专利名称：多合金涡轮机转子段、焊接涡轮机转子及其制造方法
多合金涡轮机转子段、焊接涡轮机转子及其制造方法技术领域
本发明所公开的主题大体上涉及多合金涡轮机转子，并且更具体地涉及具有多个 焊接转子段的多合金涡轮机转子。
背景技术：
涡轮机转子的工作温度沿着转子的长度而改变，其中第一级具有最高温度，随后 的级一般具有逐渐较低的温度。不同的工况使得选择合适的转子材料和转子的制造变得复 杂，因为单一化学组分(chemistry)的整体转子(即并非组件的转子)不能满足涡轮机的 低压(LP)段或低压级、中压(IP)段或中压级和高压(HP)段或高压级中每一个的性能要 求。例如，涡轮机转子例如用于工业燃气涡轮机的涡轮机转子，其入口区域和排气区域具有 不同的材料性能要求。高温入口区域通常要求具有高蠕变断裂强度但仅中等韧性的材料。 排气区域，在另一方面，不要求相同级别的高温蠕变强度，但合适材料通常必须具有非常高 的韧性，因为在排气区域中使用的更长的涡轮机叶片所产生的更高负载。为了适应转子的 性能，并限制更高成本、高温、高强度合金仅应用到转子的需要这些合金的部分，并且在需 要这些合金的地方保证高韧性和其它性能，已经利用了各种方法。
由于上面所讨论的原因，通过组装不同化学组分的段而构造的转子被广泛地使 用。用于燃气涡轮机和喷气发动机的转子经常通过将一系列的盘和轴一起螺栓连接来构造 而成。例如，大型蒸汽涡轮机通常具有螺栓连接的结构，其由容纳在单独的壳或罩中的用来 在涡轮机的不同段中使用的单独转子组成。较小的蒸汽涡轮机可使用中跨(mid-span)的 联接器将高温部件和低温部件用螺栓连接在一起并处于一个壳中。虽然具有螺栓连接结构 的转子被广泛地使用，但是，它们经受着几个缺点，包括，零部件数量增加，组装要求增加， 转子组件的长度增加，及与实现转子组件所必需的平衡相关的复杂性增加。
一件式或整体式多合金涡轮机转子已被开发，以在所需要的地方提供高温、高强 度合金，例如在转子的HP段和IP段中，并用来在转子的温度较低部分中，例如LP段中，利 用成本较低、强度较低、韧性高的合金。虽然整体式多合金转子是已知的，但是，需要用来制 造它们以作为大型转子锻件的材料和工艺复杂而且昂贵。而且，替换特定的转子段一般是 不可能的，从在涡轮机工作寿命期间的维护成本和简易性的观点来看，这也是不希望的。
也已经提出通过焊接不类似金属合金而制造的多段、多合金转子；然而，由于下面 的通常与不类似合金焊接接头相关的一个或多个相关因素，它们的使用被限制了。一个相 关因素是由于熔池中很大差异化学组分的混合所产生的高的焊接裂纹敏感性，其导致在宽 的温度范围内的凝固，而这又会在焊接中产生相应的宽的熔化点范围。另一个相关因素是 某些机制引起的热影响区裂纹，该机制例如，由低熔化温度相而导致的晶间偏析，例如共晶 相或应变老化裂纹。还有另一个相关因素是，由于具有很大差异化学组分的合金混合而形 成复杂相，使得焊接接头机械性能差，例如拉伸强度，延展性，高周疲劳和低周疲劳，蠕变断 裂，断裂韧性，等等。还有另一个相关因素是，由于跨过焊接接头的热膨胀失配导致的高瞬 时热应变。另一个相关因素是，由于在焊接接头中的复杂亚稳相，和可导致在焊接接头中形成易碎相的扩散效应，例如各种晶间相，使得在高温工作中具有长期微观结构不稳定性的 可能性。而还有另一个相关因素是碳偏析，硼偏析，和在焊接后的热处理期间或在长期使用 期间其它元素越过焊接扩散区的偏析。这种偏析是由于焊接金属和母材金属之间的化学组 分不同而导致的。这种影响可导致关键性能和裂纹敏感性的劣化。
过去用于不类似合金焊接以形成涡轮机转子的方法涉及到，在一个或两个转子段 的接合面上有不同化学组分的熔焊包层(clad layer)的积聚。该包层包括那些具有一致 的或不同的合金化学组分的层。在焊接预成型件之前，先对该包层进行热处理和机械加工。 该方法昂贵、耗时，并且也可能并不能减轻上面所述的涉及不类似金属焊接的一些相关因ο
虽然已知各种多合金焊接涡轮机转子结构和用来制造它们的方法，但是，所有已 知的构造涉及到不类似金属的焊接，并在不同程度上涉及上面所述的相关因素。
