鑄造超合金壓力密閉容器的製造方法
2023-04-26 18:15:11
鑄造超合金壓力密閉容器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及鑄造超合金壓力密閉容器。公開了一種大體積、鑄造超合金壓力密閉容器。該容器包括具有至少約4立方英尺的體積的中空本體部分和大致無孔隙的鑄造微觀結構。該密閉容器構造成用於在至少約1,200℉的操作溫度和至少約1,500psi的操作壓力下操作。還公開了一種大體積、鑄造超合金製品。該製品具有至少約4立方英尺的體積和大致無孔隙的鑄造微觀結構，該製品構造成用於在至少約1,400℉的操作溫度下操作。
【專利說明】鑄造超合金壓力密閉容器
[0001]聯邦研究聲明
本發明根據由美國能源部(DOE)頒發的合同N0.DE-FE-0000234由政府資助作出。政府對本發明擁有一定權利。
【背景技術】
[0002]用於在要求在高操作溫度和壓力下使用製品的包括各種機器的各種應用中使用的大型製品的形成特別具有挑戰性。例如，大型構件用於工業渦輪、特別是蒸汽渦輪中，其在包括長度、寬度、高度和壁剖面厚度的規格方面並且關於用來製造的它們的材料的體積方面非常大。這些構件通常由各種鍛造的鋼合金預製件形成。常常，可為大致中空本體的這些構件的尺寸和形狀要求通過加工或其它成型方法來去除鍛造預製件的很大一部分。製作上要求大量去除材料的事實已將用於這些高操作溫度和壓力製品和應用中的材料限制於可容易地加工或以其它方式製作以形成這些大型製品的材料。雖然許多等級的鋼用於這些目的，但它們的材料特性已限制它們可採用的操作溫度和壓力範圍，由此制約了使用它們的機器如各種渦輪的發展。此外，高溫材料如超合金尚未用來製造這種大型製品，因為它們要求將大型製品製作為較小子構件的組件，這要求例如通過鍛造接著通過子構件的結合，例如通過焊接來形成子構件，這在子構件的尺寸、特別是剖面厚度也很大時非常難以完成。
[0003]因此，非常希望提供可由高溫材料如超合金形成的大型製品，例如各種大型渦輪構件。
【發明內容】
[0004]在一個示例性實施例中，公開了一種大體積、鑄造超合金壓力密閉容器(containment vessel)。該容器包括具有約至少4立方英尺的體積的中空本體部分和大致無孔隙的鑄造微觀結構。該密閉容器構造成用於在至少約1，200 T的操作溫度和至少約1，500psi的操作壓力下操作。
[0005]在另一示例性實施例中，公開了一種大體積、鑄造超合金製品。該製品具有至少約4立方英尺的體積和大致無孔隙的鑄造微觀結構。該製品構造成用於在至少約1，400 T的操作溫度下操作。
[0006]根據一實施例，一種大體積、鑄造超合金壓力密閉容器，包括具有至少約4立方英尺體積的中空本體部分和大致無孔隙的鑄造微觀結構，密閉容器構造成用於在至少約1，200 °F的操作溫度和至少約1，500psi的操作壓力下操作。
[0007]根據一實施例，超合金構造成用於在約1，300 T至約1，500 °F的操作溫度下操作。
[0008]根據一實施例，高操作溫度合金構造成用於在至少約3，OOOpsi的操作壓力下操作。
[0009]根據一實施例，高操作溫度合金構造成用於在約4，OOOpsi至約6，OOOpsi的操作壓力下操作。[0010]根據一實施例，密閉容器包括渦輪構件。
[0011]根據一實施例，渦輪構件包括蒸汽渦輪構件。
[0012]根據一實施例，蒸汽渦輪構件包括渦輪殼。
[0013]根據一實施例，蒸汽渦輪構件包括噴嘴箱。
[0014]根據一實施例，蒸汽渦輪構件包括閥殼體。
[0015]根據一實施例，超合金組合物包括Ni基、Co基或Fe基超合金組合物，或它們的組
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[0016]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約16.0%至約25.0%的Cr、約5.0%至約15.0%的Co、約4.0%至約12.0%的Mo、高達約10.0%的Fe、約1.0%至約6.0%的Nb、約0.3%至約4.0%的T1、約0.05%至約3.0%的Al、約0.002%至約0.04%的B、高達約
