溶解度、以及低熔點(diǎn)的或脆性的金屬間反應(yīng)化合物的形成會(huì)受到限制?？稍跀U(kuò)散緩沖層中使用的金屬的合適示例為釩、鈮、鉿、鉭、鋯，或包括至少一種前述金屬的組合。
當(dāng)基底由鈦合金形成時(shí)，擴(kuò)散緩沖層的形成是所需的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，某些鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)在與基底材料的界面處會(huì)形成非所需的相。擴(kuò)散緩沖層的采用基本上防止了互擴(kuò)散和非所需相的形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，一種為基底提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法包括，在由防護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)的基底區(qū)域上附著上擴(kuò)散緩沖層，其中擴(kuò)散緩沖層選自純金屬或合金，這些純金屬或合金不會(huì)由于與防護(hù)結(jié)構(gòu)和/或基底的相互作用而形成脆性的和/或低熔點(diǎn)的相。防護(hù)結(jié)構(gòu)通過在低于約950℃的溫度下且減面率大于或等于大約2∶1下進(jìn)行共擠壓而附著在擴(kuò)散緩沖層上。
在另一實(shí)施例中，一種為基底提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法包括，在由防護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)的基底區(qū)域附著擴(kuò)散緩沖層。擴(kuò)散緩沖層選自純金屬或合金，這些純金屬或合金不會(huì)由于與防護(hù)結(jié)構(gòu)和/或基底的相互作用而形成脆性的和/或低熔點(diǎn)的相。擴(kuò)散緩沖層可作為涂層或包覆層而應(yīng)用到基底上。通過諸如電鍍、等離子體沉積、粉末涂覆、濺射、電子束沉積和等離子熱噴涂的方法，可將擴(kuò)散緩沖層作為涂層來施加。通過諸如釬焊、共擠壓、爆炸熔粘、熱等靜壓(HIP)、共鍛造、共軋制、熔焊、摩擦焊等，或者包括至少其中一種前述工藝方法的組合，可將擴(kuò)散緩沖層作為包覆層來施加。
通過選自釬焊、焊接、熱噴涂、激光表面處理、熱軋、冷軋、等離子體沉積、鍛造、爆炸焊接、熔焊、摩擦焊和噴鍍的工藝方法，可將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在擴(kuò)散緩沖層上。
現(xiàn)在將參考用于將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在基底上的示例性工藝方法。通過擴(kuò)散結(jié)合工藝方法如熱等靜壓(HIP)工藝，可將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在基底上。用于將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在鋼或鎳基合金形成的基底上的示例性HIP工藝采用了優(yōu)選低于950℃的溫度和大于138MPa的壓力。更優(yōu)選的是，HIP工藝方法采用大約700℃到大約900℃的溫度以及大約138MPa到大約276MPa的壓力。
在示例性的共擠壓工藝中，優(yōu)選的溫度和減面率比例優(yōu)選采用低于950℃的溫度以及等于或大于2∶1的減面率。更優(yōu)選的是，共擠壓工藝采用大約700℃到大約900℃的溫度以及2∶1到8∶1的減面率?；蛘撸雷o(hù)結(jié)構(gòu)可以直接地沉積在基底表面上以形成一體式涂層。
防護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度選擇成可為那些易受腐蝕、磨損和/或沖擊的表面提供所需的彈性和柔性。在一個(gè)實(shí)施例中，防護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度為大約1×10-3到大約5厘米，而在另一實(shí)施例中優(yōu)選為大約0.1到大約1厘米。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過在基底的易腐蝕區(qū)域進(jìn)行化學(xué)改性工藝，來實(shí)現(xiàn)防護(hù)結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)改性工藝可用于改變易腐蝕區(qū)域的化學(xué)性質(zhì)，使其在均勻化熱處理之后具有與所公開合金相似的組分。該工藝方法選自激光表面處理、等離子體沉積、濺射、釬焊和熱噴涂。該工藝方法之后是均勻化熱處理如退火，以控制易腐蝕區(qū)域上的組分。在完成均勻化熱處理之后，防護(hù)結(jié)構(gòu)可具有與所公開合金相似的化學(xué)性質(zhì)和抗腐蝕性能。
在另一實(shí)施例中，防護(hù)結(jié)構(gòu)可經(jīng)受可選的表面處理，例如施加來自離子或激光源的高能射束或其它機(jī)械手段如噴丸處理或拋光。例如，為了有選擇性地增加所需量的某些金屬，可使防護(hù)結(jié)構(gòu)的所選區(qū)域經(jīng)受離子注入。離子注入可將β相穩(wěn)定劑添加至鈦合金基底或防護(hù)結(jié)構(gòu)中。合適β相穩(wěn)定劑的示例為釩、鈮、鉭、鉬、鉻、銅等，或包括至少一種前述β相穩(wěn)定劑的組合。還可有利地使用局部處理來產(chǎn)生富β相鈦合金。
作為一種選擇，在表面處理之后，可使防護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)受熱處理工藝或時(shí)效處理工藝。熱處理工藝最好包括將渦輪機(jī)部件暴露在大約815℃到大約1010℃的溫度下并持續(xù)大約4小時(shí)。時(shí)效處理工藝最好包括將部件加熱到大約480℃到大約815℃下持續(xù)大約12小時(shí)。在這里還可采用熱處理工藝和時(shí)效處理工藝的組合。
