專利名稱：多合金渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子段、焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子及其制造方法
多合金渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子段、焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子及其制造方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明所公開的主題大體上涉及多合金渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，并且更具體地涉及具有多個 焊接轉(zhuǎn)子段的多合金渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的工作溫度沿著轉(zhuǎn)子的長度而改變，其中第一級具有最高溫度，隨后 的級一般具有逐漸較低的溫度。不同的工況使得選擇合適的轉(zhuǎn)子材料和轉(zhuǎn)子的制造變得復(fù) 雜，因?yàn)閱我换瘜W(xué)組分(chemistry)的整體轉(zhuǎn)子(即并非組件的轉(zhuǎn)子)不能滿足渦輪機(jī)的 低壓(LP)段或低壓級、中壓(IP)段或中壓級和高壓(HP)段或高壓級中每一個的性能要 求。例如，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子例如用于工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，其入口區(qū)域和排氣區(qū)域具有 不同的材料性能要求。高溫入口區(qū)域通常要求具有高蠕變斷裂強(qiáng)度但僅中等韌性的材料。 排氣區(qū)域，在另一方面，不要求相同級別的高溫蠕變強(qiáng)度，但合適材料通常必須具有非常高 的韌性，因?yàn)樵谂艢鈪^(qū)域中使用的更長的渦輪機(jī)葉片所產(chǎn)生的更高負(fù)載。為了適應(yīng)轉(zhuǎn)子的 性能，并限制更高成本、高溫、高強(qiáng)度合金僅應(yīng)用到轉(zhuǎn)子的需要這些合金的部分，并且在需 要這些合金的地方保證高韌性和其它性能，已經(jīng)利用了各種方法。
由于上面所討論的原因，通過組裝不同化學(xué)組分的段而構(gòu)造的轉(zhuǎn)子被廣泛地使 用。用于燃?xì)鉁u輪機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子經(jīng)常通過將一系列的盤和軸一起螺栓連接來構(gòu)造 而成。例如，大型蒸汽渦輪機(jī)通常具有螺栓連接的結(jié)構(gòu)，其由容納在單獨(dú)的殼或罩中的用來 在渦輪機(jī)的不同段中使用的單獨(dú)轉(zhuǎn)子組成。較小的蒸汽渦輪機(jī)可使用中跨(mid-span)的 聯(lián)接器將高溫部件和低溫部件用螺栓連接在一起并處于一個殼中。雖然具有螺栓連接結(jié)構(gòu) 的轉(zhuǎn)子被廣泛地使用，但是，它們經(jīng)受著幾個缺點(diǎn)，包括，零部件數(shù)量增加，組裝要求增加， 轉(zhuǎn)子組件的長度增加，及與實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子組件所必需的平衡相關(guān)的復(fù)雜性增加。
一件式或整體式多合金渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子已被開發(fā)，以在所需要的地方提供高溫、高強(qiáng) 度合金，例如在轉(zhuǎn)子的HP段和IP段中，并用來在轉(zhuǎn)子的溫度較低部分中，例如LP段中，利 用成本較低、強(qiáng)度較低、韌性高的合金。雖然整體式多合金轉(zhuǎn)子是已知的，但是，需要用來制 造它們以作為大型轉(zhuǎn)子鍛件的材料和工藝復(fù)雜而且昂貴。而且，替換特定的轉(zhuǎn)子段一般是 不可能的，從在渦輪機(jī)工作壽命期間的維護(hù)成本和簡易性的觀點(diǎn)來看，這也是不希望的。
