专利名称：用于对合金钢构件进行退火的系统和方法
技术领域：
本发明大体涉及用于对合金钢构件进行退火的系统和方法。特别地，本发明描述 和实施用于对合金钢构件的一部分进行热处理的系统和方法。
背景技术：
合金钢是铁和按重量计高达50%的合金元素(诸如镍、铬、钼、锰、钒、硅和硼)的 组合。与碳钢相比，合金钢具有更大的强度、硬度、热硬度、耐磨损性、硬化性能和/或韧性。 合金钢的特征还在于添加的合金量，其中低合金钢通常按重量计小于2%至4%的合金，且 高合金钢具有按重量计大于4%的合金。在商业应用中所用的合金钢的实例包括NiCrMoV和CrMoV合金钢。例如，NiCrMoV 和CrMoV合金钢常常包括于在燃气涡轮中的轴、凸缘、轮和盘中。与碳钢相比，通常需要这 些和其它合金钢的热处理以改进合金钢的强度、硬度、耐磨损性和/或韧性特征。燃气涡轮构件通常在超过600° F的环境中操作达延长的时间段。合金钢长期暴 露于高操作温度导致合金钢的热脆化，特别是在合金钢的表面处或附近。例如，在长期高温 操作之后，在内孔和/或螺栓孔周围通常会经历热脆化。热脆化产生钢合金中轻微的微结 构变化，其降低合金钢的断裂韧性且限制合金钢构件的使用寿命。合金钢构件的使用寿命 可根据各种度量确定，诸如合金钢构件暴露于高温的时间量或者合金钢构件的断裂韧性和 /或断裂形貌转变温度(FATT)的减小。这些参数或其它参数中的任何参数可用于预测可导 致过度裂纹形成和/或蔓延的热脆化的开始。由于长期暴露于高温环境而经历热脆化的合金钢构件可使用本领域中已知的热 处理方法进行退火。例如，合金钢构件可被拆卸或移除且放置于合适腔室中以加热该合金 钢构件。但是，合金钢构件的尺寸常常需要相对应较大的腔室。此外，移除和拆卸合金钢构 件是耗时的、昂贵的且导致延长的维护期，在此期间，商业设备不可用于操作。因此，存在对用于对合金钢构件进行退火的改进的系统和方法的需要。理想地，改 进的系统和方法可对合金钢构件的局部区域进行退火，以减少与退火过程相关的时间和成 本，从而缩短商业设备不可操作的时间量。
发明内容
本发明的方面和优点在下文的描述中如下陈述，或者可从该描述显而易见，或者 可通过实践本发明而学习。本发明的一个实施例是用于对合金钢构件进行热处理的系统。该系统包括第一封 壳和与第一封壳相对的第二封壳。第一封壳和第二封壳限定仅绕合金钢构件的一部分的腔 室。该系统还在该腔室中包括加热元件以加热该合金钢构件的部分。本发明的另一实施例是用于对合金钢构件进行热处理的方法。该方法包括抵靠合 金钢构件的第一侧放置第一封壳和抵靠合金钢构件的第二侧放置第二封壳。该方法还包括 在第一封壳与第二封壳之间形成仅绕合金钢构件的一部分的基本气密腔室，且加热该基本
3气密腔室内的合金钢构件的部分。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。
在说明书的其余部分中，包括参考附图，向本领域技术人员更具体描述了本发明 的全面并可实施的公开内容，包括本发明的最佳实施方式，在附图中图1示出根据本发明的一个实施例的用于对合金钢构件进行退火的系统的截面 图；图2示出绕合金钢构件安装的图1所示的实施例；以及图3示出在退火过程期间的预计温度曲线。部件列表10 系统14 第一封壳16 第二封壳18 夕卜表面20 内表面22 腔室24 垫片26 气体端口28 气体源30 气体隔离阀32 真空端口34 真空泵36 真空隔离阀38 排出端口40 排出隔离阀42 感应线圈44 开口46 垫片48 内孔50 盘的相对侧
具体实施例方式现将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使 用数字和字母标记来指代附图中的特征。在附图和描述中相同或相似的标记用于指代本发 明的相同或相似的部件。作为本发明的解释而不是本发明的限制，提供每个实例。实际上，对于本领域技术 人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可对本发明做出修改和变型。例如，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。因 此，预期本发明涵盖属于所附权利要求书和其等效物的范围内的这些修改和变型。图1示出根据本发明的一个实施例的用于对合金钢构件进行热处理的系统10的 截面图。如图所示，系统10包括第一封壳14和互补的第二封壳16。第一封壳14和第二 封壳16可由能耐受高达大约1300华氏度的连续和循环温度的任何合适材料制成。例如， 第一封壳14和第二封壳16可由钢、合金钢、纤维玻璃或本领域技术人员已知的类似材料制 成。第一封壳14和第二封壳16可为圆形、方形、椭圆形或任何其它合适形状以容纳待退火 的合金钢构件。可选择第一封壳14和第二封壳16的长度和宽度以容纳待退火的合金钢构 件的部分。每个封壳14、16包括外表面18和内表面20。当安装于待退火的合金钢构件的部 分周围时，内表面20限定在封壳14、16之间且在待退火的合金钢构件的部分周围的空腔或 腔室22。第一封壳14和第二封壳16还可包括垫片24、孔环、0形环或类似装置，用于形成 气密的密封且使腔室22基本气密。