0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0017]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約16.0%至約24.0%的Cr、約
5.0%至約15.0%的Co、約5.0%至約12.0%的Mo、高達約1.5%的Fe、約0.5%至約4.0%的T1、約0.30%至約3.0%的Al、約0.002%至約0.04%的B、高達約0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0018]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約19.0%至約21.0%的Cr、約9.0%至約11.0%的Co、約7.0%至約9.0%的Mo、高達約1.5%的Fe、約1.7%至約2.5%的T1、約1.2%至約1.8%的Al、約0.002%至約0.01%的B、高達約0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0019]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約19.5%至約20.5%的Cr、約
9.5%至約10.5%的Co、約8.3%至約8.7%的Mo、高達約1.5%的Fe、約1.9%至約2.3%的T1、約1.3%至約1.7%的Al、約0.003%至約0.008%的B、高達約0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0020]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約16.0%至約25.0%的Cr、約
4.0%至約12.0%的Mo、高達約10.0%的Fe、約1.0%至約6.0%的Nb、約0.3%至約4.0%的T1、約0.05%至約1.0%的Al、約0.002%至約0.004%的B、高達約0.05%的Mn和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0021]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約17.0%至約27.0%的Cr、約
6.0%至約12.0%的Mo、約2.0%至約7.0%的Nb或Ta或它們的組合、約0.2%至約2.0%的T1、約0.2%至約2.0%的Al、高達約5%的Fe、高達約1.0%的Co、高達約0.5%的Mn、高達約
0.5%的S1、高達約0.1%的C、高達約0.005%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0022]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約20.0%至約23.0%的Cr、約8.0%至約10.0%的Mo、約3.15%至約4.15%的Nb或Ta或它們的組合、約0.2%至約0.4%的T1、約0.2%至約0.4%的Al、高達約5%的Fe、高達約1.0%的Co、高達約0.5%的Mn、高達約0.5%的S1、高達約0.1%的C、高達約0.005%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0023]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約20.5%至約22.0%的Cr、約8.5%至約9.5%的Mo、約3.30%至約4.0%的Nb或Ta或它們的組合、約0.2%至約0.4%的T1、約0.15%至約0.30%的Al、約2.0%至約4.0%的Fe、高達約1.0%的Co、高達約0.2%的Mn、高達約0.15%的S1、約0.01%至約0.035%的C、高達約0.005%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0024]根據一實施例，Ni基超合金組合物以重量計包含:約17.0%至約27.0%的Cr、約
