专利名称：燃气轮机喷嘴、发电燃气轮机、钴基合金与焊接材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用焊接修补的燃气轮机喷嘴、使用这种喷嘴的燃气轮机、适于作为修补喷嘴的焊接材料的钴基合金和焊接材料。
燃气轮机喷嘴(固定叶片)具有复杂的形状。因此，喷嘴用精密铸造制造。但是，由于带有精密铸造时产生的一处或多处缺陷的喷嘴遭受高温燃气流作用并由于其结构受到很大的约束力，在这些情况下当燃气轮机运转着时产生一处或多处裂纹。这样的当精密铸造时产生的一处或多处缺陷或当燃气轮机运转时产生的一处或多处裂纹通过钨极惰性气体保护焊来修补，采用一种焊接材料(焊接时加到焊接部分的金属)，利用这种材料焊接后形成具有要求的组合物的金属焊缝用于修补。用焊接修补的部分希望具有同喷嘴一样的高温特性。
作为燃气轮机喷嘴用的合金，一种包含(按重量计)0.20-0.30％C、0.75-1.0％Si、0.4-1.0％Mn、24.5-30.5％Cr、9.5-11.5％Ni、6.5-8.0％W、≤2％Fe、0.005-0.015％B、其余为Co的合金(表1，第8号的一种合金)被用于许多情况下。此外，为了改善各种高温特性，发明了各种合金组合物。例如，JP A61-546公开了高强度钴基耐热合金，其中一种包含(按重量计)0.01-1％C，15-40％Cr，0.01-2％Si，0.01-2％Mn，5-15％Ni，2-12％至少Mo和W之一，0.01-3％Al，0.05-5％Hf，其余为Co，而另一种除所述成分外还包含0.01-5％Ta和0.005-0.1％Zr。那些合金是为了改善高温强度同时改善热稳定性。JP A7-300643公开了一种耐热钴基铸造合金，它包含(按重量计)大于0.45％和不大于0.8％C，15-30％Cr，5-15％Ni，3-10％W，1-5％Re，0.01-1％Ti，0.01-1％Nb，0.01-1％Zr，不大于1％Si，不大于1％Mn，不大于1.5％Fe，另外必要时选自1-5％Ta、0.5-5％Hf、不大于0.1％B和0.05-0.5％Al中的至少一种，其余为Co和不可避免的杂质，并且公开了采用这种合金的燃气轮机固定叶片(喷嘴)。另外，同样地，JP A7-224337公开了一种耐热钴基铸造合金，它包含(按重量计)0.05-0.45％C，15-30％Cr，5-15％Ni，3-10％W，1-5％Ta，0.01-1％Zr，其余为Co，并且公开了采用这种合金的燃气轮机固定叶片(喷嘴)。但是，在将同那些喷嘴具有一样成分的一种合金用作为焊接材料的情况下将它拉成线材是不可能的，因为这种合金所具有的成分使锻造几乎是不可能的。因此，作为传统的焊接材料，采用具有与锻造性能有重要关系的成分的焊接材料，虽然具有同喷嘴体一样的高温特性这样一种性能有些损失。例如用于锻造的一种钴基合金(C0.10，Cr20，Ni10，W15，其余为Co)(表1合金第8号)用作为填充(焊接)材料，或者采用上述喷嘴合金作为填充材料，但其中碳含量从0.23％减至0.13％以便易于锻造，并且它包含(按重量计)0.13％C，29.82％Cr，10.22％Ni，6.77％W，其余为Co(表1合金第7号)。此外，WO97/10368公开一种合金，它包含(按重量计)0.11-0.20％C，20-30％Cr，15-22％Ni，5-15％Ta，0.05-0.7％Zr，其余为Co(表1，合金第5号)，还有JP A4-221035公开一种合金，它包含(按重量计)0.03-0.10％C，24-32％Cr，14-22％Ni，2-8％Ta，0.02-0.75％Ce，其余为Co。
近年来，为了改善发电效率，提高了燃气轮机的入口温度，以致燃烧温度比以前变得更高而喷嘴遭受到比以前更严峻的温度条件。在联合循环发电中，喷嘴承受严重的应力滞后而使由于反复起动和停车产生的热应力和运行期间的稳定应力叠加。因此，焊接材料也要求比前具有更高的蠕变强度和更优越的热疲劳特性。但是，特别是，虽然希望修补喷嘴用焊接材料具有与母体材料同样水平的高温特性，由于焊接材料需要是这样的合金成分，即考虑到作成线材用作焊条，它是可锻造的，并且它应当具有优越的可焊性，合金第6号、第7号等在许多情况中已作为焊接材料使用。然而，传统的填充焊条具有优点和缺点。亦即在晶粒边界出现各种脆的相，从而降低耐热疲劳性，并且沉积集结和变粗从而降低蠕变强度，即使它在蠕变强度和热冲击特性方面是优越的，拉成线材也是困难的，结果在焊条表面上留下裂纹或由于拉成线材的困难性而提高成本。
本发明的目的是提供通过焊接高度可靠修补的燃气轮机喷嘴、采用该喷嘴的燃气轮机、一种易于拉成线材和具有高蠕变破裂强度的钴基合金和一种钴基合金的焊接材料。
(1)在燃气轮机用的由一些导向叶片和设置在上述叶片的两端的侧壁构成的喷嘴中，本发明的特征在于喷嘴具有至少一处用多层焊缝修补的裂纹，多层焊缝是通过沿焊接宽度方向焊接3个最好3至4个焊道形成的，最好是，形成的多层焊缝高于焊接用槽周围部分的上表面一层，多层焊缝具有磨成同被修补的部分相邻的部分的表面同样高度的外表面；或者/以及喷嘴具有至少一处用多层焊缝修补的裂纹，其情况是该裂纹具有等于或大于10mm的长度，而形成的多层焊缝长度为10mm或更长。
(2)一种燃气轮机用的喷嘴，它由一些导向叶片和设置在上述导向叶片的两端的侧壁构成，并用一种钴基铸造合金制造，该合金包含，按重量计，0.20-0.30％C，不大于1.0％Si，不大于1.0％Mn，20-32％Cr，9-12％Ni，5-10％W，不大于5％Fe和0.0005-0.015％B，在上述这种喷嘴中本发明的特征在于所述喷嘴具有至少一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，所述多层焊缝由一种钴基合金构成，该合金包含，按重量计，0.03-0.10％C，不大于1.0％Si，不大于1.0％Mn，20-30％Cr，15-23％Ni，3-10％W，5-15％Ta和0.05-0.7％Zr.
