专利名称：提高轴承耐久性的转动组件方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于涡轮转子的钢的化学成分，并且尤其涉及转子的钢轴承表面的铬含量。
背景技术：
涡轮转子一般由包含超过百分之九的铬的钢铸造而成。这样的转子非常适合满足大多数涡轮转子诸如包括化学耐性以及应力载荷的需要。然而，一个问题是这样的高铬含量已显示出会引起“钢丝绒”。钢丝绒是一种破坏支承在高铬金属上的轴承的方法。因此，当表面具有高铬含量时，在垂直轴承推力表面和水平圆柱表面上支承时，轴承经历钢丝绒故障不是罕见的。用来减少钢丝绒的一种方法是在涡轮转子和轴承之间应用具有小于2.2重量百分比的铬含量的中间金属材料。
将中间层应用到圆柱表面上的方法是在圆柱表面上收缩包含小于2.2重量百分比的铬的圆柱合金套筒。尽管涡轮圆柱部分非常合适承受中等应力，但该方法不适于例如用于推力控制的承受高负载或扁平表面。收缩方法只是一种机械粘附，并且在工作过程中尤其是高应力位置处变松。
对于扁平推力表面，应用低铬钢“涂层”的一个常规的方法包括在转子上焊接低铬钢以产生包含小于2.2重量百分比铬的金属表面。为了将焊接所需要的时间最小化，潜弧焊(SAW)处理被采用，因为其允许很高的金属沉淀率。然而，SAW处理允许熔化金属蓄积，这样导致来自高铬钢的一些铬溶解成低铬涂层，潜在地导致铬含量超过所需最高水平为2.2的重量百分比的轴承表面。为了防止这样的溶解，可以在SAW处理之前应用一些层的气体钨电极弧焊(GTAW)，也称为钨极惰性气体焊(TIG)。GTAW的较低的焊接温度允许极少量的铬溶解发生并且形成了防止基础材料溶解成SAW层的阻挡层。
当焊接到垂直表面上时，由SAW处理产生的熔融金属大量蓄积的另一缺点可能产生。在垂直焊接过程中作用在熔融金属上的重力可能使它向下移离需要的位置。因为通过设计，推力轴承表面与转子的转动轴正交，将转子轴布置在非水平的方向上是不实际的；所以这些推力表面被垂直定位。
改进用于在SAW处理过程中克服熔融金属流动的方法是将推力表面加工成加工成相对垂直方向通常为22.5度的圆锥形角度。这样的角度提供足够的水平分量以防止熔融金属流动。然而，使用22.5度角度焊接准备需要对大量转子材料进行加工，仅仅用来由更大容积焊接金属替换它。然后这个焊接金属的重要部分必须加工掉以使推力轴承表面返回到垂直方向。这样的处理尽管非常有效，但是消耗时间和成本。
该处理引起另外需要关注的是导致转子的原始基础金属的材料性能的降低。具体关注的是在与转子的转动轴同心的圆柱轴承表面(轴颈)和与其正交的推力轴承表面之间形成的倒角半径。焊接22.5度或更大的角度后，倒角半径由焊接金属完全覆盖，该焊接金属必须加工掉以重新形成倒角半径。在焊接处理过程中，转子的基础金属，在通常称为热影响区域(HAZ)中温度升高。HAZ中的一些基础金属经受了材料性能的变化，该变化导致金属的削弱。在操作条件包括高水平推力期间，由于已知倒角半径是高应力区域，因此这个区域内基础金属的任何削弱都会导致转子故障的过早发生。
此外，SAW处理常常留有镶嵌在焊接金属内的缺陷，因为未检测或修正，所述缺陷也可能导致转子故障的过早发生。超声波侧视(UT)通常用来检测这样的缺陷。UT在具有均匀厚度的层和垂直于外表面的焊接线上是最有效的，在所述外表面上放置UT变频器；上述任何一个条件都不与上述SAW处理在其上完成的圆锥角一起存在。
因此，在没有削弱在具体位置的基础材料性能的情况下，本领域需要倾向于更有效和缺陷更少的将低铬含量层应用到涡轮转子的推力表面上的方法发明内容在此公开了一种方法，其涉及准备转动组件以提高轴承耐久性，包括将金属材料应用到与转子的纵轴正交的转子的表面上，该材料的铬含量小于转动组件的铬含量；以及使与转子的轴正交的所述金属材料平面化。
此外在此还公开了一种装置，其涉及提高了轴承耐久性的转动组件，包括转子和与转子的纵轴正交的金属材料表面，所述金属材料表面具有比转子少的铬含量；以及在金属材料表面和与转子的纵轴正交的转子之间的边界层。