8.0%至約 18.0% 的 Co、約 6.0%至約 12.0% 的 Mo、約 0.1%至約 0.6% 的 T1、約 0.5% 至約 2.0%的Al、高達約3%的Fe、高達約0.6%的Mn、高達約0.6%的S1、高達約0.5%的Cu、約0.02%至約0.15%的C、高達約0.006%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0025]根據一實施例，鑄造微觀結構還包括大致無偏析的微觀結構或大致細晶粒微觀結構中的至少一個，或它們的組合。
[0026]根據一實施例，一種大體積、鑄造超合金製品，其具有至少約4立方英尺的體積和大致無孔隙的鑄造微觀結構，製品構造成用於在至少約1，400 °F的操作溫度下操作。
[0027]根據一實施例，一種大體積、鑄造超合金壓力密閉容器，其包括中空本體部分和大致無孔隙的鑄造微觀結構。
[0028]根據一實施例，容器包括蒸汽渦輪的構件。
[0029]根據一實施例，容器具有至少約4立方英尺的超合金的體積或者構造成用於在至少約1，200 °F的操作溫度和至少約1，500psi的操作壓力下操作，或前面的任意組合。
[0030]這些和其它優點及特徵將從以下結合附圖的說明變得更加顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031 ] 視為本發明的主題在權利要求書中具體指出並在說明書的總結處的權利要求書中清楚地主張權利。從以下結合附圖的詳細說明，本發明的前述和其它特徵及優點顯而易見，在附圖中:
圖1是如本文中公開的包括用於蒸汽渦輪的鑄造蒸汽渦輪殼的鑄造超合金壓力密閉容器的示例性實施例的截面圖；
圖2是適合與圖1的蒸汽渦輪聯用的如本文公開的包括蒸汽渦輪噴嘴箱的鑄造超合金壓力密閉容器的第二示例性實施例的透視圖；
圖3是圖2中所示的噴嘴箱的局部截面圖；
圖4適合與圖1的蒸汽渦輪聯用的如本文公開的包括蒸汽渦輪閥殼體的鑄造超合金壓力密閉容器的第三示例性實施例的截面圖；以及
圖5是適合用來形成本文所公開的大體積、鑄造超合金壓力密閉容器的Ni基超合金組合物的各種不例性實施例的表格。
[0032]詳細說明參照附圖通過示例的方式解釋了本發明的實施例以及優點和特徵。【具體實施方式】
[0033]參照附圖，且特別參照圖1-4，公開了大體積、鑄造壓力密閉容器10。在各種實施例中，大體積、鑄造壓力密閉容器10可包括各種渦輪壓力密閉容器，如本文中所述。大體積、鑄造壓力密閉容器10特別適合作為在各種蒸汽渦輪構型中的非旋轉構件的應用和用途，特別是適合經入口 14接收高壓流體流12並典型地以通過壓力密閉容器10的壓力下降或上升來使高壓流體流12經中空本體部分16傳送到單獨的出口 18的構型。因此，該容器必須構造成接受高的絕對壓力，例如約1，500psi，並在將流12傳送到出口 18的同時密閉壓力。鑄造壓力密閉容器10具有至少約4立方英尺的鑄造體積或用來形成鑄件的材料體積和大致無孔隙的鑄造微觀結構20。鑄造壓力密閉容器10由超合金形成並構造成在至少約1，200 °F的操作溫度和至少約1，500psi的操作壓力下連續操作。鑄造壓力密閉容器10典型地還將具有大的壁剖面厚度，在一個實施例中，其包括約3英寸或以上的壁剖面厚度，並且更具體地約6英寸或以上的壁剖面厚度，並且更加具體地約8英寸或以上的非常大的壁剖面厚度。在一個實施例中，壁剖面厚度的範圍為從約3英寸至約12英寸，並且更具體地約3至約8英寸，並且更加具體地約3至約6英寸。在另一實施例中，壁剖面厚度的範圍為從約3英寸至約12英寸，並且更具體地約6英寸至約12英寸，並且更加具體地約8英寸至約12英寸。超合金壓力密閉容器10可包括用於任何類型的高溫渦輪一包括各種燃氣渦輪和蒸汽渦輪一的構件6，但由於要求非常大的壁剖面厚度並因此要求非常大體積鑄件的各種蒸汽渦輪構件的規格和尺寸而特別適合在蒸汽渦輪中使用。在一個實施例中，鑄造大壁剖面超合金渦輪構件10可包括噴嘴箱200。在另一實施例中，鑄造大壁剖面超合金渦輪構件10可包括渦輪殼106。在又一實施例中，鑄造大壁剖面超合金渦輪構件10可包括閥殼體300。