部分替換物或插入物還可在尺寸上設(shè)置成可防止或修復(fù)由于腐蝕、磨損和/或沖擊基底所造成的損傷。通過其中一種前述工藝方法，可將插入物附著在基底的受影響部分上。雖然已經(jīng)參考將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在帶有或不帶擴(kuò)散緩沖層的基底上來進(jìn)行了介紹，但是還應(yīng)注意到，插入物也可由α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金制成。通過這種方式，基底的修復(fù)和損傷保護(hù)可通過將插入物附著在基底上來實(shí)現(xiàn)。
如上所述，整個(gè)基底可由β相鈦合金或近β相鈦合金制成。基底可制造成澆鑄或澆鑄-鍛造的結(jié)構(gòu)?；蛘?，基底合金還可由粉末固結(jié)而成，其中可進(jìn)一步鍛造加工所得粉末冶金結(jié)構(gòu)。這種制造工藝可將β相鈦合金或近β相鈦合金制成所需形狀。使這種形狀經(jīng)受熱處理、退火、固溶處理等，從而賦予該形狀所需的性能。此后，可將該形狀機(jī)械加工成其最終形式?；蛘?，可以首先將所需形狀機(jī)械加工成其最終形式，然后進(jìn)行熱處理、退火、固溶處理等。在一個(gè)實(shí)施例中，可將包含α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金的前述防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在包含β相鈦合金或近β相鈦合金的基底上。
以下示例顯示了本文所公開的防護(hù)結(jié)構(gòu)的某些實(shí)施例的組分和制造方法，這些示例是示例性而非限制性的。
示例這個(gè)示例用于展示包括有含β相鈦合金的防護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的抗腐蝕性和耐磨性。在這個(gè)示例中，特別包含Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr(Ti17)；Ti-6Al-2Cr-2Mo-2Zr-2Sn(也稱為Ti62222)；和Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si的三種含β相鈦合金在模擬水滴腐蝕環(huán)境中與Stellite6B進(jìn)行比較。
使這種防護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)受750英尺/秒端速下的水沖擊。圖3中顯示了測(cè)試結(jié)果。從圖3中可以看出，含β相鈦合金展示了與Stellite 6B所提供的性能相當(dāng)?shù)目垢g防護(hù)性能。
雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明范圍的條件下，可進(jìn)行各種改動(dòng)，或者用等效物來替代其元素。另外，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)范圍的條件下，可進(jìn)行多種修改以使特定情況或材料與本發(fā)明的講述內(nèi)容相適應(yīng)。因此，本發(fā)明并不限于所構(gòu)思的用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式中所公開的這些具體實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)部件，其包括基底；和在所述基底上形成的防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中所述防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金包含基于所述防護(hù)結(jié)構(gòu)總體積的至少10％的體積百分比的β相。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金展示出大于或等于大約4％的延伸率以及大于或等于大約0.7％的有效彈性應(yīng)變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金包含基于所述防護(hù)結(jié)構(gòu)總體積的至少30％的體積百分比的β相。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述近β相鈦合金包含基于所述近β合金總重量的大約30到大約60％的重量百分比的釩族元素，其余基本上為鈦，其中所述釩族元素包含釩、鈮和/或鉭。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述近β相鈦合金具有小于或等于大約80GPa的楊氏模量、大于或等于大約750MPa的抗拉強(qiáng)度，或者大于或等于大約2％的應(yīng)變。
7.根據(jù)權(quán)利要求4，5或6所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述近β相鈦合金可允許在室溫下進(jìn)行大于或等于大約95％的冷加工。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述基底包括來自蒸汽渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)或水力發(fā)電渦輪機(jī)中的部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述基底包括翼型、密封件、渦輪殼體或分流器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，在所述基底的一部分上形成所述防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中所述基底包括鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金或鈦基合金。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述渦輪機(jī)部件還包括附著在所述防護(hù)結(jié)構(gòu)和所述基底之間的擴(kuò)散緩沖層。
