专利名称：用于防止应力腐蚀破裂的处理的制作方法
技术领域：
本文公开的主题大体涉及应力腐蚀破裂(SCC)的防范。更具体地说，本发明涉及用于防止金属部件中的SCC的处理，这些金属部件包括涡轮构件和发电机构件。
背景技术：
例如在涡轮或发电机内部可能发现 过大的压力、热量和湿气，其可能形成极端环境。这种环境，由于其里面所发现的不可避免的杂质而可能对组成涡轮或发电机的构件具有腐蚀性。在操作应力下，这种环境可能导致构件中的see。具有较高抗拉强度的构件倾向于更容易受到SCC的影响。然而，具有低抗拉强度的构件可能不能承受涡轮操作所需要的应力。
发明内容
公开了一种用于防止应力腐蚀破裂(SCC)的处理和经过处理的构件。相对较高抗拉强度的构件的表面被加热至回火或退火中的至少一个发生所处的温度。然后以受控制的方式冷却该表面，从而在该表面处保持降低的抗拉强度，其使SCC最小，同时在该构件的剩余部分中保持相对较高的抗拉强度。本发明的第一方面提供了一种用于处理构件以便使应力腐蚀破裂(SCC)最小化的方法，其包括将构件的表面加热至回火或退火中的至少一个在该表面处发生所处的温度；以及以受控制的方式冷却构件，以便保持使SCC最小的表面抗拉强度，其中所得的表面抗拉强度低于构件的剩余部分的所得的高抗拉强度。本发明的第二方面提供了一种经过处理以便使应力腐蚀破裂(SCC)最小化的构件，其具有具有相对较高的结构抗拉强度的结构金属层；和由与结构金属层在化学上同质的材料组成的经过处理的金属层，该经过处理的金属层基本上形成了构件外表面的至少一部分，并具有处理后的抗拉强度，其低于结构层的抗拉强度，该构件由以下工艺形成，该工艺包括将构件的表面加热至该构件的外表面的回火或退火中的至少一个发生所处的温度；以及以受控制的方式冷却构件的表面，以便保持使SCC最小的所得的表面抗拉强度。
从以下结合附图所做的本发明的各个方面的详细说明中将更容易理解本公开的这些特征和其它特征，附图描述了本发明的多个方面，其中
图I显示了根据本发明的一方面的传统蒸汽涡轮的局部透视剖面 图2显示了涡轮的一部分的破断横截面图，它显示了其根据本发明的一方面的各种固定部件和旋转部件；
图3显示了根据本发明的一方面的经受感应加热器进行的热处理的构件的局部剖面图；且
图4显示了根据本发明的一方面的经过处理的构件的透视图。
部件列表
10涡轮；12，115转子；14轴；18叶轮；20，120叶片或“轮叶”;22喷嘴；24气体或蒸汽；26入口 ；L4第一级；L3第二级；L2第三级；L1第四级；L0末级；100涡轮的部分；105旋转构件；110固定构件；125隔板；130安装间壁；135外环；140密封齿；145盖子；150内环；155密封段；160高-低齿；165箭头；200加热级；210，310构件；214表面；216构件的剩余部分；220感应加热器；224线圈；230电流；240涡电流；250磁场；300视图；314外部金属层；316内部金属层。
具体实施例方式公开了一种用于防止应力腐蚀破裂(SCC)的处理和经 过处理的构件。相对较高抗拉强度的构件的表面被加热至回火或退火中的至少一个发生所处的温度。然后以受控制的方式冷却该表面，从而在表面上保持使SCC最小的降低的抗拉强度，同时在构件的剩余部分中保持相对较高的抗拉强度。参照附图，图I显示了多级蒸汽涡轮10的局部透视剖面图。虽然图I显示了蒸汽涡轮，但是本领域中的技术人员应该认识到，本发明的教义可应用于其中构件可能容易受到SCC的影响的任何环境中，包括但不局限于燃气涡轮、风力涡轮、发电机、航空发动机、阀门、储槽、管道、容器、螺旋桨、船体或可能在恶劣环境中运行的任何其它事物，在恶劣环境中，SCC可能是个问题。然而，在图I所示的实施例中，涡轮10可以是冷凝式蒸汽涡轮或非冷凝式蒸汽涡轮。涡轮10包括转子12，其包括旋转轴14和多个沿轴向间隔开的转子叶轮18。多个旋转叶片或“轮叶”20机械地联接在各个转子叶轮18上。更具体地说，叶片20排列成行，其沿周向在各个转子叶轮18周围延伸。多个固定喷嘴22沿周向围绕轴14而延伸，并且喷嘴沿轴向定位在相邻行的叶片20之间。固定喷嘴22与叶片20协作，以形成级，并且限定了穿过涡轮10的蒸汽或热气流动路径的一部分。