渦輪軸的製作方法
2023-08-07 03:44:26
專利名稱：渦輪軸的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種尤其用於汽輪機的渦輪軸，它沿旋轉軸線定向並有一個最大半徑為R1的第一軸向區和一個與之鄰接的最大半徑為R2的第二軸向區。
在US-PS 3767390中介紹了一種用於高溫下的馬氏體優質鋼，例如用於製造汽輪機葉片或連接汽輪機兩半機殼的螺栓。這種鋼的成分(下面所有的數據均按重量百分比)最好有12％鉻和約0.3％鈮。通過添加鈮可提高持久強度和使鋼基本上不合δ鐵素體。所介紹的鋼內其他的合金成分在一種優選實施形式中有0.25％Co、4％Mn、0.35％Si、0.75％Ni,1.0％Mo、1.0％W、0.3％V、0.75％N以及其餘是鐵和雜質，雜質為硫、磷和氮。
在第三層國際渦輪會議(1995年4月25-27日，Civic Centre,Newcastleupon Tyne,GB)的會議文集「Materials Engineering in Turbines andCompressors」(A.Strang主編)第201至210頁由T.Azuma、Y.Tanaka、T.Ishiguro、H.Yoshita和Y.Iketa所寫的論文「Development and Production ofHigh Purity 9Crl MoV Steel for High Pressure-Low Pressure Rotor Shaft」中，說明了一種用於組合式高壓和低壓汽輪機軸的鋼。這種鋼應適用於生產這樣一種單一材料製造的渦輪軸。在一種優選實施形式中，它的成分為9.8％鉻、1.3％鎳、0.16％碳、小於0.1％的矽、小於0.1％的錳、1.4％鉬、0.21％釩、0.05％鈮、0.04％氮，其餘是鐵和雜質，雜質為磷、硫、鋁、砷、錫、銻。渦輪軸的高壓部分其直徑為1200mm，低壓部分的直徑為1750mm，在這種情況下整個渦輪軸用直徑為1800mm的毛坯加工而成。
本發明的目的是提供一種尤其用於汽輪機的渦輪軸，它適合於在具有沿軸向漸減的溫度變化和最大溫度超過550℃的高熱負荷情況下使用。本發明的另一個目的是，提供一種製造這種渦輪軸的方法。
本發明有關渦輪軸的目的通過一種沿旋轉軸線定向的渦輪軸來達到，它有一個最大半徑為R1的第一軸向區和一個與之相鄰的最大半徑R2＞R1的第二軸向區，其中，第一區具有第一種母體材料，第二區具有第二種母體材料，這兩種母體材料各自用含8.0％至12.0％鉻(數據按重量百分比計)的合金鋼，它們的奧氏體化溫度基本相同。第一種母體材料適合於在高的溫度尤其高於550℃的情況下使用；第二種母體材料適合於在低的溫度尤其在350℃與550℃之間使用。
第一種母體材料比第二種母體材料含有按重量百分比計較低的鎳，尤其是鎳的含量要低0.1％以上。按重量百分比計的鎳的含量對每種母體材料在0.1％與1.8％之間，第二種母體材料最好含1.0％至1.5％的鎳，尤其是1.3％，而第一種母體材料含0.2％至0.6％的鎳。尤其用於汽輪機高壓部分的第一種母體材料的含鉻量為10％至12％(數據按重量百分比計)，而尤其用於汽輪機低壓部分的第二種母體材料的鉻含量為9.5％至10.5％，尤其是9.8％(均按重量百分比計)。
在一種具有分區的不同合金鋼但奧氏體化溫度相同的渦輪軸中，它在第一個橫截面較小的區域內有一種母體材料，這種母體材料與在具有較大橫截面的第二區內的相比含有可能較高成分的鉻和較低成分的鎳，因此在此第一區獲得高的耐熱強度、高的持久強度和足夠的斷裂韌性。在第二區內保證滿足高的屈服極限要求和有極好的缺口衝擊韌性和斷裂韌性。所要求的屈服極限Rpo2。可為約720MPa