(3)一种燃气轮机用的喷嘴，它由至少两个、最好2-5个导向叶片和设置在每个叶片的两端的侧壁构成以便使各叶片成为一个具有排成一列的导向叶片的整体，并用钴基铸造合金制造；在上述这种喷嘴中，本发明的特征在于所述喷嘴具有至少一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，该多层焊缝由一种钴基合金构成，在该合金中Ni按重量百分比计大于在喷嘴的钴基铸造合金中的含量，且C、Cr和W按重量百分比都小于钴基铸造合金中的含量，并包含Ta。作为焊接材料最好将C、Cr和W的含量比母体材料分别减少0.10-0.20％、3.0-5.0％、和1.0-2.5％，并将Ni的含量比母体材料增加8.0-12.0％。
(4)一种燃气轮机用的喷嘴，它由一些导向叶片和设置在每个叶片的两端的侧壁构成，并用钴基铸造合金制造，在上述这种喷嘴中，本发明的特征在于所述喷嘴至少具有一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，多层焊缝由一种钴基合金构成，该合金的含碳量为喷嘴用钴基铸造合金含碳量的0.10-0.40倍。
(5)在以上(2)、(3)或(4)项中所述燃气轮机用的喷嘴中，本发明的特征在于所述裂纹是用通过沿焊接宽度方向焊接3个或更多个焊道形成的多层焊缝修补的，且多层焊缝具有磨到同被修补的部分相邻的部分的表面一样的高度的外表面；或者/以及所述裂纹用多层焊缝修补，多层焊缝形成在10mm或更大的长度内。
(6)在如以上(2)项所述的燃气轮机用的喷嘴中，喷嘴由至少两个导向叶片和设置在每个导向叶片的两端的侧壁构成以便使各导向叶片成为具有排成一列的导向叶片的整体，并用钴基铸造合金制造，本发明的特征在于；所述喷嘴具有至少一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，该多层焊缝由一种钴基合金构成，该合金含Ni量按重量百分比计大于喷嘴用钴基铸造合金，，含C、Cr和W量按重量百分比计均小于钴基铸造合金，并包含Ta；或者/以及所述喷嘴具有至少一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，多层焊缝由一种钴基合金构成，该合金的含碳量为喷嘴的钴基铸造合金含碳量的0.10-0.40倍。
(7)在如以上(2)项所述的燃气轮机用的喷嘴中，喷嘴由一些导向叶片和设置在每个导向叶片的两端的侧壁构成，并用上述钴基铸造合金制造，本发明的特征在于所述喷嘴具有至少一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，所述多层焊缝由一种钴基合金构成，该合金的含碳量为喷嘴的钴基铸造合金含碳量的0.10-0.40倍；或者/以及喷嘴具有至少一处用通过焊接形成的多层焊缝修补的裂纹，所述多层焊缝由一种钴基合金构成，该合金的C、Cr和W的含量按重量百分比都小于钴基铸造合金的含量，并包含Ta。
(8)在如以上(6)或(7)项所述的燃气轮机用的喷嘴中，本发明的特征在于所述喷嘴具有至少一处用通过沿焊接宽度方向焊接3个或更多焊道形成的多层焊缝修补的裂纹，所述多层焊缝具有磨到同被修补的部分相邻的部分的表面一样高度的外表面；或/和所述裂纹用多层焊缝修补，多层焊缝形成在10mm或更大的长度内。
(9)本发明的特征在于一种钴基合金，它包含(按重量计)0.03-0.10％C，不大于1.0％Si，不大于1.0％Mn，20-30％Cr，15-23％Ni，3-10％W，5-10％Ta和0.05-0.7％Zr。
此外，本发明在于一种钴基合金，其特征在于它包含(按重量计)选自不大于1％Al和不大于2％Fe的至少一种元素；和/或包含(按重量计)选自0.05-1.0％Ti，0.05-0.5％Nb，和0.05-0.5％Hf的至少一种元素，和/或包含(按重量计)0.005-0.02％B。
(10)本发明在于一种焊接材料，其特征在于，它用这些钴基合金的一种制成，并制成线才、细棒材或金属粉末填在细钢管内的复合线材。
(11)在一种用于发电的燃气轮机中，燃气轮机包括空气压缩机、燃烧室、固定在涡轮盘上的涡轮叶片和面对涡轮叶片所设的喷嘴，本发明的特征在于燃烧气体对涡轮喷嘴第一级的入口温度为1250℃或更高，最好为1400-1600℃，并且燃气轮机喷嘴具有至少一处通过填充在裂纹内部的多层焊缝修补的裂纹。