也已經(jīng)提出通過焊接不類似金屬合金而制造的多段、多合金轉(zhuǎn)子；然而，由于下面 的通常與不類似合金焊接接頭相關(guān)的一個或多個相關(guān)因素，它們的使用被限制了。一個相 關(guān)因素是由于熔池中很大差異化學(xué)組分的混合所產(chǎn)生的高的焊接裂紋敏感性，其導(dǎo)致在寬 的溫度范圍內(nèi)的凝固，而這又會在焊接中產(chǎn)生相應(yīng)的寬的熔化點(diǎn)范圍。另一個相關(guān)因素是 某些機(jī)制引起的熱影響區(qū)裂紋，該機(jī)制例如，由低熔化溫度相而導(dǎo)致的晶間偏析，例如共晶 相或應(yīng)變老化裂紋。還有另一個相關(guān)因素是，由于具有很大差異化學(xué)組分的合金混合而形 成復(fù)雜相，使得焊接接頭機(jī)械性能差，例如拉伸強(qiáng)度，延展性，高周疲勞和低周疲勞，蠕變斷 裂，斷裂韌性，等等。還有另一個相關(guān)因素是，由于跨過焊接接頭的熱膨脹失配導(dǎo)致的高瞬 時熱應(yīng)變。另一個相關(guān)因素是，由于在焊接接頭中的復(fù)雜亞穩(wěn)相，和可導(dǎo)致在焊接接頭中形成易碎相的擴(kuò)散效應(yīng)，例如各種晶間相，使得在高溫工作中具有長期微觀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的 可能性。而還有另一個相關(guān)因素是碳偏析，硼偏析，和在焊接后的熱處理期間或在長期使用 期間其它元素越過焊接擴(kuò)散區(qū)的偏析。這種偏析是由于焊接金屬和母材金屬之間的化學(xué)組 分不同而導(dǎo)致的。這種影響可導(dǎo)致關(guān)鍵性能和裂紋敏感性的劣化。
過去用于不類似合金焊接以形成渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方法涉及到，在一個或兩個轉(zhuǎn)子段 的接合面上有不同化學(xué)組分的熔焊包層(clad layer)的積聚。該包層包括那些具有一致 的或不同的合金化學(xué)組分的層。在焊接預(yù)成型件之前，先對該包層進(jìn)行熱處理和機(jī)械加工。 該方法昂貴、耗時，并且也可能并不能減輕上面所述的涉及不類似金屬焊接的一些相關(guān)因ο
雖然已知各種多合金焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和用來制造它們的方法，但是，所有已 知的構(gòu)造涉及到不類似金屬的焊接，并在不同程度上涉及上面所述的相關(guān)因素。
因此，希望有能減少或消除與焊接不類似金屬相關(guān)的相關(guān)因素的焊接多合金轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu)和制造它們的方法。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制造多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方法。該 方法包括，提供具有整體結(jié)構(gòu)的鍛造多合金轉(zhuǎn)子段，其包括具有第一合金組分的第一合金， 和具有第二合金組分的第二合金，在第一端上包括第一合金的第一焊接面，以及在相反的 第二端上包括第二合金的第二焊接面。該方法還包括，提供包括第一合金組分的第一轉(zhuǎn)子 段，和包括第二合金組分的第二轉(zhuǎn)子段。該方法還包括，將第一轉(zhuǎn)子段焊接到第一焊接面 上，以及將第二轉(zhuǎn)子段焊接到第二焊接面上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子包括具 有整體結(jié)構(gòu)的多合金轉(zhuǎn)子段，其包括具有第一合金組分的第一合金，和具有第二合金組分 的第二合金，在第一端上包括第一合金的第一焊接面，和在相反的第二端上包括第二合金 的第二焊接面，該整體結(jié)構(gòu)具有鍛造的晶粒形態(tài)。該轉(zhuǎn)子還包括具有第一合金組分的第一 轉(zhuǎn)子段，第一轉(zhuǎn)子段通過第一焊接接頭而連接到第一焊接面上。該轉(zhuǎn)子還包括具有第二合 金組分的第二轉(zhuǎn)子段，第二轉(zhuǎn)子段通過第二焊接接頭而連接到第二焊接面上的第二轉(zhuǎn)子段 上。
根據(jù)本發(fā)明的還有另一個方面，提供了多合金轉(zhuǎn)子段。該多合金轉(zhuǎn)子段具有整體 微觀結(jié)構(gòu)，其包括具有第一合金組分的第一合金部分，和具有第二合金組分的第二合金部 分，在第一端上包括第一合金的第一焊接面，和在相反的第二端上包括第二合金的第二焊 接面，該整體結(jié)構(gòu)具有鍛造的晶粒形態(tài)。


本發(fā)明的主題在本說明書所附的權(quán)利要求中具體地指出并清楚地主張權(quán)利。從與 附圖結(jié)合的下述詳細(xì)描述中，可以清楚了解本發(fā)明的前述特征和優(yōu)點(diǎn)及其它特征和優(yōu)點(diǎn)， 其中