在操作过程中，气体或蒸汽24进入涡轮10的入口 26中，并被引导穿过固定喷嘴22。喷嘴22对着叶片20向下游引导气体或蒸汽24。气体或蒸汽24穿过剩余级，对叶片20施加力，导致轴14旋转。涡轮10的至少一个末端可沿轴向远离转子12而延伸，并可附连在负载或机械(未显示)上，例如，但并不局限于发电机和/或另一涡轮上。在一个实施例中，涡轮10可包括五个级。这五个级被称为L0、LI、L2、L3和L4。级L4是第一级，并且(在径向方向上)是五个级中最小的。级L3是第二级，并且在轴向方向上是下一级。级L2是第三级，并且显示为位于五个级的中间。级LI是第四级以及倒数第二(next-to-last)级。级LO是末级,并且(在径向方向上)是最大的。应该懂得，这五个级仅仅是作为一个示例而显示的，并且各个涡轮可具有多于或少于五个级。同样，如本文将描述的，本发明的教义并不要求多级涡轮。现在参照图2，其显示了涡轮10(图I)的一部分100，其具有旋转构件105和固定构件110。旋转构件105包括例如转子115，其在沿着该转子的间隔开的轴向位置上安装了多个沿周向间隔开的轮叶120，从而形成各个涡轮级的部件。固定构件110可包括多个隔板125安装间壁130，其限定了喷嘴，喷嘴与相应的轮叶共同形成了涡轮100的各个级。如图2中所示，隔板125的外环135携带一行或多行密封齿140，用于与同轮叶120顶部相邻的护罩或盖子145 —起进行密封。类似地，隔板125的内环150安装了拱形密封段155。该密封段具有沿径向向内凸出的高-低齿160，以用于与转子115 —起进行密封。如图所示在涡轮100的各个级上提供了相似的密封，并且蒸汽或热气流动路径的方向由箭头165指示。在操作期间，涡轮10(图I)中的某些构件可能由于其在涡轮10中的局部环境而容易受到SCC的影响。这些构件包括但不局限于轮叶或叶片20，120、叶轮18、转子12和/或用于将其中一个上述构件联接到另一上述构件上和/或联接到涡轮10中的另一构件上的任何构件。之前，具有高抗拉强度的合金不能用于制造这些构件。相反，在给定构件的预期的负载需求的情况下，这些构件是利用被制成具有可能的最低的抗拉强度的合金构造而成的。备选地，使用昂贵的高合金金属以减轻SCC。本发明处理该构件，以便使SCC最小。这通过经由处理改变构件表面的部分的抗拉强度来实现，它是SCC抗性所需的抗拉强度。这个表面可包括例如可能与腐蚀环境发生接触的构件的任何部分。构件的剩余部分的抗拉强度保持相对不 变。结果是一种整体上具有同质化学成分的构件，其中内部具有相对较高的抗拉强度(例如骨架层或结构层)，同时具有抗应力腐蚀的较低抗拉强度表面(例如表皮层或经过处理的层)，其与结构层相邻并与结构层成整体。现在参照图3，其显示了用于构件210的SCC处理的加热级200的一个实施例。在加热级200中，例如利用感应加热器220加热构件210的表面。在这个加热之前，可将构件210保持在室温和高温之间的任何温度，该高温低于意图用于热处理的温度。当加热级200使用感应加热器220时，例如图3中所示，交流(电流)230穿过感应加热器220的线圈224。在一个实施例中，电流230在大约100-400kHz的范围内，并由额定(功率)50_400kW之间的电源产生。总之，电流230产生磁场250，磁场则感生构件210中的涡电流240。感应涡电流240遭遇材料阻力，其通过被称为焦耳加热的机理而促使表面214的金属升高温度。在表面214下的加热的深度和穿过线圈224的电流230的频率之间存在相反(inverse)关系。穿过线圈224的较高频率的电流230与表面214的较浅层关联并且以感应的方式加热表面214的较浅层。位于表面214下面的构件210的部分不被直接加热(但虽然如此，可能由于诸如来自表面214的热传导的辅助机理而升高温度)。总之，加热级200设计为使得位于表面214下面的构件210的剩余部分216的温度相对不变。作为一个示例，表面214的厚度可以是大约O. 125毫米。在本发明中，感应加热器220可用于将构件210的外表面214加热至回火或退火中的至少一个发生所处的温度。在备选方式中，可使用现在已知的或者未来发现的、将构件的表面加热至比回火或退火温度更高的温度而同时相对保持构件剩余部分的温度的任何其它工艺，包括但不局限于利用激光器或辐射加热器进行加热。