涉及本发明的用于发电的燃气轮机，其特征在于包括如以上(1)至(8)任一项所述的用于燃气轮机的喷嘴。
在本发明中，在焊接宽度方向形成三焊道或更多焊道的一个焊缝，由此裂纹可以修补到这样的状况，即几乎不会因修好的裂纹引起故障。裂纹沿一主裂纹扩展并带有少数的分枝而分枝的长度是很小的。因此，需要通过机加工切去那个部分。切去部分的宽度约为10mm，并能够将其修补到几乎不会因沿主裂纹切去宽度10mm或更大而引起故障的状况。
此外，在本发明中通过实验发现，通过这样修补它使由修补形成的堆焊焊缝的长度变为10mm或更长，修补后在使用中并没有发生任何问题。
用于修补的焊接材料与基体(母体)材料密切相关。一种具有拉丝可塑性和高蠕变破裂强度的合金可通过与基体材料相比减少C、Cr和W的含量并包含特定的Ta含量来获得。此外，通过包含含碳量为基体材料含碳量的0.1-0.4倍改善可焊性并能保持高强度。
已发现在按照本发明的燃气轮机喷嘴中，尤其是，在排气的入口温度的很高温度级1500℃(1400-1600℃)时在第一级喷嘴上可能出现裂纹，那时出现的裂纹长度达到10mm或更长，和这样长度的裂纹成为一个问题，而燃气轮机喷嘴的特征为按照本发明进行前述修补工作。
一种钴基合金及其焊接材料的成分的特征在于Ni、Ta和Zr的含量分别为15-22％，5-10％和0.05-07％，以及这些含量大于传统合金的含量。借此，如以下所述，改善高温强度和抗热应力的效果可以通过将复合金属间化合物(Ni，Co)3Ta致密地沉积在母体相内，并使沉积于晶粒边界的化合物即使在高温下也是稳定的来获得。换句话说，在本发明中，要求大于某一定量的复合金属间化合物(Ni，Co)3Ta致密地沉积于母体相内。
利用上述结构，得到作为焊接材料合乎要求的特性，其特性是具有即使在高温下的足够的蠕变强度和高的高温强度与耐热疲劳性，同时保持这样的特性，即有足够的可塑性，即使在将其加工成细棒作为焊接材料的情况下也是如此，以及焊接过程中在焊接金属内并不出现裂纹(称为高温裂纹)。
在上述成分中，如果Ta和Zr在Ta为5.5-8％和Zr为0.1-0.5％的范围内，这是优选的，因为蠕变强度变得更大。
包含于按照本发明的焊接材料和喷嘴内的每一元素的作用说明如下。
Cr是一种重要元素，它在高温时在合金表面上形成致密的氧化膜和承担合金的耐腐蚀性。因此，在工业燃气轮机的高温零件处于腐蚀环境下时加入至少20％Cr。但是，对焊接材料加30％或更多和对喷嘴加32％或更多的Cr损失母体相的稳定性。同时Cr与C相结合形成许多碳化铬，其细的碳化铬在晶粒尺寸上约为0.5μm或更小用于改善高温强度。另一方面，大于0.5μm的碳化铬集结。变粗和对强度与耐腐蚀性起着不利的影响。因此，Cr的含量最好对焊接材料在20-30％和对喷嘴在20-32％的范围内。尤其是，25-30％是优选的。
当C对焊接材料C为0.3％或更多和对喷嘴C为0.20％或更多时，它与Cr形成碳化物并与Ta、Zr、Nb、Ti、Hf等形成金属陶瓷(MC)碳化物。细粒MC碳化物在它们中间显著改善蠕变强度和高温强度。一般当加的C量增加时，强度增高。然而，在本发明的合金中，它加有5-15％Ta，当增加含C量时，富Ta碳化物过度地沉积在晶粒边界而降低蠕变强度。因此，C含量的上限对焊接材料最好为0.1％而对喷嘴最好为0.30％，尤其是，C含量对焊接材料最好为0.04-0.095％，尤其是0.08-0.09％，而对喷嘴最好为0.20-0.27％。
Ni，通常，被称为保持合金母体相稳定性所需要的一种元素。然而，特别是，本发明的合金的特征为在母体相内致密地沉积一种复合金属间化合物(Ni，Co3)Ta，它改善高温强度和耐热疲劳性。因此，对焊接材料加至少15％Ni，对喷嘴加9％或更多的Ni，而对焊接材料加23％或更多和对喷嘴加12％或更多不可能预期有什么作用，所以15-23％对焊接材料是优选的，特别是19-22％。
Ta当含量为5％或更多时是形成MC碳化物的一种元素，但是，在本发明的合金中，它是形成复合金属间化合物(Ni，Co3)Ta和改善高温强度和耐热疲劳性的一种重要元素。但是，大量添加大于15％Ta，会使MC碳化物过度沉积于晶粒边界，蠕变强度反而降低，此外，还出现因焊接等引起的裂纹等问题。因此，Ta含量的上限最好是15％。另一方面，当Ta含量为5％或更少，复合金属间化合物(Ni，Co3)Ta的沉积量过少而不能期望有什么作用。在本发明的合金中，Ta含量在5-15％的范围内，特别是，最好在5.5-10％范围内。