。斷裂韌性例如為約200MPa，對於韌性被認為是FATT小於25℃。由於第一區高的耐熱強度，所以這一區適合於作為蒸汽進口溫度甚至超過550℃至約650℃的組合式高壓-低壓汽輪機的高壓部分。第二區優選適用於溫度負荷為350℃至約550℃。通過在第一區和第二區內選擇不同的鉻和鎳的含量，可基本上彼此獨立地根據材料的要求選擇性地調整在第一區內的耐熱強度和在第二區內的韌性。與用一種統一的材料製造的渦輪軸不同，在這裡不需要在高熱負荷區內的持久強度與在熱負荷不太高的第二區內的韌性之間作任何妥協。還有，由於母體材料成分類似，所以不會產生在第一區和第二區之間的過渡區內形成明顯偏離材料性質的母體材料摻雜的問題。沿著旋轉軸線，渦輪軸在具有不同半徑的區域內有不同的熱機械性質。這些性質通過有目的地選擇不同的化學成分獲得。這些區域可按電渣重熔法(ESU法)通過熔化不同合金的電極製成。
由於基本上相同的奧氏體化溫度，所以在第一區與第二區之間的過渡區內，材料性質所發生的最大變化也很小。因此，材料性質基本上與各自的化學成分無關。由於在母體材料內的主要碳化物成分和主要氮化物成分的組成相類似，例如均由C、N、V、Nb、Mo、W組成，所以對於整個渦輪軸形成基本上一致的奧氏體化溫度。因此與具有明顯不同的母體材料的渦輪軸不同，第一區可以用與第二區相同的溫度奧氏體化。尤其在一根汽輪機軸的高壓部分和低壓部分作不同的熱處理，會給予各自的奧氏體化過程負面的影響。
現在可以在一道工序中製成整個渦輪軸基本上無鐵素體的組織。隨後的穩定化溫度和回火溫度彼此的差別很小。此外，對於沿渦輪軸軸向的不同區作不同回火溫度的熱處理也不會發生任何技術問題。奧氏體化溫度最好在950℃至1150℃的範圍內，尤其約為1050℃。
第一種母體材料最好有(數據按重量百分比計)0至3％鎢、0至3％鈷和/或0至2％錸。尤其是鎢的含量在2.4％與2.7％之間和/或鈷的含量在2.4％與2.6％之間。通過添加錸，可獲得更高的持久強度。
作為其他的合金成分，第一種母體材料具有(數據按重量百分比計)0％至0.5％的Mo，尤其是0.15％至0.25％；0.1％至0.3％的V，尤其是0.15％至0.25％；0.02％至0.18％的Nb，尤其是0.04％至0.08％；0.05％至0.25％的C，尤其是0.08％至0.12％；0.01％至0.07％的N，尤其是0.15％至0.045％；以及脫氧元素，如小於0.15％的Si、小於0.7％尤其是0.4％至0.6％之間的Mn，以及其餘為鐵和可能是製造時引起的雜質，主要是磷、銻、錫、鋁、砷、硫。
第一種母體材料可以是一種雜質極少的高純(超淨、超高淨)的合金鋼。這些合金鋼，尤其對於12％鉻鋼，例如可見在會議報告「Clean Steel,SuperClean Steel」(1995年3月6-7日，Copthorne Tara飯店，倫敦，英國)，在J.Nutting的論文「The EPRI Survey on Superclean Steels」尤其在表1中，以及在W.Meyer、R.Bauer.G.Zeiler的論文「Development of ProductionTechnology and Manufacturing Experiences With Super Clean 3.5Ni Cr MoVSteels」尤其在一些表中對12％鉻鋼(Boet 550SO)的說明。
至少第一種母體材料，亦即用於具有較小半徑和較高耐熱強度的區域的母體材料，具有作為其他合金成分的小於0.03重量％的硼，尤其是0.005至0.02重量％的硼。
作為其他的合金元素，第二種母體材料最好具有1.0％至1.6％的Mo，尤其是1.4％；0.15％至0.25％的V，尤其是0.21％；0.03％至0.07％的Nb，尤其是0.05％；0.03％至0.06％的N，尤其是0.04％；小於0.1％的Si；0.1至0.2％的C，尤其是0.16％；小於0.2％的Mn。
