專利名稱：多合金渦輪機轉子段、焊接渦輪機轉子及其制造方法
多合金渦輪機轉子段、焊接渦輪機轉子及其制造方法技術領域
本發(fā)明所公開的主題大體上涉及多合金渦輪機轉子，并且更具體地涉及具有多個 焊接轉子段的多合金渦輪機轉子。
背景技術：
渦輪機轉子的工作溫度沿著轉子的長度而改變，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子材料和轉子的制造變得復 雜，因為單一化學組分(chemistry)的整體轉子(即并非組件的轉子)不能滿足渦輪機的 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，渦輪機轉子例如用于工業(yè)燃氣渦輪機的渦輪機轉子，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度，但合適材料通常必須具有非常高 的韌性，因為在排氣區(qū)域中使用的更長的渦輪機葉片所產(chǎn)生的更高負載。為了適應轉子的 性能，并限制更高成本、高溫、高強度合金僅應用到轉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，通過組裝不同化學組分的段而構造的轉子被廣泛地使 用。用于燃氣渦輪機和噴氣發(fā)動機的轉子經(jīng)常通過將一系列的盤和軸一起螺栓連接來構造 而成。例如，大型蒸汽渦輪機通常具有螺栓連接的結構，其由容納在單獨的殼或罩中的用來 在渦輪機的不同段中使用的單獨轉子組成。較小的蒸汽渦輪機可使用中跨(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構 的轉子被廣泛地使用，但是，它們經(jīng)受著幾個缺點，包括，零部件數(shù)量增加，組裝要求增加， 轉子組件的長度增加，及與實現(xiàn)轉子組件所必需的平衡相關的復雜性增加。
一件式或整體式多合金渦輪機轉子已被開發(fā)，以在所需要的地方提供高溫、高強 度合金，例如在轉子的HP段和IP段中，并用來在轉子的溫度較低部分中，例如LP段中，利 用成本較低、強度較低、韌性高的合金。雖然整體式多合金轉子是已知的，但是，需要用來制 造它們以作為大型轉子鍛件的材料和工藝復雜而且昂貴。而且，替換特定的轉子段一般是 不可能的，從在渦輪機工作壽命期間的維護成本和簡易性的觀點來看，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、多合金轉子；然而，由于下面 的通常與不類似合金焊接接頭相關的一個或多個相關因素，它們的使用被限制了。一個相 關因素是由于熔池中很大差異化學組分的混合所產(chǎn)生的高的焊接裂紋敏感性，其導致在寬 的溫度范圍內(nèi)的凝固，而這又會在焊接中產(chǎn)生相應的寬的熔化點范圍。另一個相關因素是 某些機制引起的熱影響區(qū)裂紋，該機制例如，由低熔化溫度相而導致的晶間偏析，例如共晶 相或應變老化裂紋。還有另一個相關因素是，由于具有很大差異化學組分的合金混合而形 成復雜相，使得焊接接頭機械性能差，例如拉伸強度，延展性，高周疲勞和低周疲勞，蠕變斷 裂，斷裂韌性，等等。還有另一個相關因素是，由于跨過焊接接頭的熱膨脹失配導致的高瞬 時熱應變。另一個相關因素是，由于在焊接接頭中的復雜亞穩(wěn)相，和可導致在焊接接頭中形成易碎相的擴散效應，例如各種晶間相，使得在高溫工作中具有長期微觀結構不穩(wěn)定性的 可能性。而還有另一個相關因素是碳偏析，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組 分不同而導致的。這種影響可導致關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轉子的方法涉及到，在一個或兩個轉子段 的接合面上有不同化學組分的熔焊包層(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組分的層。在焊接預成型件之前，先對該包層進行熱處理和機械加工。 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因ο
雖然已知各種多合金焊接渦輪機轉子結構和用來制造它們的方法，但是，所有已 知的構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因素。
因此，希望有能減少或消除與焊接不類似金屬相關的相關因素的焊接多合金轉子 結構和制造它們的方法。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、多段焊接渦輪機轉子的方法。該 方法包括，提供具有整體結構的鍛造多合金轉子段，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子 段，和包括第二合金組分的第二轉子段。該方法還包括，將第一轉子段焊接到第一焊接面 上，以及將第二轉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、多段焊接渦輪機轉子。該轉子包括具 有整體結構的多合金轉子段，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，該整體結構具有鍛造的晶粒形態(tài)。該轉子還包括具有第一合金組分的第一 轉子段，第一轉子段通過第一焊接接頭而連接到第一焊接面上。該轉子還包括具有第二合 金組分的第二轉子段，第二轉子段通過第二焊接接頭而連接到第二焊接面上的第二轉子段 上。
根據(jù)本發(fā)明的還有另一個方面，提供了多合金轉子段。該多合金轉子段具有整體 微觀結構，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，該整體結構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利要求中具體地指出并清楚地主張權利。從與 附圖結合的下述詳細描述中，可以清楚了解本發(fā)明的前述特征和優(yōu)點及其它特征和優(yōu)點， 其中