W溶解于母体相并通过对焊接材料加3％或更多和对喷嘴加5％或更多改善蠕变强度。然而，当它少于3％时，不可能有什么作用，当多于10％时与Ta相结合的沉积物沉积于晶粒边界从而蠕变强度降低。因此，W含量的上限最好为10％，尤其是，4-7％是优选的。
0.05％或更多的Zr是作为强化晶粒边界的元素的一种重要元素，特别是，在本发明的合金中，它使更致密地沉积复合金属间化合物(Ni，Co3)Ta和用于改善蠕变强度与热疲劳特性，因此它是一种主要的元素。由于少于0.05％的添加量的作用是很小的，0.05％或更多是最好的。此外由于当添加量为0.70％或更多时可焊性降低，上限最好为0.7％。特别是，0.1-0.5％是优选的。
Ti是形成碳化物的一种元素，且添加Ti沉积细粒碳化物和改善高温强度。它形成有点类似于上述复合金属间化合物(Ni，Co)3Ta的(Ni，Co)3Ti并用于改善高温强度。然而，当含量少于0.05％不可能有什么作用，而即使添加1％或更多其作用也是很小的，因此0.05-1％是合适的，特别是，0.1-0.6％是优选的。
Nb的含量为0.05％或更多时，它与C结合形成MC碳化物，借此改善高温强度。然而，过分添加大于0.5％时将该碳化物沉积于晶粒边界而降低高温强度。因此，0.05-0.5％是优选的，特别是，以很小的Nb添加量与Ti，Hf等一起显示出作用。
Hf，当0.05％或更多时，被称为形成碳化物并同时强化晶粒边界的一种元素，但是，在本发明的合金中，添加0.5％或更多不可能期望更多的作用。因此，0.05-0.5％是优选的。
B，当添加0.0005％或更多时，作为强化晶粒边界以改善高温韧性的一种元素。但是，相反，当它多于0.02％时，导致晶粒边界脆化，另外，可焊性也受影响。因此，0.005-0.02％是合适的，尤其是，0.005-0.01％是优选的。
Al具有在高温950℃或更高时在合金表面上形成致密的氧化膜和改善耐腐蚀性的作用。然而，在温度950℃或更低时，不能形成稳定的氧化膜，并且，相反使耐腐蚀性变坏。此外，在它固化过程中易形成有害的夹杂物，添加多于1％的Al使铸造性和可焊性变坏、因此，添加量最好为1％或更少。
在添加C和B的情况下，Fe合金例如Fe-C，Fe-B变成一种溶解原料。通过当作Fe合金添加它们，那些少量元素的溶解率增加了。因此，Fe应包含在合金内。添加2％或更多降低高温强度，因此最好将添加量控制在2％或更少。
Si和Mn是作为脱氧剂添加的，然而，真空熔炼技术的进步使今天不需要非添加它们不可。在大气中熔炼时，添加0.05％或更多是优选的。相反，添加大于1％时在铸造过程中形成有害夹杂物而降低强度，除此而外，长期使用导致材料的脆化，所以最好对每一元素为1％或更少，特别是，对焊接材料为0.05-0.5％Si和0.1-0.5％Mn，而对喷嘴为0.6-1.0％Si和0.3-0.6％Mn，这都是优选的。
上述钴基铸造合金可用于按照本发明的燃气轮机喷嘴。钴基铸造合金是更优选的，它包含(按重量计)0.20-0.30％C，0.3-1.0％Si，0.2-1.0％Mn，24.5-30.5％Cr，9.5-11.5％Ni，6.0-8.0％W，不大于2％Fe和0.002-0.015％B。每种元素添加的理由大致与焊接材料是一样的，但C等的含量考虑到强度不同于焊接材料。
第一级喷嘴因为它首先受到燃气作用，所以遭受到最高的温度，并承受因燃气轮机反复起动和停车引起的显著热应力与热冲击。在一台燃气轮机中其燃气温度为1400-1600℃，采用一种钴基铸造合金，即使考虑了冷却能力，其使用温度在105小时6kgf/mm2时为900℃，并且两列导向叶片是最好的。第二级或其后各级的喷嘴的温度没有第一级喷嘴那样高，但是，金属的温度高于燃烧温度为1300℃级的传统燃气轮机的温度，因此，在105小时-14kgf/mm2时使用温度为800℃的一种镍基铸造合金是最好的。
喷嘴构件在某些情况下须经焊接以便修补制造时引起的铸造缺陷，和/或修补因装配后产生的热应力和采用内部冷却部件导致的一处裂纹或多处裂纹。喷嘴构件用材料的焊接性能根据在由一焊道的钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)形成的焊道内部是否出现裂纹来评价，该焊道长80mm和宽4mm，并且材料最好是对要进行的焊接不预热也不会出现裂纹。虽然预热是最好的以便尽可能不产生裂纹但预热温度最好为400℃或更低。