[0034]這些鑄造大體積超合金渦輪構件10憑藉能夠在比通過鍛造或鑄造各種非超合金子構件並將它們結合以形成構件而形成的傳統大壁剖面渦輪構件明顯更高的溫度和/或操作壓力下操作而得以改進。在更高的溫度和/或操作壓力下操作這些構件的能力將提供提高的渦輪操作效率。鑄造提供了用於製造這些大體積超合金渦輪構件10的可生產且經濟划算的方法。包括噴嘴箱200、殼106和閥殼體300以及潛在的其它部件的鑄造大壁剖面超合金潤輪構件10能憑藉由包括沉澱硬化和固溶硬化(solution hardened)的超合金的性能更好的材料製成而在更高的溫度下操作。這些鑄造大體積超合金渦輪構件10可利用離心鑄造形成。離心鑄造將實現由超合金鑄造這些部件。以不同於鑄造的方式由超合金形成這些部件將由於它們的大體積和剖面厚度而極為困難並且還過於昂貴。大剖面厚度超合金的鍛造困難而且昂貴，並且鍛造構件通常將要求超合金的焊接，鑑於所包含的剖面厚度，這也將非常困難而且昂貴。
[0035]超合金已應用於在升高的溫度下要求高強度的許多其它渦輪應用中。然而，由於若干原因，從未由超合金生產大體積渦輪構件，特別是包括噴嘴箱、殼和閥殼體的大體積蒸汽渦輪構件。第一，這些構件的尺寸在規格(長度、寬度、高度和壁剖面厚度)和重量上都非常大，並且通常具有複雜的中空形狀。由實心超合金件如鍛件加工大型中空構件如蒸汽渦輪噴嘴箱、殼(內或外)和閥殼體通常由於必須去除的材料的量和成本(作為廢料被去除的材料量高達90%)以及通過加工或其它方式去除材料的成本而成本太高。相反,可採用離心鑄造來形成中空初始形狀並且還消除對已知由於它們的優秀物理和機械特性一包括強度、韌度、硬度等一而難以加工的合金進行過於複雜的加工的需要。其它鑄造方法可達到這一目的但具有缺點，例如下述的那些缺點。第二，大構件尺寸和鑄造體積在通過傳統方法如砂鑄法鑄造時引起化學偏析(segregation)。超合金傾向於在構件的總體積非常大時一例如，當體積超過4立方英尺時，或者當剖面厚度大時，如文中所述一遭受由於緩慢的固化速度而導致有害的化學偏析，或鑄造孔隙，或兩者。離心鑄造提供了將冷卻速度提升至明顯超過使用砂鑄法所能實現的手段，由此防止不希望的緩慢固化速度和超合金的合金元素、特別是包括Al和Ti的低密度合金元素和包括Cr、Nb、Ta、Mo的提供許多優秀超合金特性的重金屬的偏析。第三，超合金傾向於組成金屬在熔煉期間以及使用傳統方法如砂鑄法的鑄造期間氧化，從而形成不希望的硬、脆雜質(inclusion)，例如各種氧化物，其可顯著降低韌度和疲勞性能。離心鑄造可用來最大限度地減少在鑄造過程中對空氣的暴露並由此將夾雜的氧化物的數量和尺寸減至可接受的水平。應該注意的是，用來形成超合金的熔煉工藝，如具有氬氧脫碳(EAF/A0D)和真空感應熔煉(VIM)的電弧爐利用重熔工藝，例如電渣重熔(ESR)或真空電弧重熔(VAR)，特別是為了解決已知在這些合金的大體積鑄件如錠料(ingot)中發生的偏析、孔隙和氧化。第四，很難由超合金製作大體積構件，特別是具有很大和/或厚的壁剖面的那些。通過其它方法製作大體積超合金構件通常由於與如應用於超合金組合物的傳統製作方法相關的局限性而不可行。例如，鎢惰性氣體(TIG)焊接通常過慢而不適合結合具有厚壁剖面的長區段。電子束焊接要求真空室並且現有的真空室過小而不能容納文中所述的大型蒸汽渦輪構件，例如閥殼體。雷射焊接通常不能進行足夠深的焊接以製造文中所述的大型蒸汽渦輪構件，例如閥殼體。離心鑄造通過將文中所述的大型蒸汽渦輪構件生產為單件或少數件而避免了需要大量的製作，由此消除了或極大地降低了製作需求。總之，離心鑄造的使用克服了與利用一個工藝製造大型超合金渦輪構件、特別是大型蒸汽渦輪構件相關的上述局限性並實現使用鑄造超合金組合物製造改善的渦輪構件。