因此，希望有能减少或消除与焊接不类似金属相关的相关因素的焊接多合金转子 结构和制造它们的方法。发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种制造多合金、多段焊接涡轮机转子的方法。该 方法包括，提供具有整体结构的锻造多合金转子段，其包括具有第一合金组分的第一合金， 和具有第二合金组分的第二合金，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。该方法还包括，提供包括第一合金组分的第一转子 段，和包括第二合金组分的第二转子段。该方法还包括，将第一转子段焊接到第一焊接面 上，以及将第二转子段焊接到第二焊接面上。
根据本发明的另一个方面，提供了多合金、多段焊接涡轮机转子。该转子包括具 有整体结构的多合金转子段，其包括具有第一合金组分的第一合金，和具有第二合金组分 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，该整体结构具有锻造的晶粒形态。该转子还包括具有第一合金组分的第一 转子段，第一转子段通过第一焊接接头而连接到第一焊接面上。该转子还包括具有第二合 金组分的第二转子段，第二转子段通过第二焊接接头而连接到第二焊接面上的第二转子段 上。
根据本发明的还有另一个方面，提供了多合金转子段。该多合金转子段具有整体 微观结构，其包括具有第一合金组分的第一合金部分，和具有第二合金组分的第二合金部 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，该整体结构具有锻造的晶粒形态。
本发明的主题在本说明书所附的权利要求中具体地指出并清楚地主张权利。从与 附图结合的下述详细描述中，可以清楚了解本发明的前述特征和优点及其它特征和优点， 其中
图IA和图IB是如本文中所公开的，制造多合金、多段焊接涡轮机转子的方法和通 过该方法制造的焊接转子的示意图2A显示了如本文中所公开的，用锻造多合金转子段来制造锻造多合金转子的 方法的流程图2B显示了如本文中所公开的，制造锻造多合金转子段的方法的流程图3A-3I是如本文中所公开的，制造多合金锻造预成型件和锻造该预成型件以形 成多合金转子段的方法的一个示范性实施例的示意图4A-4J是如本文中所公开的，制造多合金锻造预成型件和锻造该预成型件以形 成多合金转子段的方法的第二个示范性实施例的示意图5A和图5B是如本文中所公开的，制造多合金、多段焊接涡轮机转子的方法和通 过该方法制造的焊接转子的第二个示范性实施例的示意图6A-6F是如本文中所公开的，制造多合金锻造预成型件和锻造该预成型件以形 成多合金转子段的方法的第三个示范性实施例的示意图7是如本文中所公开的，制造多合金、多段焊接涡轮机转子的方法和通过该方 法制造的焊接转子的第三个示范性实施例的示意图8A-8D是如本文中所公开的，制造多合金锻造预成型件和锻造该预成型件以形 成多合金转子段的方法的第四个示范性实施例的示意图；和
图9A-9D是如本文中所公开的，制造多合金锻造预成型件和锻造该预成型件以形 成多合金转子段的方法的第五个示范性实施例的示意图
在附图中所采用的命名中，一般地，带下划线的要素是关于方法而采用的。详细描 述中根据附图并通过示例的方式，解释了本发明的实施例、优点和特征。
零部件清单
权利要求
1.一种制造多合金、多段焊接涡轮机转子的方法(100)，所述方法(100)包括提供(110)具有整体结构的锻造多合金转子段(20)，所述转子段00)包括具有第一合 金组分(3 的第一合金(30)，和具有第二合金组分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)包括所述第一合金组分(5 的第一转子段(50)，和包括所述第二合金 组分(62)的第二转子段(60)；将所述第一转子段(50)焊接(140)到所述第一焊接面上(34)；和将所述第二转子段(60)焊接(150)到所述第二焊接面G4)上。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其特征在于，所述锻造多合金转子段00)通过 方法(200)提供，所述方法(200)包括形成(210)多合金锻造预成型件；和锻造(220)所述多合金锻造预成型件(21)，以形成所述具有整体结构的锻造多合金转 子段。
