[发明专利]用于减少带护罩的翼型件中的晶粒边界的系统和方法

说明书

技术领域

本发明大体而言涉及由超合金铸造制成的燃气轮机构件。特别地，本发明描述且实施了一种带局部单晶粒(single grain)结构的涡轮轮叶(blade)护罩，和用于制造这种涡轮轮叶护罩的方法。

背景技术

涡轮通常包括多级旋转轮叶，也被称作涡轮叶片(turbine bucket)，其在周向位于转子周围。每个涡轮叶片通常包括连接到转子的根部、从根部在径向延伸的翼型部(airfoil portion)、以及在涡轮叶片的外径向端部连接到翼型部的护罩部(shroud portion)。流经涡轮的工作流体使得涡轮叶片和转子旋转以做功。在护罩部每一侧上的支承表面允许相邻涡轮叶片在外部径向极端处联锁。涡轮叶片的这种径向联锁防止涡轮叶片振动，从而减小了在操作期间给予涡轮叶片的应力。

涡轮叶片常常由熔融金属铸造而成，且定向凝固的涡轮叶片铸造通常用于改进涡轮叶片的效率和性能超过先前用常规铸造可实现的效率和性能。在定向凝固铸造中，熔融金属被供应到竖直定向的涡轮叶片模具，竖直定向的涡轮叶片模具具有用于涡轮叶片的根部、翼型件和护罩部的腔。位于模具下端，例如与模具根部相邻的冷却板在径向移除热且沿着模具形成竖直温度梯度。竖直温度梯度促进定向凝固晶粒垂直于冷却板自根部、穿过翼型部且止于护罩部的生长。但是，模具形状的角度、弯曲、凹陷和其它变化更改晶粒生长方向，导致随着熔融金属冷却生成多个定向凝固的晶粒。多个定向凝固的晶粒在模具的竖直最高部(例如涡轮叶片的护罩部)会聚。多个定向凝固晶粒的会聚导致在涡轮叶片的护罩部中的多个晶粒边界。

在涡轮叶片的护罩部中的多个晶粒边界的特征在于高界面能、相对较弱的结合以及易于断裂的路径。因此，护罩部可更易于过早出现腐蚀、蠕变、疲劳故障、开裂和其它故障机制。这可为在正常操作期间经历额外应力和疲劳循环的护罩部的支承表面的特别关注的问题。因此，用于减少在涡轮叶片的护罩部中晶粒边界的系统和方法可能是有用的。

发明内容

本发明的方面和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。

本发明的一实施例是一种涡轮叶片。该涡轮叶片包括翼型件和在翼型件一端的护罩。护罩包括第一支承表面和第二支承表面，且第一支承表面和第二支承表面各包括单晶粒结构。

本发明的另一实施例是用于铸造定向凝固的涡轮叶片的系统。该系统包括模具，该模具具有在第一端，限定涡轮叶片的柄部的第一部分；连接到第一部分，限定涡轮叶片的翼型件的第二部分；以及，在第二端，连接到第二部分，限定涡轮叶片的护罩的第三部分。第三部分包括第一侧和第二侧，且单晶选择器连接到第三部分的第一侧和第二侧中的至少一个。

本发明的再一实施例是用于形成定向凝固的涡轮叶片的方法。该方法包括将模具竖直地定向，其中该模具包括限定涡轮叶片的柄部的第一部分；连接到第一部分，限定涡轮叶片的翼型件的第二部分；以及，连接到第二部分，限定涡轮叶片的护罩的第三部分，其中第三部分包括第一侧和第二侧，且其中第一部分高于第二部分且第二部分高于第三部分。该方法还包括使熔融金属流到模具内且在第三部分的第一侧和第二侧中的至少一个中选择性地生长大的单晶粒。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

在说明书的其余部分中并参考附图向本领域技术人员更特定地陈述了全面并可实施的公开内容，包括其最佳实施方式，在附图中：

图1是根据本发明的一实施例的涡轮叶片的侧视图；

图2是图1所示的涡轮叶片的顶视平面图；

图3是据本发明的一实施例构造的相邻涡轮叶片的顶视平面图；以及

图4是根据本发明的一实施例用于铸造定向凝固的涡轮叶片的系统。