构件210可包括任何类型的铁合金，包括但不局限于奥氏体、马氏体、贝氏体不锈钢、沉淀硬化钢等等。在使用马氏体不锈钢、贝氏体钢或沉淀硬化钢的情况下，构件210可具有低于20%的铬含量、低于12%的镍含量、低于2%的锰和低于5%的钥。总之，随着这种合金中的温度增加，发生合金的回火，产生更软的材料。在某些合金钢中，这些过程开始发生在540摄氏度处或之上(的温度)，例如大约600-800摄氏度。在已利用感应加热器220达到这种温度的情况下，仅几秒或几分钟的处理就足以实现所加热的表面层212的某些软化。一旦完成加热级200，就以受控制的方式冷却构件210的外表面214，以便保持使SCC最小的减少的抗拉强度。在其它需要具有增强的抗拉强度的硬化表面的领域中，被加热构件的冷却是以导致非常快速的冷却(称为淬火)的方式来执行的。相反，在本发明中，对于钢和类似钢的材料，构件210的冷却是受控制的，但以典型地避免这种淬火，并且尤其避免可能最终导致外表面214硬化的任何淬火的方式来受控制。这种淬火可能最终导致表面处的硬化一例如，如果在外表面上的任何位置处，加热产生的温度超过合金的奥氏体化温度时。外表面214所需要且在加热级期间获得的较低的抗拉强度在冷却期间可通过采用若干种控制冷却速率的方法中的任一方法而得以保持。一种这样的控制冷却的方法涉及将感应加热器220 (或备选加热设备)保留在其相对于构件210的操作位置上，但以如下方式调整感应电流230的功率，即促使外表面214中的温度沿着所需的热剖面(thermal profile)而降低。这种方法还可用于对于某些或全部冷却时间将外表面214的温度保持在热处理温度和室温之间的中间温度。另外或在备选例中，所有或部分冷却可采用“空气冷却”的形式，其中构件210的冷却发生在不使用感应加热器220或备选加 热设备的条件下。另外或在备选例中，在冷却期间可降低感应电流的频率和功率，以便在冷却期间更精确地控制整个构件系统(外表面和相对较硬的内部)的热剖面。这些控制冷却速率的方法可单独地或与彼此结合地使用，以降低在构件中引入不合适宜的残留应力的风险。硬度(或显微硬度)的测量可被视为抗拉强度的近似值，以确定是否已经获得所需的抗拉强度。应该懂得，在某些实施例中，热处理可例如通过传导而降低与表面214不同的构件210部分中的抗拉强度。在这些实施例中，热处理的大部分将发生在表面214处，相对少得多的量(的热处理)发生在内部金属层中。因此，在一个实施例中，构件210的预加热级200开始于比内部金属层的所需最终抗拉强度更强的整体抗拉强度。这样，在降低了整体强度(表面处更是如此)的处理之后，结果是结构层具有比其开始时更弱但满足最终抗拉强度需求的抗拉强度。现在转到图4，其显示了根据本发明的一个实施例的构件310的透视图300，其已经过处理，从而使SCC最小。如图所示，构件310具有内部金属层316 (例如骨干层或结构层)和外部金属层314(例如表皮层或经过处理的层)。构件310的内部金属层316具有相对较高的抗拉强度。这个内部金属层316通常占整个构件310的较大百分比。构件310的外部金属层314由如下材料组成该材料与内部金属层相邻且与内部金属层成整体，并且具有与内部金属层的化学成分同质的化学成分。如图所示，外部金属层314基本上形成了构件310的外表面的至少一部分。此外，外部金属层314可具有低于内部金属层316并使SCC最小的抗拉强度，其已经通过上述加热和冷却过程进行处理。此外，因为外部金属层314的深度只是构件310作为整体的深度的一小部分，所以构件310保持与没有处理后的外部层的相同构件相同数量级的整体强度。从这个意义上说，构件310适合于在涡轮10(图I)的恶劣环境中更好地完成任务。因而，最初可由具有相对较高的抗拉强度的材料产生涡轮10的这种构件(其可包括但不局限于轮叶120、膨胀式波纹管、叶轮18、叶片20、转子12、发电机保持环和/或联接构件)，且之后这种构件经过处理以形成外部金属层314，其具有较低的抗拉强度，并因而对SCC具有抵抗性。此外，这种处理可集中进行，从而只处理关注其SCC的构件310的特定区域。这种区域可包括例如轮叶20中的燕尾形销孔(销插入在该燕尾形销孔中)、转子14的应力区域和/或轮叶120的燕尾形区域(图2)。