在发电用燃气轮机中，为了达到上述目的，对第一级涡轮喷嘴燃气的入口温度为1400-1600℃，优选地，1450-1550℃，第一级涡轮叶片的金属的温度为920℃或更高，燃气轮机排气温度为590℃或更高和650℃或更低，燃气轮机发电效率达37％或更高。这里，发电效率用LHV(低热值)表示。在按照本发明的发电燃气轮机中，第一级叶片用镍基单晶合金或镍基柱状晶粒合金制造，其在105小时-14kgf/mm2时的使用温度为920℃，第二级或后级涡轮叶片用镍基柱状晶体合金或镍基等轴晶体合金制造，其在105小时-14kgf/mm2时的使用温度为800℃。
对于第一级叶片，采用单晶铸造的或单向固化铸造的镍基合金。这里，单晶铸造是一种铸造方法，其中整个产品通过沿一个方向固化基本上没有晶粒边界。单向固化铸造是一种铸造方法，它只有基本上平行于一固化方向由单向固化形成的晶粒边界。这些合金比用通常的铸造方法形成的等轴晶粒结构铸造具有更高的蠕变强度，特别是，单晶铸造具有最高的使用温度。甚至在采用单向固化铸造的情况下连同采用防热涂层能够达到与采用单晶叶片的情况下同样的作用。
对于第一级喷嘴材料，要求耐热疲劳性、耐腐蚀性和考虑到修补的可焊性，但是，为了满足所有这些性能，对第一级喷嘴最适于采用设有含陶瓷层的防热涂层的钴基合金，而对第一级叶片最适于采用设有含陶瓷层的防热涂层的单向固化铸造的镍基合金或采用单晶铸造的镍基合金。
由以上所述，在用于发电的燃气轮机中，按照本发明，它包括压缩机、燃烧室、固定在涡轮盘上的三级或更多级涡轮叶片、以及三级或更多级的面对上述涡轮叶片安装的涡轮喷嘴，以下材料和结构的任一种是优选的(1)优选地，第一级涡轮叶片每一个均用单晶铸造或单向固化铸造的镍基合金制造，第一级涡轮喷嘴每一个均用设有防热层的钴基合金铸件制造，而第二级和后级涡轮叶片和涡轮喷嘴每一个均用镍基合金铸件制造。
(2)第一级涡轮叶片每一个均用设有防热层的镍基合金的单向固化铸件制造，第一级涡轮喷嘴每一个均用设有防热层的钴基合金铸件制造，第二级和后级涡轮叶片和涡轮喷嘴每一个均用镍基合金铸件制造。
为了改善燃气轮机的热效率，最有效的是如上所述提高燃气的温度。考虑到结合采用叶片和喷嘴的高级冷却技术和防热涂层技术，当作为第一级涡轮叶片的使用或工作金属温度取温度为920℃或更高时，作为对第一级喷嘴的燃气入口温度可以取特别是1450-1550℃的温度，从而燃气轮机的发电效率能提高到37％或更高。发电效率在这种情况下用LHV形式表达。此外，通过为涡轮排气温度为590-650℃的设计，在具有蒸气温度530℃或更高的蒸气轮机与具有燃气轮机喷嘴入口温度1400℃或更高的燃气轮机结合而构成组合发电系统的情况下其总发电效率能够提高到55％或更高，能够提供极好的高效率发电系统。最好，蒸气涡轮具有一个单转子腔室，并且它是具有高压侧和低压侧结合的整体式转子的高压侧和低压侧结合的蒸汽涡轮，转子上装有一些叶片，其叶片部分的长度为30英寸或更长。
图1是透视图，示出用于高温强度和腐蚀试验的焊接部分试件的取出位置；图2是TIG焊接设备的局部剖视图；图3是透视图，示出用于热冲击试验的试件的取出位置；图4是按照本发明的燃气轮机的旋转部分的剖视图；图5是图4中燃气轮机的涡轮叶片和喷嘴部分的放大图；图6是按照本发明的燃气轮机的第一级喷嘴的透视图；图7是图6中第一级喷嘴的导向叶片部分的透视图；和图8是透视图，示出第一级喷嘴的裂纹和焊接用槽形状。
实施方案1表1示出按照本发明所用合金和对比合金的化学成分(重量％)。化学成分中，每一合金的其余部分是Co。合金第1-4号是用于按照本发明的焊条(填充焊条)的合金，而合金第5-7号是用于对比焊条的合金。在按照本发明的焊条中，含氧量为0.003％或更少，含氮量为0.003-0.015％。最近发现对比合金第5号存在难以拉成线材的问题，并包含裂纹和外来物质。第6和第7号是用于焊条的合金，它们是出售的。此外，第8号是燃气轮机喷嘴用的钴基铸造合金，并用为堆焊(焊接)的母体材料。由第1-5号的合金制的焊条是这样制成的，即，热锻由高频熔炼法熔炼的重量100N的坯料，然后进行上述热型锻和拉丝加工工艺。在型锻过程中，它在电炉内被加热到1150-1200℃，然后减到16mm的直径。其中一次加工的减小率为20％的型锻被重复进行，直到直径为16mm型锻过程以后，以热加工拉制到1.7-1.8mm的直径，最后制成标定直径为1.6mm和长度为1,000mm的焊条。此外，在拉丝过程中，同样将一次加工的减小率定为20％，每次拉丝加工及型锻进行退火，并且该拉丝加工重复进行。合金第5号不是最好的，原因是在拉丝的过程中在表面上包含裂纹和外来物质。