此渦輪軸尤其適用於一種汽輪機，其中，第一區用於安裝汽輪機高壓部分的工作葉片，第二區用於安裝汽輪機低壓部分的工作葉片。在這種情況下當汽輪機運行時高壓部分可能承受的蒸汽溫度為550℃至650℃，這要求第一區有良好的耐熱強度，尤其在其表面附近的區域內。旋轉軸線周圍的溫度比表面區低，所以必要時也可以在高壓部分內構成一個用具有較低耐熱強度的母體材料，例如第二種母體材料制的位於軸線附近的芯部。構成汽輪機低壓部分並有一個大於第一區的半徑的第二區，由於較長的低壓工作葉片和自身較大的半徑，所以受到比高壓部分更大的機械負荷。因此對於低壓部分要求高的韌性，尤其是斷裂韌性，這通過適當地選擇第二種母體材料的合金成分(較高的含鎳量，尤其是較低的含鉻量)獲得。在這種情況下低壓部分的熱負荷最好低於500℃，尤其低於480℃。屈服極限可以高於720Mpa。
鑑於在渦輪軸內在一種表面溫度負荷的情況下溫度朝旋轉軸線方向沿徑向逐漸降低，第一區最好有一個位於軸線附近的芯部，此芯部被一個外套部分所圍繞。外套部分最好用第一種母體材料製造並因而有所要求的耐熱強度。芯部最好用此第二種母體材料或第三種母體材料製造，第三種母體材料也有良好的耐熱強度。在這裡芯部可通過適當的合金制的一個電極或多個電極的電渣重熔製成。
第一區亦即高壓部分的最大半徑R1最好在350mm與約750mm之間。第二區亦即低壓部分的最大直徑R2最好在700mm與1000mm之間。
為達到有關渦輪軸製造方法方面的目的，所採取的措施是，第一區例如按ESU法通過熔化由第一種母體材料制的一個或多個電極製成。第二區通過熔化由第二種母體材料制的一個或多個電極製成。整個軸的製造可以在唯一的一道工序中實現，其中，首先熔化由第一種母體材料制的電極和接著熔化由第二種母體材料制的電極，或反之。如此製成的渦輪軸毛坯可例如通過鍛造達到第一區和第二區相應的半徑。通過ESU法製成的組合式渦輪軸的熱處理可對於第一區和第二區同樣地進行。預熱處理在約1100℃持續時間約26小時的條件下進行並進一步通過爐內冷卻到680℃。隨後，根據軸的直徑，以奧氏體化溫度為約1070℃持續時間約33小時進行優質熱處理。接著，例如在溫度在650℃與680℃之間持續時間約24小時的情況下進行回火，其中可分區造成不同的回火溫度。
製造具有一個圍繞旋轉軸線延伸的由第二種母體材料構成的芯部的第一區，按本發明可這樣進行，即，一個由第一種母體材料構成的空心圓柱體通過熔化一個或多個電極用第二種母體材料充填。由第一種母體材料構成的空心圓柱體可通過傳統的鍛造方法製造。當例如藉助於電渣重熔法(ESU法)用此第二種母體材料或一種具有高耐熱強度的第三種母體材料充填空心圓柱體時，第一區如此製成的坯件與凝固的ESU熔池焊接。同樣可能的是，令第一區生長在第二區上。類似地，第二區亦即低壓部分可通過用第一種母體材料或另一種母體材料充填一個由第二種母體材料構成的空心圓柱體來實現。
下面藉助於附圖所示實施例詳細說明此渦輪軸和製造渦輪軸的方法。附圖示意地和未按比例地表示。
圖1所示為沿旋轉軸線定向的汽輪機軸；圖2和圖3所示為用於汽輪機軸的毛坯。
圖1表示沿旋轉軸線2定向的渦輪軸1的兩種不同的實施形式。渦輪軸1有一個相對於旋轉軸線旋轉對稱的第一區4，它表示高壓部分並有半徑R1。在第一區4上連接一第二區5，亦即低壓部分，它相對於第一區4有一個較大的半徑R2。分別連接在第一區4和第二區5上的渦輪軸1的端部3起支承的作用。在旋轉軸線2上方表示的第一種實施形式中，第一區4完全由第一種母體材料製成，這種母體材料有高的耐熱強度，所以此渦輪軸1適合在蒸汽進口溫度為約550℃至約650℃的情況下使用。第一種母體材料中鉻的含量為約10.5重量百分比以及鎳的含量為約0.75重量百分比。除了其它合金成分外，它還含有少於3.0重量％的鎢、少於2.0重量％的錸以及所添加的0.005重量％至0.02重量％的硼。第二區5由第二種母體材料製成，它在其化學成分方面與第一種母體材料相似。含鉻量約為9.8重量百分比以及含鎳量約為1.3重量百分比。兩種母體材料有基本上同一個奧氏體化溫度。