现在参照附图，其示出了具体实施例，其中相同的元件用相同的符号表示图1按照本发明实施例示出了焊接刨平的涡轮转子的部分横截面视图；图2按照本发明实施例示出相对焊缝线一定距离的铬含量图表；图3按照本发明实施例示出涡轮转子部分焊接横截面图；以及图4按照本发明实施例示出相对焊缝准备线一定距离的努氏硬度图表；部件列表10涡轮转子12低铬层14圆柱轴承表面(轴颈)16转子轴18第一推力轴承表面22第二推力轴承表面24转子推力表面26熔融(焊接)线32基础材料34样品136焊接材料38样品240焊缝44水平表面(台阶)46焊接表面50加工深度52焊接深度54铬含量最小距离56台阶高度58粗糙焊接表面60倒角半径62焊接准备线64HAZ66铸造材料硬度
74切点78相邻表面(至轴颈)具体实施方式
参照附图，这里示例地并且不仅限于附图来详细说明所公开的装置和方法的几个实施例，。
参照图1，对这些实施例中示出的根据本发明的实施例的涡轮转子的转动部件的部分横截面视图进行说明。涡轮转子10的圆柱轴承表面(轴颈)14在水平方向并且与纵向的转子轴16同心。与转子轴16和轴颈14正交，并且因而垂直定位的是第一止推轴承表面18和第二止推轴承表面22。第一垂直止推轴承表面18防止转子在一个方向轴向运动，而与第一止推表面18相对的第二垂直止推轴承表面22防止转子10在相反方向的运动。如果推力面包括大于2.2％的铬时，在转子10的止推轴承表面18，22上承载的轴承(未示出)将遭受由于钢丝绒导致的过早的失效。
涡轮转子10一般由高铬含量钢锻造而成，通常要超过九个重量百分比的铬，并且更具体地是在9.5至13重量百分比铬的范围内。为了防止钢丝绒失效并且为此提高轴承的耐久性，本发明的一实施例将比转子10铬含量低的金属材料层12，更具体地是小于2.2％的铬应用到转子10上。
本发明的一实施例利用GTAW处理将低的，大约0.5％的铬层12焊接到转子止推表面24(见图3)上，因而产生了在焊接金属层12和涡轮转子10之间的边界层，这里用焊接线26表示。选择GTAW处理是因为与SAW处理相比较，它具有较低的总热量输入。该较低的热量输入使金属溶池最小化，因而允许进行几乎没有将高铬含量的基础材料溶解成焊接材料层12的焊接。支持该说法的测试数据在图2中所示的图表中进行了总结。该图表描述了在Y轴上的铬的重量百分比和在X轴上的以毫米表示的距离焊接线26的距离。基础材料32示出在焊接线26的左侧，焊接材料36示出在焊接线26的右侧。由图表可知，使用的基础材料32超过了9个重量百分比的铬，更具体地在距离焊接线26为0.10英寸(2.54mm)处，样品一34是12.8％的铬，样品二38是11.7％的铬。相反地，在距离焊接线26为0.20英寸(5.08mm)处，样品一34的焊接材料36具有0.4％的铬含量，样品二38的具有0.3％的铬含量。当在焊接材料36方向上从焊接线26移开时，铬含量下降得非常迅速。例如样品一34的铬含量就从焊接线26处的7.3％下降至在离开仅0.05英寸(1.27mm)处的1.2％，样品二38的铬含量从在焊接线26处的2.8％下降至在离开仅0.05英寸处的0.8％。因此，在距离焊接线26为0.05英寸(1.27mm)处，铬含量低于止推表面18，22所需的最大2.2％铬含量水平。
采用GTAW处理获得的较低热量输入所产生的另一优点是在没有引起熔融金属向下流的重力情况下能够焊接到垂直表面上。然而垂直焊不需要如图3所示的焊缝40布置在至少部分水平的表面(台阶)44的顶部。每个连续的焊缝40可以使用先前的焊缝40作为待焊接的表面46，因此既垂直又水平地构造以产生沿着转子推力表面24的低铬含量焊接层12。尽管该实施例已经使用了台阶44作为在其上开始构造的水平表面，但在不用使用台阶44的情况下其可以只直接在轴颈14和与轴颈14正交的相邻表面78之间形成的导角半径60上构造。能够在垂直推力面24上焊接就不需要在推力面24上加工22.5度的角度，因此节省了相当多的处理时间和相关的成本。