以下描述用于测试焊接金属的可焊性和高温特性的焊接试件的一种生产方法。
表1
接表1右
图1为一透视图，表示出一条焊槽的形状和取出一高温强度试件101(拉伸、蠕变和低循环疲劳试验)和腐蚀试件102的要点。附图标记103表示多层焊缝，它是用堆焊成多层形成的一个焊缝。在焊接电流80A、焊接速度为8-10cm/min和层间温度≤100℃的焊接条件下，TIG焊接用图2所示焊接设备进行，其中201是气体喷嘴，202是钨极，203是夹头，204是隋性气体和205是电弧。此外，210是焊条，220是母体材料，221是焊缝金属而222是焊接熔池。焊接部分的可焊性通过染色探伤试验和截面组织检查来评价。图3示出堆焊焊缝103并表示了取出热冲击试件105的要点。TIG焊接在要用焊接堆焊的试件转动时完成(圆周速度8cm/min)。焊接电流定为80A而层间温度定为≤100℃。如图1至3所示那些试件经过加热到1150℃并在该温度下保持4小时的固溶处理并经过将它们在982℃时保持4小时的时效处理，然后进行对试件的上述评价。可焊性和高温性能试验结果列入表2。
表 2
接表2右
(1)可焊性可焊性，通过对焊接部分的表面的染色探伤试验和焊接部分的截面的检查，检查是否出现裂纹来评价。象焊接裂纹这样的缺陷在由本发明的焊条形成的焊缝表面和焊缝截面上没有发现，并证实了其可焊性象传统焊条的可焊性一样好。对比合金第5号的焊条不好，原因是由于表面缺陷和包含杂物而熔透不足。在这种合金中，只有含碳量按重量计比本发明的合金的多0.1％。被焊接时焊接部分的硬度在本发明的每种合金中为维氏硬度Hv300或更低，而对比合金为Hv310，这是最高的。已发现易于拉丝的含碳量为0.10％或更少。
(2)高温拉伸性能高温拉伸性能是在816℃下评价的。由本发明的焊条形成的焊缝金属的拉伸性能几乎不差于那些传统合金。
(3)蠕变破裂性能蠕变破裂性能是在900℃和恒载荷应力172MPa下评价的。由本发明的焊条形成的焊缝金属的破裂时间为由传统焊条形成的焊缝金属的破裂时间的20倍以上，合金第1号为750小时，合金第4号为1056小时，并且它们都是极好的。
(4)低循环疲劳性能低循环疲劳性能是在900℃下，在总应变范围不变为0.4％时评价的。低循环疲劳性能几乎不差于传统的性能。
(5)热冲击性能热冲击性能是通过当在200℃和900℃之间重复热循环300次时产生的最大裂纹长度评价的。该重复300次的热循环相当于燃气轮机一年的动态稳定状态(DSS)运转(这是一年内每天进行起动和停车的运转情况)。由本发明的焊条形成的焊缝金属的裂纹长度是传统焊条的焊缝金属的裂纹长度的一半或更短，合金第2号的裂纹长度为5mm而合金第5号的裂纹长度为3mm，因而这是不大的。证实了它们在耐热冲性上是优越的。
(6)腐蚀性能腐蚀性能是通过熔盐覆盖加热法评价的。熔盐是Na2SO4-25％NaCl的混合盐。混合盐Na2SO4-25％NaCl用甲醇粘结剂涂在试件上，其腐蚀性能是根据加热它25小时后的减少量评价的。混合盐以约0.2kg/m2的标定涂量只涂在试件的一个侧面上、试件直径为13mm，厚度约3mm。结果，本发明焊条的焊缝金属的腐蚀性能几乎不次于传统焊条的性能。
如由现在的实施方案显而易见的，它证实了本发明的每一种焊条的可焊性、由本发明的焊条所形成的焊缝金属的高温强度和耐腐蚀性都是优越的，其程度或同传统焊条的性能一样或优于它们。特别是，蠕变性能和热冲击性能，它们是本发明的目的，能够通过采用本发明的焊条来达到。此外，根据蠕变性能和热冲击性能的结果的比较，证实了热疲劳强度与蠕变强度之间存在很强的相关性。
实施方案2图4是按照本发明的发电燃气轮机的旋转部分的剖视图。图5是叶片和喷嘴部分的放大图。3代表第一级叶片；5，第二级叶片；7，第三级叶片；20，第一级喷嘴；25，第二级喷嘴；27，第三级喷嘴；4，涡轮盘；10，涡轮短轴；13，涡轮成组螺钉；18，涡轮定距件；19，间隔件；6，压缩机盘；17，压缩机叶片；8，压缩机成组螺钉；和9，压缩机短轴。按照本发明的燃气轮机具有三级涡轮叶片和三级涡轮喷嘴。