12.一種為渦輪機(jī)部件提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法，其包括在渦輪機(jī)部件上附著上防護(hù)結(jié)構(gòu)；其中所述防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的工藝方法，其特征在于，通過在大約700℃到大約950℃的溫度和大約138到大約276MPa的壓力下進(jìn)行的固態(tài)壓制工藝，來實(shí)現(xiàn)所述防護(hù)結(jié)構(gòu)的附著工藝方法，其中所述固態(tài)壓制工藝包括擴(kuò)散結(jié)合、共擠壓、共軋制、熱等靜壓或共鍛造。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的工藝方法，其特征在于，所述防護(hù)結(jié)構(gòu)是涂層，其中通過電鍍、等離子體沉積、粉末涂覆、濺射、電子束沉積、等離子噴涂或者包括至少其中一種前述工藝方法的組合，來施加所述涂層。
15.根據(jù)權(quán)利要求12，13或14所述的工藝方法，其特征在于，所述防護(hù)結(jié)構(gòu)包括包覆層，其中通過釬焊、爆炸熔粘、噴鍍、鍛造、熔焊、摩擦焊或者包括至少其中一種前述工藝方法的組合，來施加所述包覆層。
16.根據(jù)權(quán)利要求12，13，14或15所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括，使渦輪機(jī)部件經(jīng)受選自時(shí)效處理工藝和熱處理工藝的處理。
17.根據(jù)權(quán)利要求12，13，14，15或16所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括，使所述防護(hù)結(jié)構(gòu)在所述附著之后經(jīng)受離子源或激光源的高能射束的處理。
18.根據(jù)權(quán)利要求12，13，14，15，16或17所述的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法還包括，使所述防護(hù)結(jié)構(gòu)在所述附著之后經(jīng)受噴丸處理、拋光或離子注入處理，其中所述離子注入包括將β相穩(wěn)定劑添加到所述防護(hù)結(jié)構(gòu)中。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的工藝方法，其特征在于，所述β穩(wěn)定劑為釩、鈮、鉭、鉬、鉻、銅，或者包括有至少一種前述β相穩(wěn)定劑的組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的工藝方法，其特征在于，所述渦輪機(jī)部件包括翼型、密封件、渦輪殼體或分流器。
21.一種為渦輪機(jī)部件提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法，其包括在所述渦輪機(jī)部件的機(jī)那個(gè)由防護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)的區(qū)域附著上擴(kuò)散緩沖層，其中所述擴(kuò)散緩沖層選自純金屬或合金，所述純金屬或合金不會(huì)由于與所述防護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用而形成脆性的和/或低熔點(diǎn)的相；以及將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在所述擴(kuò)散緩沖層上，其中通過電鍍、等離子體沉積、粉末涂覆、濺射、電子束沉積、等離子熱噴涂、釬焊、共擠壓、爆炸熔粘、熱等靜壓、共鍛造、鍛造、熔焊、共軋制、摩擦焊，或者包括至少其中一種前述工藝方法的組合，來實(shí)現(xiàn)所述擴(kuò)散緩沖層和所述防護(hù)結(jié)構(gòu)的附著；其中所述防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
22.一種渦輪機(jī)部件，其包括包含β相鈦合金或近β相鈦合金的基底。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的渦輪機(jī)部件，其特征在于，所述渦輪機(jī)部件包括翼型、密封件、渦輪殼體或分流器。
24.一種渦輪機(jī)部件，其包括基底；附著在所述基底上的擴(kuò)散緩沖層；和附著在所述擴(kuò)散緩沖層的與所述基底接觸的表面相對(duì)的表面上的防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中所述防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α-β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包括基底和在基底上形成的防護(hù)結(jié)構(gòu)的渦輪機(jī)部件，其中該防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α－β相鈦合金、β相鈦合金或近β相鈦合金。本發(fā)明還公開了一種用于為渦輪機(jī)部件提供防護(hù)結(jié)構(gòu)的工藝方法，該工藝方法包括將防護(hù)結(jié)構(gòu)附著在渦輪機(jī)部件上；其中該防護(hù)結(jié)構(gòu)包括α－β相鈦合金、近β相鈦合金或β相鈦合金。
文檔編號(hào)C22F1/18GK1757792SQ200510108530
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者M·F·X·吉利奧蒂, C·U·哈德維克, L·蔣, D·M·利普金, S·V·坦布 申請(qǐng)人:通用電氣公司