表示在旋轉軸線2下方的渦輪軸1第二種實施形式中，第一區4有一個沿軸向的芯部6，它有一個比半徑R1小的半徑R3。此芯部6由第二種母體材料構成。芯部6被一個由第一種母體材料構成的外套部分7包圍。因此，渦輪軸1在承受高蒸汽溫度的第一區4表面附近部分內具有所期望的耐熱強度。在軸線附近部分亦即芯部6內處於較低的溫度，所以第二種母體材料的耐熱強度已經足夠，此外該芯部6因而還有第二種母體材料的高的斷裂韌性。
圖2表示了沿旋轉軸線2定向的渦輪軸1的坯件。此坯件具有一第一區4，在第一區上沿主軸線2疊置一第二區5。第一區4有一個用第一種耐熱的母體材料制的空心圓柱體8。在空心圓柱體8的內部亦即在芯部6內，按ESU法熔化圖中沒有表示的用第二種母體材料制的電極，所以芯部6逐漸充滿第二種母體材料。於是第二種母體材料便在此第一區4內構成軸線附近的芯部6。外套部分8最好按傳統的方法製成旋轉對稱的空心圓柱體，尤其採用鍛造法。第二區5按ESU法通過第二種母體材料在第一區4和芯部6上生長形成。由圖2所示的坯件可通過鍛造製成如圖1(第二種實施形式)所示的渦輪軸1。端部3可以事後焊上去。
還可以是，第一區4和芯部6用第二種母體材料亦即汽輪機低壓部分用的材料製造，而第二區5用第一種母體材料亦即高壓部分的耐熱材料製造。因此，汽輪機軸的低壓部分分成兩個工序製造，在這種情況下例如通過傳統的鍛壓技術製成一個環狀的外套部分8。在此外套部分內用同一種材料亦即第二種母體材料通過ESU法充填芯部6。因此有可能甚至在其中不能製造整個低壓部分亦即區5的ESU設備中，通過將芯部6充填到鍛好的外套部分8中，製成要鍛造的足夠大的坯。圖3表示了具有一個由外套部分8和芯部6組成的第二區5的渦輪軸1用的相應的坯件。
本發明的特點在於一種用於汽輪機的組合式高壓-低壓渦輪軸，其中，具有較小直徑的高壓部分和具有較大直徑的低壓部分用一種類似的合金鋼製造。此合金鋼有8.0至12.5重量百分比的鉻和必要時0.1至1.8重量百分比的鎳。高壓部分的含鎳量低於低壓部分的含鎳量。通過選擇最好基本上有相同的碳化物和氮化物成分的類似的合金鋼，對於整個渦輪軸可以採用統一的約1050℃的奧氏體化溫度。高壓部分的合金鋼可具有少於3重量％的鈷和/或少於2重量％的錸。此外，高壓部分可有一個用與低壓部分相同的合金制的軸線附近的芯部，在這種情況下此芯部被一外套部分包圍，外套部分用高壓部分的特別耐熱的合金鋼製成。通過在渦輪軸表面附近區域內選擇不同的合金鋼，可以分別考慮到在低壓部分和高壓部分內的特殊熱負荷和機械負荷。高壓部分設計為有針對蒸汽溫度為550℃至650℃的高耐熱強度，而低壓部分設計為主要滿足對屈服極限的高要求。
渦輪軸坯件可100％地按ESU法，通過熔化多個不同化學成分的電極或通過在一個預製環形體內熔化此類電極，由一種已提及的合金組合(第一母體材料、第二母體材料)製成。
權利要求
1．一種尤其用於汽輪機的渦輪軸(1)，它沿旋轉軸線(2)定向並有一個最大半徑為R1的第一軸向區(4)和一個與之鄰接的最大半徑為R2＞R1的第二軸向區(5)，其中，第一區(4)具有一種使用於第一種溫度下的第一種母體材料，第二區(5)具有一種使用於比第一種溫度低的第二種溫度下的第二種母體材料，這兩種母體材料分別用含8.0重量％至12.5重量％鉻的合金鋼，它們各自的奧氏體化溫度基本相同。
2．按照權利要求1所述的渦輪軸(1)，其中，每一個奧氏體化溫度在950℃至1150℃範圍內，尤其為1050℃。