第一封壳14和第二封壳16还可包括一个或多个端口以容纳外围设备。例如，如 图1所示，第一封壳14可包括气体端口 26，其提供在气体源观与第一封壳14之间的流体 连通。气体源28可通过隔离阀30连接到气体端口沈以允许或防止气体流动到第一封壳 14。气体源观可提供任何合适气体用于在合金钢构件周围形成所需环境。例如，气体源观 可提供惰性气体，诸如氩气或氮气，以在退火过程期间包围合金钢构件。惰性气体环境可在 退火过程期间减少由腔室22中的环境空气造成的氧化或脱碳。第一封壳14还可包括真空端口 32以将真空泵34连接到第一封壳14。真空泵34 可用于在由第一封壳14和第二封壳16限定的腔室22上抽吸真空。真空端口 32可在真空 端口 32与真空泵34之间包括隔离阀36以在不使用真空泵34时隔离第一封壳14。如在图1中另外示出，第二封壳16可包括连接到隔离阀40的排出端口 38。排出 端口 38可用于在退火过程的各个阶段期间从腔室22排出或清扫环境空气或气体。尽管关 于图1所示的实施例描述了端口的位置，应了解在替代实施例中端口可处于第一封壳14和 /或第二封壳16中的任一个或两个中。系统10还包括感应线圈42或类似加热元件，其延伸穿过第一封壳14和第二封壳 16进入由第一封壳14和第二封壳16限定的腔室22内。感应线圈42或其它合适加热元件 提供热源用于加热由第一封壳14和第二封壳16限定的腔室22，从而加热待退火的合金钢 构件的部分。感应线圈42或合适加热元件的尺寸取决于待退火的合金钢构件的尺寸和要 实现的所需加热速率。在第一封壳14和第二封壳16中的开口 44可包括垫片材料46、绝缘 体、橡胶或类似材料以容纳各种尺寸的感应线圈42或其它合适加热元件且提供在感应线 圈42与第一封壳14和第二封壳16之间的合适密封。图2示出安装于待退火的合金钢构件上的图1所示的系统10的截面图。在此图 示中，合金钢构件是燃气涡轮转子的盘，且系统10安装成封闭盘中的内孔48并对它进行退 火。如图2所示，第一封壳14和第二封壳16安装于合金钢构件的相对侧50上。因此，在 封壳14、16之间且在待退火的合金钢构件的部分周围的腔室22基本是气密的。感应线圈 42或其它合适加热元件延伸穿过第一封壳14和第二封壳16以向腔室22和因此待退火的 合金钢构件的部分提供局部加热。
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图1和图2所示的系统10可用于以下列方式对合金钢构件进行热处理。第一封 壳14抵靠待退火的合金钢构件的一侧50放置，且第二封壳16抵靠待退火的合金钢构件的 另一侧50放置。待退火的合金钢构件的第一侧和第二侧50可为包括待退火的合金钢构件 的特定部分的相对侧或相邻侧。由第一封壳14和第二封壳16绕待退火的合金钢构件的部 分限定的腔室22基本是气密的。用于排出端口 38的隔离阀40可独立地或结合用于气体端口沈的惰性隔离阀30 而打开以从腔室22中清扫空气。若需要，气体源观可向腔室22提供惰性气体或其它介 质。在另一应用中，用于真空端口 32的隔离阀36可打开且真空泵34可通过操作以在腔室 22上抽吸真空。感应线圈42或其它合适加热元件然后可被通电以加热基本气密腔室22到至少 1000华氏度来对合金钢构件的局部进行退火。感应线圈42或其它合适加热元件可以以超 过每小时500华氏度且在某些特定实施例中大于每小时1000华氏度的速率加热基本气密 腔室。温度然后可维持在优选地1000华氏度与1200华氏度之间达合适时间来实现合金钢 构件的所需退火。例如，合适退火可通过维持基本气密腔室22的温度高于1000华氏度达 每英寸厚度合金钢构件至少1小时至2小时而实现。在基本气密腔室22中维持退火温度达所需时间量之后，感应线圈42或其它合适 加热元件可被断电以允许合金钢构件冷却到室温。用于气体端口沈和/或排出端口 38的 隔离阀30、40可打开以允许冷却空气和/或惰性气体流过腔室22以实现在合金钢构件冷 却时最小化任何温度脆化的合金钢构件的所需冷却速率。更高的冷却速率是优选的，因为 合金钢构件的温度在1000华氏度与700华氏度之间降低以减小允许钢构件经历在这些温 度处的温度脆化的机会，从而使退火过程的某些效果无效。例如，可调节冷却空气以实现每 小时100华氏度至150华氏度的冷却速率直到合金钢构件的温度小于大约700° F。一旦 合金钢构件的温度小于大约700° F，可使用更缓慢的冷却速率直到合金钢构件到达室温。可在退火过程期间仔细地监视腔室22和/或待退火的合金钢构件的温度。例如， 热电偶、高温计、电阻温度检测器、红外激光器或类似仪器可安装于腔室22中或抵靠待退 火的合金钢构件的局部进行安装来监视系统10的温度、加热速率和冷却速率。图3示出在退火过程期间系统10的预计温度曲线。如图3所示，感应线圈42或 其它合适加热元件维持基本气密腔室22中的温度在所需温度以实现合金钢构件的局部的 退火。由于感应线圈42或其它合适加热元件所提供的局部加热，温度在腔室22外部迅速 降低，如由图3中的下降的温度曲线所示。因此，本发明的系统10和方法并不扭曲腔室22 外部的合金钢构件的其余部分或在其中形成残余应力。