[发明专利]多合金涡轮机转子段、焊接涡轮机转子及其制造方法

说明书

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素。

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