圖IA和圖IB是如本文中所公開的，制造多合金、多段焊接渦輪機轉子的方法和通 過該方法制造的焊接轉子的示意圖2A顯示了如本文中所公開的，用鍛造多合金轉子段來制造鍛造多合金轉子的 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，制造多合金鍛造預成型件和鍛造該預成型件以形 成多合金轉子段的方法的一個示范性實施例的示意圖4A-4J是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預成型件和鍛造該預成型件以形 成多合金轉子段的方法的第二個示范性實施例的示意圖5A和圖5B是如本文中所公開的，制造多合金、多段焊接渦輪機轉子的方法和通 過該方法制造的焊接轉子的第二個示范性實施例的示意圖6A-6F是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預成型件和鍛造該預成型件以形 成多合金轉子段的方法的第三個示范性實施例的示意圖7是如本文中所公開的，制造多合金、多段焊接渦輪機轉子的方法和通過該方 法制造的焊接轉子的第三個示范性實施例的示意圖8A-8D是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預成型件和鍛造該預成型件以形 成多合金轉子段的方法的第四個示范性實施例的示意圖；和
圖9A-9D是如本文中所公開的，制造多合金鍛造預成型件和鍛造該預成型件以形 成多合金轉子段的方法的第五個示范性實施例的示意圖
在附圖中所采用的命名中，一般地，帶下劃線的要素是關于方法而采用的。詳細描 述中根據(jù)附圖并通過示例的方式，解釋了本發(fā)明的實施例、優(yōu)點和特征。
零部件清單
權利要求
1.一種制造多合金、多段焊接渦輪機轉子的方法(100)，所述方法(100)包括提供(110)具有整體結構的鍛造多合金轉子段(20)，所述轉子段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 的第一轉子段(50)，和包括所述第二合金 組分(62)的第二轉子段(60)；將所述第一轉子段(50)焊接(140)到所述第一焊接面上(34)；和將所述第二轉子段(60)焊接(150)到所述第二焊接面G4)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述鍛造多合金轉子段00)通過 方法(200)提供，所述方法(200)包括形成(210)多合金鍛造預成型件；和鍛造(220)所述多合金鍛造預成型件(21)，以形成所述具有整體結構的鍛造多合金轉 子段。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金鍛造預成型件通過下面 的方法(300)形成形成(310)多合金粉末預成型件(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(320)所述粉末預成型件以燒結和壓實所述第一合金組分(32)的粉末并形 成所述第一合金(30)，并燒結和壓實所述第二合金組分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)構成所述多合金鍛造預成型件01)。
4.根據(jù)權利要求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。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法000)，其特征在于，所述多合金轉子段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)權利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金鍛造預成型件通過下面 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成型件01)。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法(500)，其特征在于，通過形成(310)粉末預成型件來提 供所述多合金電極(512)，所述粉末預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(320)所述粉末預成型件，以燒結和壓實所述第一合金組分(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)權利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金鍛造預成型件通過下面 的方法(700)形成形成第一合金(30)的預成型件；和在所述預成型件上沉積(710，910)所述第二合金(40)，以形成所述多合金鍛造預成型 件 01)。
9.一種多合金、多段焊接渦輪機轉子(10)，所述轉子包括具有整體微觀結構和縱向軸線04)的多合金轉子段(20)，所述轉子段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)，所述整體結構具有鍛造的微觀結構；包括所述第一合金組分的第一轉子段，所述第一轉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子段，所述第二轉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)權利要求9所述的渦輪機轉子(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，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轉子段、焊接渦輪機轉子及其制造方法。提供了一種制造多合金、多段焊接渦輪機轉子(10)的方法(100)，該方法(100)包括，提供(110)具有整體微觀結構的鍛造多合金轉子段，該轉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)的第一轉子段(50)，和包括第二合金組分(62)的第二轉子段(60)。該方法(100)還包括，將第一轉子段(50)焊接(140)到第一焊接面上(34)，以及將第二轉子段(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