在本实施方案中燃气轮机的第一叶片3的每一个都是一种镍基超耐热合金或是一种Ni基合金的单晶铸件，上述Ni基超耐热合金包含(按重量计)6-9％Cr，0.5-5％Mo，0.5-10％W，4-7％Al和0.5-10％Co；而上述Ni基合金除包含以上镍基超耐热合金的成分外，还包含选自1-4％Re、3-9％Ta、不大于0.2％Hf、不大于2％Ti、不大于2％Nb和不大于5％Mo的至少一种元素。第一级叶片的叶片部分的长度为130mm或更长而总长约为220mm或更长。这种单晶铸件的实用温度在105小时14kgf/mm2时为930-940℃，第一级叶片具有在内部作出的复杂的空气冷却孔并在运转期间用压缩空气给以冷却。冷却系统是闭式冷却系统，并且冷却结构属于交错排列的肋片式。在叶片的表面上，用在不可氧化的还原压力气体保护下的等离子喷镀涂上一层厚度为50-150μm的合金，借此改善耐腐蚀性，而此涂层合金包括(按重量计)2-5％Al，20-30％Cr，0.1-1％Y，其余为Ni或Ni+Co。该单晶铸件经过在1250-1350℃下的固溶，并然后经过在1000-1100℃和850-950℃时的两步时效，从而各r′相按体积计被沉积50-70％，上述各r′相中一边的长度均为1μm或更短。
第二级叶片5和第三级叶片7均用镍基超耐热合金制造，按重量计它包含12-16％Cr，0.5-2％Mo，2-5％W，2.5-5％Al，3-5％Ti，1.5-3％Ta，8-10％Co，0.05-0.15％C，0.05-0.02％B，其余为不可避免的杂质和Ni。这些叶片每个都具有用通常的铸造方法得到的等轴晶粒组织，第二级叶片具有内部冷却孔并用压缩空气冷却。在叶片表面上，进行扩散涂覆Cr或Al层，借以改善耐腐蚀性，这些镍基合金经过类似于上述处理的热处理。
第一级喷嘴20具有安排成2列的导向叶片，并用钴基超耐热合金制造，它按重量计包含20-32％Cr，9-12％Ni，5-10％W，8-10％Co，0.2-0.4％C，不大于1％Si，不大于1％Mn，0.005-0.015％B和不大于5.0％Fe；或用通常铸造材料(等轴晶粒组织)的钴基超耐热合金，除了上述合金成分外，它可包含，选自0.1-0.4％Ti、不大于1％Zr、不大于0.3Nb、不大于1.0％Hf和不大于2.0％Ta的至少一种元素，其余为不可避免的杂质和Co。这种合金的使用温度在105小时6kgf/mm2时为900-910℃。冷却是闭式冲击式冷却。在第一喷嘴的外表面与火焰接触的部分提供有防热层，该层由细柱状晶粒构成，并包括基底金属、氧化锆层和中间的结合层，这是通过蒸气沉积Y2O3-稳定化的氧化锆的双组织的细柱状组织层形成的，层厚为100-200μm，该双组织在直径为50-200μm的大柱状晶粒内含有直径为10μm或更小的细柱状晶粒。结合层是一种合金的热喷镀层，按重量计，该合金包含2-5％Al，20-30％Cr，0.1-1％Y，其余为Ni或Ni+Co。合金层具有改善耐腐蚀性的作用以及防热作用。这种铸造材料经过在1150-1200℃下的固溶处理，并然后经过在820-880℃时的一步时效处理。
第二级喷嘴25和第三级喷嘴27每一个都具有安排成3列的导向叶片，且它们的每一个用镍基铸造合金制造，按重量计，它包含21-24％Cr，18-23％Co，0.05-0.20％C，1-8％W，1-2％Al，2-3％Ti，0.5-1.5％Ta，0.05-0.15％B，其余为不可避免的杂质和Ni。这些喷嘴每一个都具有用通常铸造方法得到的等轴晶粒组织。虽然它不需要特别提供防热层，在第二级喷嘴上进行扩散涂覆Cr或Al层以提高其耐腐蚀性。每个喷嘴均具有内部的冷却孔，并用压缩空气冷却。这些合金的使用温度在105小时6kgf/mm2时为840-860℃。在这种铸造材料中也进行类似的热处理。第二和第三级喷嘴这样安排，使每个的中心大致定位在相关叶片之间的中心位置。
在这种实施方案中，涡轮盘用镍基锻造合金制造，它按重量计包括0.03-0.1％C，12-18％Cr，1.2-2.2％Ti，30-40％Fe，2.5-3.5％Nb，0.002-0.01％B，其余基本上是Ni。该镍基锻造合金在450℃ 105小时时的蠕变破裂强度为50kgf/mm2或更高，并充分满足高温燃气轮机材料所需要的强度。
压缩机叶片安排成17级，并且由此得到的空气压缩比为18。
所用的燃料为天然气、轻油。