圖IA和圖IB是如本文中所公開的，制造多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方法和通 過該方法制造的焊接轉(zhuǎn)子的示意圖2A顯示了如本文中所公開的，用鍛造多合金轉(zhuǎn)子段來制造鍛造多合金轉(zhuǎn)子的 方法的流程圖2B顯示了如本文中所公開的，制造鍛造多合金轉(zhuǎn)子段的方法的流程圖3A-3I是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預(yù)成型件和鍛造該預(yù)成型件以形 成多合金轉(zhuǎn)子段的方法的一個示范性實(shí)施例的示意圖4A-4J是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預(yù)成型件和鍛造該預(yù)成型件以形 成多合金轉(zhuǎn)子段的方法的第二個示范性實(shí)施例的示意圖5A和圖5B是如本文中所公開的，制造多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方法和通 過該方法制造的焊接轉(zhuǎn)子的第二個示范性實(shí)施例的示意圖6A-6F是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預(yù)成型件和鍛造該預(yù)成型件以形 成多合金轉(zhuǎn)子段的方法的第三個示范性實(shí)施例的示意圖7是如本文中所公開的，制造多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方法和通過該方 法制造的焊接轉(zhuǎn)子的第三個示范性實(shí)施例的示意圖8A-8D是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預(yù)成型件和鍛造該預(yù)成型件以形 成多合金轉(zhuǎn)子段的方法的第四個示范性實(shí)施例的示意圖；和
圖9A-9D是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預(yù)成型件和鍛造該預(yù)成型件以形 成多合金轉(zhuǎn)子段的方法的第五個示范性實(shí)施例的示意圖
在附圖中所采用的命名中，一般地，帶下劃線的要素是關(guān)于方法而采用的。詳細(xì)描 述中根據(jù)附圖并通過示例的方式，解釋了本發(fā)明的實(shí)施例、優(yōu)點(diǎn)和特征。
零部件清單
權(quán)利要求
1.一種制造多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的方法(100)，所述方法(100)包括提供(110)具有整體結(jié)構(gòu)的鍛造多合金轉(zhuǎn)子段(20)，所述轉(zhuǎn)子段00)包括具有第一合 金組分(3 的第一合金(30)，和具有第二合金組分0 的第二合金(40)，在第一端(36) 上包括所述第一合金(30)的第一焊接面，以及在相反的第二端G6)上包括所述第二合金 (40)的第二焊接面(44)；提供(120，130)包括所述第一合金組分(5 的第一轉(zhuǎn)子段(50)，和包括所述第二合金 組分(62)的第二轉(zhuǎn)子段(60)；將所述第一轉(zhuǎn)子段(50)焊接(140)到所述第一焊接面上(34)；和將所述第二轉(zhuǎn)子段(60)焊接(150)到所述第二焊接面G4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述鍛造多合金轉(zhuǎn)子段00)通過 方法(200)提供，所述方法(200)包括形成(210)多合金鍛造預(yù)成型件；和鍛造(220)所述多合金鍛造預(yù)成型件(21)，以形成所述具有整體結(jié)構(gòu)的鍛造多合金轉(zhuǎn) 子段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金鍛造預(yù)成型件通過下面 的方法(300)形成形成(310)多合金粉末預(yù)成型件(21)，其包括第一部分(352)和第二部分(356)，所述 第一部分(35 包括具有所述第一合金組分(3 的粉末，且所述第二部分(356)包括具有 所述第二合金組分0 的粉末；和固結(jié)(320)所述粉末預(yù)成型件以燒結(jié)和壓實(shí)所述第一合金組分(32)的粉末并形 成所述第一合金(30)，并燒結(jié)和壓實(shí)所述第二合金組分0 的粉末以形成所述第二合金 (40)，所述第一合金(30)和所述第二合金GO)構(gòu)成所述多合金鍛造預(yù)成型件01)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法000)，其特征在于，所述第一合金(30)或所述第二合 金GO)中的一個位于另一個的徑向內(nèi)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法000)，其特征在于，所述多合金轉(zhuǎn)子段00)具有縱向 軸線(M)，并且所述第一合金(30)和所述第二合金GO)軸向地分開。