3．按照上述任一項權利要求所述的渦輪軸(1)，其中，第一種母體材料和第二種母體材料具有的鎳含量分別為0.1重量％至1.8重量％，其中第二母體材料含鎳量較大，尤其比第一母體材料含鎳量大0.1％以上。
4．按照上述任一項權利要求所述的渦輪軸(1)，其中，第二種母體材料含有(數據按重量百分比計)9.5％至10.5％的Cr和1.0％至1.5％的Ni，尤其是9.8％的Cr和1.3％的Ni，而第一種母體材料含有10.0％至12.0％的Cr和0.2％至0.6％的Ni。
5．按照上述任一項權利要求所述的渦輪軸(1)，其中，第一種母體材料含有(數據按重量百分比計)0％-3.0％的W、0％-3.0％的Co和/或0％-2.0的Re。
6．按照權利要求5所述的渦輪軸(1)，其中，第一種母體材料具有(數據按重量百分比計)2.4％-2.7％的W和/或2.4％-2.6％的Co。
7．按照權利要求5或6所述的渦輪軸(1)，其中，第一種母體材料含有(數據按重量百分比)0％至0.5％的Mo，尤其是0.15％-0.25％；0.1％至0.3％的V，尤其是0.15％-0.25％；0.02％至0.18％的Nb，尤其是0.04％-0.08％；0.01％至0.07％的N，尤其是0.015％-0.045％；0.05％至0.25％的C，尤其是0.08％-0.12％；以及脫氧元素，如少於0.15％的Si、少於0.7％的，尤其是0.4％-0.6％的Mn，以及製造引起的雜質，尤其是As、AL、P、Sb、Sn、S。
8．按照權利要求5至7中任一項所述的渦輪軸(1)，其中，至少第一種母體材料含有作為其它合金成分的小於0.03重量％，尤其為0.005重量％至0.02重量％的硼。
9．按照上述任一項權利要求所述的渦輪軸(1)，其中，第二種母體材料含有(數據按重量百分比計)1.0％至1.6％的Mo，尤其1.4％；0.15％至0.25％的V，尤其0.21％；0.03％至0.07％的Nb，尤其0.05％；0.03％至0.06％的N，尤其0.04％；少於0.1％的Si；0.1％至0.2％的C，尤其0.16％；少於0.2％的Mn。
10．按照上述任一項權利要求所述的渦輪軸(1)，其中，第一區(4)具有一個由第二種母體材料構成的芯部(6)，該芯部(6)被一個由第一種母體材料構成的外套部分(7)包圍。
11．按照上述任一項權利要求所述的在汽輪機內的渦輪軸(1)，其中，第一區(4)用於安裝汽輪機高壓部分的工作葉片，第二區(5)用於安裝汽輪機低壓部分的工作葉片。
12．一種用於製造如上述任一項權利要求所述渦輪軸(1)的方法，其中，通過熔化由第一種母體材料構成的一個電極或多個電極製成第一區(4)和通過熔化由第二種母體材料構成的一個電極或多個電極製成第二區(5)，並將這兩個區製成這樣，即，它們互相連接起來。
13．一種用於製造如權利要求1至11中任一項所述渦輪軸(1)的方法或按照權利要求12所述的方法，其中，第一區(4)按這樣的方式製造，即，用第一種母體材料製成一個構成外套部分(7)的空心圓柱體(8)，該空心圓柱體(8)通過熔化一個電極或多個電極用第二種或第三種母體材料充填以構成一個芯部(6)。
14．一種用於製造如權利要求1至11中任一項所述渦輪軸(1)的方法或按照權利要求12所述的方法，其中，第二區(5)按這樣的方式製造，即，由第二種母體材料製成一個構成外套部分(7)的空心圓柱體(8)，該空心圓柱體通過熔化一個電極或多個電極用第一種母體材料充填以構成一個芯部(6)。
全文摘要
一種尤其用於汽輪機的渦輪軸(1),它沿旋轉軸線(2)定向。此渦輪軸(1)具有一個最大半徑為R
文檔編號C22C38/40GK1212742SQ97192670
公開日1999年3月31日 申請日期1997年2月19日 優先權日1996年2月29日
發明者託斯坦－烏爾夫·克恩, 于爾根·埃瓦爾德 申請人:西門子公司