在推力面24上完成焊接需要的处理时间部分地取决于焊接层12必须有多厚。当判定需要多少焊接深度52时，有两个主要的特征需要考虑。首先是要确保离焊接线26的距离保证了低于2.2％的铬含量，第二是需要从粗糙的焊接表面58上产生光滑的轴承表面18，22的加工深度50。为了确定铬含量最小深度54，分析图2以观察离焊接线26在什么距离处铬含量确保小于所需的水平2.2％。如上面确定的，在焊接材料36的方向离焊接线26 0.05英寸(1.27mm)的距离处，铬含量下降至小于1.5％的铬。例如，可以增加0.01英寸(2.54mm)的安全限度以确保在完成表面18和22处维持2.2％铬含量从而导致(0.05+0.10＝0.15英寸(3.81mm))铬含量最小距离54。可以选择根据加工GTAW焊接表面的经验来确定最小加工深度50，例如0.10英寸，可以选择来确保所有焊接表面不规则性已被加工掉并留下可接受的推力轴承表面18，22。对于该实施例，将铬含量最小距离54加到加工距离50(0.15+0.10＝0.25英寸(6.35mm))上，产生0.25英寸的焊接深度52。
当使用台阶44时，在焊接之前必需的考虑是决定这里限定为倒角半径60的过渡区域上设置台阶44的台阶高度56。在本发明的一个实施例中，台阶高度56是基于基础材料32的材料性能建立的。该领域经验证明了锻造的涡轮转子10材料性能足够承受在其工作寿命过程中在转子10上的应力。通过有限元分析已经显示出，在推力表面18，22和轴颈14之间形成的倒角半径60，从而在高推力载荷条件下具有转子10的任意区域中的最高应力。因此，在施加低铬层12完成以后，在高应力半径60中希望维持锻造转子10的材料性能。
现在参照图4，示出了材料性能的图表数据，在这种情况下的材料硬度与用于被GTAW焊接然后局部回火的样品的离焊接准备线62的距离的对比。为了清楚焊接准备线62和焊接线26之间的区别，在焊接之前焊接准备线62设置基础材料32，焊接线26是在焊接处理过程中没有熔化的基础材料32的过渡线。图表展示了最接近焊接线26的基础材料32在500kg时的努氏硬度比大约226努氏铸造材料硬度66高大约290努氏。硬度的增加是由于增加了钢的奥氏体化温度以上的金属温度的焊接处理导致的。由于转子10的热质量，焊接头通过之后，钢会非常迅速地冷却。迅速冷却引起了较硬的马氏体结构的转变。远离焊接线26的基础材料32，也同样被加热，但是不足以转变为奥氏体，因此由于这种增高温度的影响实际上比铸造材料硬度66软大约175努氏。从焊接线26的相反方向，即在焊接材料36的方向移动，表明由于局部回火而已经变软，硬度以类似于铸造材料硬度66，大约220努氏保持相对稳定。
根据图表，被定义为热量改变材料的所获得硬度的区域的热影响区域(HAZ)62延伸至基础材料32大约0.35英寸(8.9mm)的距离。至焊接准备线26大于0.35英寸远的任何基础材料32的硬度不可被焊接热量改变。因此，为了确保高应力半径60保持铸造材料硬度66大约226努氏的最初的材料性能，台阶44的高度56应当大于距切点74的0.35英寸，该切点在导角半径60和相邻表面78之间，该相邻表面紧挨着在半径60之上与转子10的轴正交(见图3)。为了一定的安全性，在实际中可以选择0.50英寸(12.7mm)或更大的台阶高度56。依靠使用的具体焊接参数和HAZ64的尺寸，可以采用其它的台阶高度56。最大台阶高度借助设计不与轴承表面相接触，因此没有钢丝绒的危险。
本发明的一些实施例可以包括以下的优点不需要焊接加工准备，将焊接时间和材料最小化，完成的轴承表面能够抵抗相关轴承的钢丝绒问题并且具有小于2.2％的铬含量，并且在高应力导角半径区域的基础金属材料性能不受焊接处理的影响。