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金鍛造預(yù)成型件通過下面 的方法形成提供(510)具有電極軸線(5M)的多合金電極(512)，將包括所述第一合金組分(32) 的第一電極部分(514)連接到包括所述第二合金組分0 的軸向分開的第二合金部分 (516)上；和熔化(520)所述多合金電極(512)，以形成所述多合金鍛造預(yù)成型件01)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法(500)，其特征在于，通過形成(310)粉末預(yù)成型件來提 供所述多合金電極(512)，所述粉末預(yù)成型件包括具有所述第一合金組分(3 的第一電極 粉末部分(352)，和具有所述第二合金組分0 的第二電極粉末部分(356)；和固結(jié)(320)所述粉末預(yù)成型件，以燒結(jié)和壓實(shí)所述第一合金組分(32)的所述粉末 和所述第二合金組分0 的所述粉末，以形成所述多合金電極(512)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金鍛造預(yù)成型件通過下面 的方法(700)形成形成第一合金(30)的預(yù)成型件；和在所述預(yù)成型件上沉積(710，910)所述第二合金(40)，以形成所述多合金鍛造預(yù)成型 件 01)。
9.一種多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(10)，所述轉(zhuǎn)子包括具有整體微觀結(jié)構(gòu)和縱向軸線04)的多合金轉(zhuǎn)子段(20)，所述轉(zhuǎn)子段00)包括具有 第一合金組分(3 的第一合金(30)，和具有第二合金組分0 的第二合金(40)，在第一 端(36)上包括所述第一合金(30)的第一焊接面(34)，以及在相反的第二端G6)上包括所 述第二合金GO)的第二焊接面(44)，所述整體結(jié)構(gòu)具有鍛造的微觀結(jié)構(gòu)；包括所述第一合金組分的第一轉(zhuǎn)子段，所述第一轉(zhuǎn)子段通過第一焊接接頭連接到所述 第一焊接面上；和包括所述第二合金組分的第二轉(zhuǎn)子段，所述第二轉(zhuǎn)子段通過第二焊接接頭連接到所述 第二焊接面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(10)，其特征在于，所述第一合金(30)或所述 第二合金GO)中的一個繞所述縱向軸線04)定位在另一個的徑向內(nèi)側(cè)，或者沿著所述縱 向軸線軸向地分開，或者是這二者的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及多合金渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子段、焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子及其制造方法。提供了一種制造多合金、多段焊接渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(10)的方法(100)，該方法(100)包括，提供(110)具有整體微觀結(jié)構(gòu)的鍛造多合金轉(zhuǎn)子段，該轉(zhuǎn)子段包括具有第一合金組分(32)的第一合金(30)，和具有第二合金組分(42)的第二合金(40)，在第一端(36)上包括第一合金(30)的第一焊接面，和在相反的第二端(46)上包括第二合金(40)的第二焊接面(44)。該方法(100)還包括，提供(120，130)包括第一合金組分(52)的第一轉(zhuǎn)子段(50)，和包括第二合金組分(62)的第二轉(zhuǎn)子段(60)。該方法(100)還包括，將第一轉(zhuǎn)子段(50)焊接(140)到第一焊接面上(34)，以及將第二轉(zhuǎn)子段(60)焊接(150)到第二焊接面(44)上。
文檔編號B22F3/16GK102031995SQ201010506870
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者R·C·施萬特, S·加內(nèi)什 申請人:通用電氣公司