利用上述结构，能够获得这样一种燃气轮机，其在可靠性方面是非常高的并在各方面是协调的，并且能够实现一种发电燃气轮机，其中燃气进入第一级喷嘴的入口温度为1500℃，第一级涡轮叶片的金属温度为920℃，燃气轮机的排气温度为650℃，以及发电效率用低热值(LHV)表示为37％或更高。
图6是本实施方案的第一级喷嘴的透视图。如图6所示，两列导向叶片36与外侧壁38和内侧壁37结合成一个整体。每个导向叶片36被制成具有圆弧端的月牙形，且其内部用空心薄材料制成，冷却空气流入空心内。导向叶片部分在上游前缘部分有许多冷却孔以便冷却空气从两侧壁边流入导向叶片部分并在下游边流到外部，并且导向叶片部分以冲击式冷却方法被冷却，如图7所示。此外，在后缘部分，设有许多冷却孔以便冷却空气与在端部的外部和导向叶片部分的顶端面连通。后缘部分以对流冷却方法被冷却。
燃气轮机喷嘴在运转期间在第一级长期遭受1500℃的高温燃气作用，如上所述，如图6所示，并且由于它的结构它还受到很大的压缩力，以致在运转期间出现裂纹30、31。这些裂纹30、31通常属于型式A贯穿裂纹(导向叶片后缘边上)或形式B未贯穿裂纹(导向叶片根部)，如图8中所示。这些裂纹用超硬刀具从一端至另一端被完全切去，切宽约为10mm，并用TIG焊接法通过沿宽度方向堆焊三次或更多次以在每个切出的部分上形成多层焊缝。形成的多层焊缝比喷嘴表面高一个焊层。此外，一经焊接，燃气轮机喷嘴就经受固溶处理，加热到1150℃并保持4小时。加热在非氧化的气氛保护下进行。
此外，在贯穿裂纹的第一层焊接中，用氩气进行背面保护以便形成充分熔透的焊道，修补焊接以后，进行染色探伤试验，结果，在焊接部分没能发现象裂纹这样的缺陷，并证实了在实际机器焊接中的可焊性也没有问题。焊接后，再进行固溶处理，在非氧化气氛保护下加热到1150℃并保持4小时，然后在982℃时进行时效处理，接着加工并磨削多层焊缝，使焊缝表面变成同基底合金的基体表面一样的高度。接着，在导向叶片和侧壁内面形成防热涂覆ZrO2层。然后，将用焊接修补的喷嘴安装在实际机器上，并研究了它的可靠性。在修补-焊接部分没有发现因腐蚀引起裂纹和破坏。
此外，涡轮排气温度变为550-650℃，以及在燃气轮机与高、中、低压侧结合的蒸温度为530℃或更高和最后一级叶片部分长度为30-50英寸的蒸汽涡轮相结合以形成组合发电系统的情况下，达到了高的总发电效率。
按照本发明，通过在具有涡轮入口温度1500℃级的燃气轮机上采用最优叶片和喷嘴材料，通过使用再修补的那些已工作了很长时间的零件，在同以前条件一样的条件下运转是可能的，能够获得一种具有以LHV表示的37％或更高的高效率的燃气轮机。
权利要求
1.一种钴基合金，按重量计包括0.03-0.10％C，不大于1.0％Si，不大于1.0％Mn，20-30％Cr，15-23％Ni，3-10％W，5-10％Ta和0.05-0.7％Zr。
2.按照权利要求1所述钴基合金，其特征在于，它还包含，按重量计，选自不大于1％Al和不大于2％Fe的至少一种元素。
3.按照权利要求1或2所述钴基合金，其特征在于，它还包含，按重量计，选自0.05-1.0％Ti、0.05-0.5％Nb和0.05-0.5％Hf的至少一种元素。
4.按照权利要求1或2所述钴基合金，其特征在于，它还包含，按重量计，0.005-0.02％B。
5.按照权利要求3所述钴基合金，其特征在于，它还包含，按重量计，0.005-0.02％B。
6.按照权利要求1或2所述钴基合金制造，并制成线材、细棒材或金属粉末填在细钢管内的复合线材。
7.按照权利要求3所述钴基合金制造，并制成线材、细棒材或金属粉末填在细钢管内的复合线材。
8.按照权利要求4所述钴基合金制造，并制成线材、细棒材或金属粉末填在细钢管内的复合线材。
9.按照权利要求5所述钴基合金制造，并制成线材、细棒材或金属粉末填在细钢管内的复合线材。
全文摘要
一种钴基合金包含(按重量计):0.03－0.10%C,不大于1.0%Si,不大于1.0%Mn,20－30%Cr,15－23%Ni,3－10%W,5－10%Ta和0.05－0.7%Zr,一种使用该钴基合金的焊接材料,一种燃气轮机喷嘴具有一处用多层焊缝修补的裂纹以及一种发电用的燃气轮机使用该喷嘴。
文档编号C22C19/07GK1346724SQ0112536
公开日2002年5月1日 申请日期2001年8月31日 优先权日1997年10月20日
发明者谷田正三, 舟本孝雄, 中崎隆光, 小林计, 横场范夫, 饭冢信之, 熊田和彦 申请人:株式会社日立制作所