尽管参照具体实施例说明了实施例所公开的方法和装置，本领域技术人员应当理解可以作出各种变化并且在不背离实施例所公开的方法和装置的情况下可以用等同形式替代。此外，在不背离其实质范围的情况下在本发明实施例所公开的方法和装置的教导下，为了适于特殊情况或材料可以作出各种修改。因此，意味着实施例所公开的方法和装置不是对作为执行实施例所公开的方法和装置最佳模式的限制，实施例所公开的方法和装置将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种准备转动组件(10)以提高轴承耐久性的方法，包括将金属材料(12)应用到转动组件(10)的表面(26)，该表面正交于转动组件(10)的纵轴(16)，所述材料(12)的铬含量小于转动组件(10)的铬含量；以及使与转动组件(10)的轴(16)正交的所述金属材料(12)平面化。
2.如权利要求1所述的方法，其中，应用金属材料(12)的表面(18，22)具有小于2.2个百分点的铬含量。
3.如权利要求1所述的方法，其中，应用的金属材料(12)包含在0.25到0.75之间的重量百分比的铬。
4.如权利要求1所述的方法，还包括用气体钨电弧焊(GTAW)方法将金属材料(12)焊接到正交表面(26)上；当正交表面(26)基本垂直时应用金属材料(12)；以及基于应用材料(12)的铬含量决定要应用金属材料(12)的深度。
5.如权利要求1所述的方法，还包括形成基本平行于轴(16)的台阶(44)；以及在离轴(16)大于台阶(44)的径向距离处应用金属材料(12)。
6.如权利要求1所述的方法，还包括定位金属材料(12)的应用，以防止在基本平行于轴(16)的轴承表面(18，22)和与轴承表面(18，22)正交的相邻表面(14)之间的过渡区域(60)内转子(10)材料性能的改变。
7.一种提高轴承耐久性的转动组件(10)，包括转动组件(10)；与转动组件(10)的纵轴(16)正交的金属材料表面(18，22)，所述金属材料表面具有比转动组件(10)少的铬含量；以及在金属材料表面(18，22)和正交于转动组件(10)的纵轴(16)的转动组件(10)之间的边界层(26)；其中，金属材料表面(18，22)是推力轴承表面(18，22)；以及金属材料表面(18，22)具有小于2.2个百分点的铬含量。
8.如权利要求7所述的转动组件(10)，其中，应用的金属材料(12)包含0.25至0.75之间的重量百分比铬。
9.如权利要求7所述的转动组件(10)，其中，用气体钨电弧焊(GTAW)方法将金属材料(12)焊接到正交表面(26)上。
10.如权利要求7所述的转动组件(10)，其中，在基本平行于轴(16)的轴承表面(14)和正交于轴承表面(14)的相邻表面(78)之间的过渡区域(60)内转动组件(10)的材料性能没有被金属材料(12)的应用所改变；并且应用的金属材料(12)被热回火。
全文摘要
在此公开了一种准备转动组件(10)以提高轴承耐久性的方法，包括将金属材料(12)应用到正交于转子(10)纵轴(16)的转子(10)表面上(26)，该材料(12)的铬含量小于转动组件(10)的铬含量；以及使与转子(10)轴(16)正交的所述金属材料(12)成平面。此外在此还公开了一种提高了轴承耐久性的转动组件(10)，包括转子(10)和正交于转子(10)纵轴(16)的金属材料(12)表面(18，22)，所述金属材料表面具有比转子(10)较少的铬含量；以及在金属材料表面(18，22)和正交于转子(10)纵轴(16)的转子(10)之间的边界层(26)。
文档编号F01D5/28GK101036955SQ20071010066
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月14日 优先权日2006年3月14日
发明者S·V·坦布, E·K·埃利斯, W·H·小蔡尔兹, L·B·斯皮格尔 申请人:通用电气公司