[0036]在一個實施例中，大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括具有至少約位方英尺的體積的中空本體部分16和大致無孔隙的鑄造微觀結構、無偏析的微觀結構或細晶粒微觀結構或它們的組合。該壓力密閉容器10構造成用於在至少約1，200 °F的操作溫度和至少約1，500psi的操作壓力下操作。大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10將具有至少約位方英尺的體積，並且更具體地可具有至少約8立方英尺的體積，並且更加具體地至少約20立方英尺，並且又更加具體地至少約30立方英尺。在蒸汽渦輪噴嘴箱200的情形中，例如，鑄造體積可為至少約位方英尺，並且更具體地至少約8立方英尺。在蒸汽渦輪殼106，如內殼或外殼的情形中，例如,鑄造體積可為至少約位方英尺，並且更具體地至少約20立方英尺，並且更加具體地至少約30立方英尺。在蒸汽渦輪閥體300的情形中，鑄造體積可為至少約位方英尺，並且更具體地至少約15立方英尺，並且更加具體地至少約25立方英尺。因此，在一個實施例中，可將大體積、鑄造壓力密閉容器描述為具有約4至約30立方英尺、且更具體地約8至約30立方英尺、且更加具體地約15至約30立方英尺的體積。在一實施例中，大體積、鑄造超合金製品具有至少約位方英尺的體積、大致無孔隙的微觀結構，並且構造成用於在至少約1，400 °F的操作 溫度下操作，而不管其所採用的操作壓力如何，包括大氣壓力。亦即，該大體積、鑄造超合金製品構造成用於在至少約1，400 T的操作溫度和較低壓力下操作，包括在大氣壓力下使用。在一個實施例中，超合金鑄造微觀結構除了為大致無孔隙的微觀結構外還是大致無偏析的微觀結構或大致細晶粒微觀結構中的至少一種，或它們的組合。
[0037]大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括超合金，該超合金構造成用於在至少約
I,200 °F、且更具體地至少約1，300 °F、且更加具體地高達約1，500 0F的溫度下操作，例如蒸汽渦輪的大致連續的操作。在一個實施例中，大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括構造成用於在約1，300 T至約1，500 °?的操作溫度下操作的超合金。
[0038]大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括超合金，該超合金構造成用於在至少約
I,500ps1、且更具體地至少約1，800ps1、且再更具體地約3，OOOps1、且更加具體地至少約4，OOOps1、且更具體地高達約6，OOOpsi的操作壓力下操作，例如蒸汽渦輪的大致連續的操作。在一個實施例中，大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括構造成用於在約4，OOOpsi至約6，OOOpsi的操作壓力下操作的超合金。
[0039]參照圖1-4，大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10可包括任何合適的壓力密閉容器10，並且在一個實施例中包括渦輪的壓力密閉渦輪構件6，包括蒸汽渦輪100的壓力密閉蒸汽渦輪構件。圖1是包括高壓(HP)區段102和中壓(IP)區段104的示例性對流蒸汽渦輪100發動機的截面示意圖。鑄造大體積超合金HP殼或殼體106被軸向地分隔成分別的鑄造大體積超合金上半區段108和鑄造大體積超合金下半區段110。在該示例性實施例中，殼106和半區段108和110是內殼體。備選地，鑄造大體積超合金殼106以及半區段108和110是外殼體。定位在HP區段102與IP區段104之間的中心區段118包括高壓蒸汽入口120和中壓蒸汽入口 122。噴嘴箱(在圖1中未示出)流體地聯接在各高壓蒸汽入口 120與高壓區段102以及中壓蒸汽入口 122與中壓區段104之間。