本发明所描述的系统10和方法允许对合金钢构件的局部区域进行退火，从而恢 复合金钢的断裂韧性接近或等于所设计构件的原始断裂韧性。系统10和方法允许合金钢 构件在适当位置或者以很小拆卸进行退火，从而避免对较大腔室的需要且缩短商业设备不 操作的时间量。此外，合金钢构件的局部热处理减少了可由对整个合金钢构件进行热处理 造成的任何扭曲或残余应力。待退火的合金钢构件可个别地处理或成批处理。例如，图2所示的转子盘可个别 地处理，或者其可与其它转子盘部分地堆叠地处理。尽管图2示出系统10处理穿过转子盘 的内孔48，但是系统10可容易地适于封闭转子盘的其它部分，诸如螺栓孔或其它表面。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，且也能使本领域技术人 员实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的专利保 护范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例包括 与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求书的字 面语言并无实质不同的等效结构元件，则这种其它实例预期在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于对合金钢构件进行热处理的系统(10)，包括a.第一封壳(14)；b.与所述第一封壳(14)相对的第二封壳(16)，其中，所述第一封壳和第二封壳限定仅 绕所述合金钢构件的一部分的腔室02)；以及c.加热元件(42)，其在所述腔室0 中加热所述合金钢构件的部分。
2.根据权利要求1所述的用于对合金钢构件进行热处理的系统(10)，其特征在于，还 包括连接到所述第一封壳(14)或所述第二封壳(16)中的至少一个的惰性气体源08)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的用于对合金钢构件进行热处理的系统(10)，其 特征在于，还包括穿过所述第一封壳(14)或所述第二封壳(16)中的至少一个的至少一个 端口 (25) ο
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于对合金钢构件进行热处理的系统(10)，其 特征在于，还包括穿过所述第一封壳(14)或所述第二封壳(16)中的至少一个的至少一个 排出口(38)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于对合金钢构件进行热处理的系统(10)，其 特征在于，还包括连接到所述第一封壳(14)或所述第二封壳(16)中的至少一个的真空泵 034)。
6.一种用于对合金钢构件进行热处理的方法，其包括a.抵靠所述合金钢构件的第一侧(50)放置第一封壳(14)；b.抵靠所述合金钢构件的第二侧(50)放置第二封壳(16)；c.在所述第一封壳(14)与所述第二封壳(16)之间形成仅绕所述合金钢构件的一部分 的基本气密腔室0 ；以及d.加热在所述基本气密腔室0 内的所述合金钢构件的部分。
7.根据权利要求6所述的用于对合金钢构件进行热处理的方法，其特征在于，还包括 将感应线圈0 插入到所述基本气密腔室0 内。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的用于对合金钢构件进行热处理的方法，其特征 在于，还包括以每小时至少500华氏度的速率将所述基本气密腔室0 加热到至少1000 华氏度。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的用于对合金钢构件进行热处理的方法，其特征 在于，还包括使惰性气体08)流入到所述基本气密腔室0 内。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的用于对合金钢构件进行热处理的方法，其特征 在于，还包括在所述基本气密腔室02)内形成真空。
全文摘要
用于对合金钢构件进行热处理的系统(10)包括第一封壳(14)和与第一封壳(14)相对的第二封壳(16)。第一封壳和第二封壳(14，16)限定仅绕合金钢构件的一部分的腔室(22)。该系统(10)还在该腔室(22)中包括加热元件(42)以加热该合金钢构件的部分。用于对合金钢构件进行热处理的方法包括抵靠合金钢构件的第一侧放置第一封壳(14)和抵靠合金钢构件的第二侧放置第二封壳(16)。该方法还包括在第一封壳与第二封壳(14，16)之间形成仅绕合金钢构件的一部分的基本气密腔室(22)，以及加热在该基本气密腔室(22)内的合金钢构件的部分。
文档编号C21D1/26GK102127623SQ201110027778
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月18日 优先权日2010年1月18日
发明者J·R·伍德, J·R·帕罗利尼 申请人:通用电气公司