3.根据权利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金锻造预成型件通过下面 的方法(300)形成形成(310)多合金粉末预成型件(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组分(3 的粉末，且所述第二部分(356)包括具有 所述第二合金组分0 的粉末；和固结(320)所述粉末预成型件以烧结和压实所述第一合金组分(32)的粉末并形 成所述第一合金(30)，并烧结和压实所述第二合金组分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)构成所述多合金锻造预成型件01)。
4.根据权利要求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)中的一个位于另一个的径向内侧。
5.根据权利要求3所述的方法000)，其特征在于，所述多合金转子段00)具有纵向 轴线(M)，并且所述第一合金(30)和所述第二合金GO)轴向地分开。
6.根据权利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金锻造预成型件通过下面 的方法形成提供(510)具有电极轴线(5M)的多合金电极(512)，将包括所述第一合金组分(32) 的第一电极部分(514)连接到包括所述第二合金组分0 的轴向分开的第二合金部分 (516)上；和熔化(520)所述多合金电极(512)，以形成所述多合金锻造预成型件01)。
7.根据权利要求6所述的方法(500)，其特征在于，通过形成(310)粉末预成型件来提 供所述多合金电极(512)，所述粉末预成型件包括具有所述第一合金组分(3 的第一电极 粉末部分(352)，和具有所述第二合金组分0 的第二电极粉末部分(356)；和固结(320)所述粉末预成型件，以烧结和压实所述第一合金组分(32)的所述粉末 和所述第二合金组分0 的所述粉末，以形成所述多合金电极(512)。
8.根据权利要求2所述的方法000)，其特征在于，所述多合金锻造预成型件通过下面 的方法(700)形成形成第一合金(30)的预成型件；和在所述预成型件上沉积(710，910)所述第二合金(40)，以形成所述多合金锻造预成型 件 01)。
9.一种多合金、多段焊接涡轮机转子(10)，所述转子包括具有整体微观结构和纵向轴线04)的多合金转子段(20)，所述转子段00)包括具有 第一合金组分(3 的第一合金(30)，和具有第二合金组分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)，所述整体结构具有锻造的微观结构；包括所述第一合金组分的第一转子段，所述第一转子段通过第一焊接接头连接到所述 第一焊接面上；和包括所述第二合金组分的第二转子段，所述第二转子段通过第二焊接接头连接到所述 第二焊接面上。
10.根据权利要求9所述的涡轮机转子(10)，其特征在于，所述第一合金(30)或所述 第二合金GO)中的一个绕所述纵向轴线04)定位在另一个的径向内侧，或者沿着所述纵 向轴线轴向地分开，或者是这二者的组合。
全文摘要
本发明涉及多合金涡轮机转子段、焊接涡轮机转子及其制造方法。提供了一种制造多合金、多段焊接涡轮机转子(10)的方法(100)，该方法(100)包括，提供(110)具有整体微观结构的锻造多合金转子段，该转子段包括具有第一合金组分(32)的第一合金(30)，和具有第二合金组分(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)。该方法(100)还包括，提供(120，130)包括第一合金组分(52)的第一转子段(50)，和包括第二合金组分(62)的第二转子段(60)。该方法(100)还包括，将第一转子段(50)焊接(140)到第一焊接面上(34)，以及将第二转子段(60)焊接(150)到第二焊接面(44)上。
文档编号B22F3/16GK102031995SQ201010506870
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月25日 优先权日2009年9月30日
发明者R·C·施万特, S·加内什 申请人:通用电气公司