[0040]在操作期間，高壓蒸汽入口 120從蒸汽源例如功率鍋爐(圖1中未示出)接收高壓/高溫蒸汽。蒸汽從高壓蒸汽入口 120流經第一噴嘴箱(圖1中未示出)、經過輸入噴嘴136且經過HP區段102，其中從蒸汽提取功以經由聯接到軸140上的多個渦輪葉片或輪葉(在圖1中未示出)旋轉旋轉軸140。
[0041]在該示例性實施例中，蒸汽渦輪100是反向流動的高壓和中壓蒸汽渦輪組合。備選地，本發明可與包括但不限於低壓渦輪的任何單獨的渦輪聯用。此外，本發明並不限於與對流蒸汽渦輪聯用，而是可與包括但不限於單向流動和雙向流動渦輪蒸汽渦輪的蒸汽渦輪構型聯用。
[0042]參照圖2，在一個實施例中，大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括具有噴嘴箱200 (圖2)形式的渦輪100 (圖1)的壓力密閉渦輪構件6。圖2是具有可供蒸汽渦輪發動機100使用的文中所述的鑄造體積的鑄造大體積超合金蒸汽渦輪噴嘴箱200的透視圖。在示例性實施例中，噴嘴箱200包括環形腔室202和與環形腔室202流動連通地聯接的兩個入口 204，其中各入口 204具有軸向中心線Cp蒸汽渦輪噴嘴箱200可由如文中所述的超合金鑄造成乾淨形狀(net shape)，並且更具體地可鑄造成接近乾淨形狀且可接受各種整修操作，例如加工，以形成如圖2和圖3中所示的形狀。圖3是噴嘴箱200和環形腔室202的局部截面圖。在該示例性實施例中，僅示出了環形腔室202的半圓形半部，然而，鑄造大體積超合金蒸汽渦輪噴嘴箱200可作為整個環形腔室202鑄造。在該示例性實施例中，噴嘴箱200包括在各入口 204之間等距隔開的豎直中心線Cp在備選實施例中，噴嘴箱200可包括多於或少於兩個的入口 204。
[0043]環形腔室202包括第一區段206、第二區段208和在它們之間一體地延伸的中心區段210。在具有多於或少於兩個的入口 204的實施例中，環形腔室202可包括多於或少於三個的區段。環形腔室202還包括由內環形壁214和從內環形壁214徑向向外的外環形壁216限定的流動路徑212。流動路徑212包括流動路徑第一區段218、流動路徑第二區段220和流動路徑中心區段222。具體而言，在該示例性實施例中，流動路徑第一區段218被限定在腔室第一區段206內，流動路徑第二區段220被限定在腔室第二區段208內，而流動路徑中心區段222被限定在腔室中心區段210內。此外，各入口 204包括與流動路徑212流動連通地聯接的貫穿其形成的流動路徑224。具體而言，第一輸入流動路徑226與流動路徑第一區段218流動連通地聯接，而第二輸入流動路徑228與流動路徑第二區段220流動連通地聯接。
[0044]在操作期間，處於文中所述的操作溫度和壓力下的蒸汽經入口 204流入環形腔室202中。具體而言，蒸汽被引導通過輸入流動路徑226和228並排出到環形腔室202中，其中從輸入流動路徑226排出的蒸汽進入流動路徑第一區段218，而從輸入流動路徑228排出的蒸汽進入流動路徑第二區段220。在環形腔室202內，流動路徑第一區段218和流動路徑第二區段220與流動路徑中心區段222流動連通地聯接，使得環形腔室202有利於提供具有通過其的均勻分布壓力的單一流動路徑212。具體而言，被引導通過輸入流動路徑226和228的蒸汽在環形腔室202內混合，使得從噴嘴箱200排出的蒸汽具有均勻的溫度和壓力。蒸汽經多個噴嘴(圖2中未示出)從噴嘴箱200排出到蒸汽渦輪如蒸汽渦輪100的第一級中。環形腔室202內的蒸汽混合物有利於在相等的溫度和壓力下經多個噴嘴中的每一個噴嘴排出蒸汽。因此，該室提供了渦輪的第一級內的壓力密閉和流動定向。