本文所使用的术语仅仅是为了描述特殊实施例的目的，且并不意图要限制本公开。除非上下文中明确做出了其它指示，否则如这里所用的单数形式“一”、“一个”和“这个”意图也包括复数形式。还将懂得，当在本说明书中使用时，词语"包括和/或包括有"指所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。虽然本文描述了多种实施例，但是从说明书中将明白，本领域中的技术人员可以做出其中的元件、变化或改进的多种组合，且它们在本发明的范围中。另外，在不脱离本发明的本质范围的情况下，可做出许多改型，以使特殊的情形或材料适应本发明的教义。因此，意图本发明并不局限于作为被认为是实现本发明的最 佳模式而公开的特殊的实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于处理构件(210)以便使应力腐蚀破裂(SCC)最小的方法，包括 将构件(210)的表面(214)加热至在所述表面(214)处发生回火或退火中的至少一个所处的温度；和 以受控制的方式冷却所述构件(210)，以便保持使SCC最小的表面(214)抗拉强度，其中所得的表面(214)抗拉强度低于所述构件(210)的剩余部分的所得的高抗拉强度。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述加热包括感应加热。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述温度大于540摄氏度。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述加热和所述冷却产生了所述表面(214)的完全退火。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述冷却包括 将加热设备保持在相对于所述构件(210)的操作位置上；且 按照促使所述表面(214)中的温度沿着所需的热剖面降低的方式来调整所述加热。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述表面(214)的材料与所述构件(210)的剩余部分的材料在化学上是同质的。
7.—种经过处理以便使应力腐蚀破裂(SCC)最小的构件(210)，具有结构金属层和经过处理的金属层，所述结构金属层具有相对较高的结构抗拉强度；所述经过处理的金属层由与所述结构金属层在化学上同质的材料组成，所述经过处理的金属层基本上形成了所述构件(210)的外表面(214)的至少一部分，并具有低于所述结构层抗拉强度的处理后的抗拉强度，所述构件(210)由以下工艺形成，包括 将所述构件(210)的表面(214)加热至所述构件(210)的外表面(214)的回火或退火中的至少一个发生所处的温度；且 以受控制的方式冷却所述构件(210)的所述表面(214)，以便保持使SCC最小的所得的表面(214)抗拉强度。
8.根据权利要求7所述的构件(210)，其特征在于，所述加热包括感应加热。
9.根据权利要求7所述的构件(210)，其特征在于，所述加热和所述冷却产生了所述表面(214)的完全退火。
10.根据权利要求7所述的构件，其特征在于，所述冷却包括 将加热设备保持在相对于所述构件的操作位置上；且 按照促使所述表面(214)中的温度沿着所需的热剖面降低的方式来调整所述加热。
全文摘要
本发明涉及用于防止应力腐蚀破裂的处理，公开了一种用于防止应力腐蚀破裂(SCC)的处理和经过处理的构件(210)。相对较高抗拉强度的构件(210)的表面(214)被加热至回火或退火中的至少一个发生所处的温度。然后以受控制的方式冷却表面(214)，从而在表面(214)处保持使SCC最小的降低的抗拉强度，同时在构件(210)的剩余部分中保持相对较高的抗拉强度。
文档编号C21D1/26GK102766732SQ201210135510
公开日2012年11月7日 申请日期2012年5月4日 优先权日2011年5月5日
发明者A.B.维特尼, R.C.施万特 申请人:通用电气公司