[0045]參照圖4，在一個實施例中，大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10包括用於蒸汽閥310的閥殼體300形式的渦輪8的壓力密閉渦輪構件6。殼體300容納作為蒸汽渦輪的一部分的蒸汽閥310的構件。例如，蒸汽渦輪閥310可以是組合的主截止和控制閥、再熱閥、或其它類型的蒸汽渦輪閥(「流動閥」)，其引導蒸汽流如帶箭頭314的線所示在入口 312(例如，管道)處進入流動閥310，然後通過流動閥310內部的過濾器315中的開口並通過流動閥310，並如帶箭頭318的線所示從流動閥310的出口 316 (例如，管道)離開，併到達蒸汽渦輪的更多構件。
[0046]控制閥322和/或截止閥324也被容納在流動閥310的閥殼體300內。控制閥322可包括構造成以已知方式(例如，液壓地、氣動地、馬達驅動等)被驅動以例如進行如帶箭頭328的線所示的線性移動的缸或杆326。控制閥322還包括閥體330，其位於杆326的一端處並與杆326連接或一體地形成以使控制閥本體330與杆326的移動同時運動。控制閥本體330包括形成在控制閥本體330的下部中的空腔332。
[0047]大體積、鑄造超合金壓力密閉容器10由超合金形成。可採用任何合適的超合金。合適的超合金包括Ni基、Co基或Fe基超合金組合物,或它們的組合。在這些組合物之中，Ni基超合金特別有用，包括合金625、合金282、合金617和合金725合金組合物，如圖5中所示。
[0048]在一個實施例中，超合金組合物是Ni基超合金組合物，其通常包含合金625、合金282、合金617和合金725合金組合物，包括以重量計包含以下成分的合金組合物:約16.0%至約25.0%的Cr、約5.0%至約15.0%的Co、約4.0%至約12.0%的Mo、高達約10.0%的Fe、約1.0%至約6.0%的Nb、約0.3%至約4.0%的T1、約0.05%至約3.0%的Al、約0.002%至約
0.04%的B、高達約0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0049]在一個實施例中，超合金組合物是通常包含合金282的Ni基超合金組合物，包括以重量計包含以下成分的合金組合物:約16.0%至約24.0%的Cr、約5.0%至約15.0%的Co、約5.0%至約12.0%的Mo、高達約1.5%的Fe、約0.5%至約4.0%的T1、約0.30%至約3.0%的Al、約0.002%至約0.04%的B、高達約0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0050]在另一實施例中，超合金組合物是以重量計包含以下成分的Ni基超合金組合物:約19.0%至約21.0%的Cr、約9.0%至約11.0%的Co、約7.0%至約9.0%的Mo、高達約1.5%的Fe、約1.7%至約2.5%的T1、約1.2%至約1.8%的Al、約0.002%至約0.01%的B、高達約
0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0051]在又一實施例中，超合金組合物是以重量計包含以下成分的Ni基超合金組合物:約19.5%至約20.5%的Cr、約9.5%至約10.5%的Co、約8.3%至約8.7%的Mo、高達約1.5%的Fe、約1.9%至約2.3%的T1、約1.3%至約1.7%的Al、約0.003%至約0.008%的B、高達約0.30%的Mn、高達約0.15%的Si和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0052]在一個實施例中，超合金組合物是通常包含合金725的Ni基超合金組合物，包括以重量計包含以下成分的合金組合物:約16.0%至約25.0%的Cr、約4.0%至約12.0%的Mo、高達約10.0%的Fe、約1.0%至約6.0%的Nb、約0.3%至約4.0%的T1、約0.05%至約1.0%的Al、約0.002%至約0.004%的B、高達約0.05%的Mn和小於0.02%的C，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0053]在一個實施例中，超合金組合物是通常包含合金625的Ni基超合金組合物，包括以重量計包含以下成分的合金組合物:約17.0%至約27.0%的Cr、約6.0%至約12.0%的Mo、約2.0%至約7.0%的Nb或Ta或它們的組合、約0.2%至約2.0%的T1、約0.2%至約2.0%的Al、高達約5%的Fe、高達約1.0%的Co、高達約0.5%的Mn、高達約0.5%的S1、高達約0.1%的C、高達約0.005%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0054]在另一實施例中，超合金組合物是以重量計包含以下成分的Ni基超合金組合物:約20.0%至約23.0%的Cr、約8.0%至約10.0%的Mo、約3.15%至約4.15%的Nb或Ta或它們的組合、約0.2%至約0.4%的T1、約0.2%至約0.4%的Al、高達約5%的Fe、高達約1.0%的Co、高達約0.5%的Mn、高達約0.5%的S1、高達約0.1%的C、高達約0.005%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0055]在又一實施例中，超合金組合物是以重量計包含以下成分的Ni基超合金組合物:約20.5%至約22.0%的Cr、約8.5%至約9.5%的Mo、約3.30%至約4.0%的Nb或Ta或它們的組合、約0.2%至約0.4%的T1、約0.15%至約0.30%的Al、約2.0%至約4.0%的Fe、高達約1.0%的Co、高達約0.2%的Mn、高達約0.15%的S1、約0.01%至約0.035%的C、高達約
0.005%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0056]在一個實施例中，超合金組合物是通常包含合金617的Ni基超合金組合物，包括以重量計包含以下成分的合金組合物:約17.0%至約27.0%的Cr、約8.0%至約18.0%的Co、約6.0%至約12.0%的Mo、約0.1%至約0.6%的T1、約0.5%至約2.0%的Al、高達約3%的Fe、高達約0.6%的Mn、高達約0.6%的S1、約0.02%至約0.15%的C、高達約0.5%的Cu、高達約0.006%的B，餘量為Ni和附帶或微量雜質。
[0057]在另一實施例中，超合金組合物是以重量計包含以下成分的Ni基超合金組合物:約20.0%至約24.0%的Cr、約10.0%至約15.0%的Co、約8.0%至約10.0%的Mo、約0.1%至約0.6%的T1、約0.8%至約1.5%的Al、高達約2%的Fe、高達約0.5%的Mn、高達約0.5%的S1、約0.02%至約0.15%的C、高達約0.5%的Cu、高達約0.006%的B，餘量為Ni和附帶或微
量雜質。
[0058]在又一實施例中，超合金組合物是以重量計包含以下成分的Ni基超合金組合物:約21.0%至約23.0%的Cr、約12.0%至約13.0%的Co、約8.5%至約9.5%的Mo、約0.2%至約0.4%的T1、約1.1%至約1.3%的Al、高達約1%的Fe、高達約0.20%的Mn、高達約0.15%的S1、約0.02%至約0.08%的C、高達約0.2%的Cu、高達約0.006%的B，餘量為Ni和附帶
或微量雜質。
[0059]離心鑄造的使用將使得能夠實現具有比使用傳統鑄造方法可實現的晶粒尺寸小的晶粒尺寸並且顯著有助於這些製品的有效性的鑄造大體積超合金製品。例如，離心鑄造可用來在這些製品中實現約4的ASTM晶粒尺寸，其提供適合在高級超臨界蒸汽渦輪應用中使用的物理和機械特性，例如，與利用傳統鑄造方法可實現的約00的ASTM晶粒尺寸形成對照，該晶粒尺寸提供了可能不適合在高級超臨界蒸汽渦輪應用中使用的物理和機械特性。換句話說，離心鑄造提供了本文中公開的超合金的晶粒尺寸的約4-6ASTM晶粒尺寸數的減小。該減小有益於疲勞性能。
[0060]本文公開的鑄造大體積超合金製品將使得能夠開發高級超超臨界蒸汽渦輪。超超臨界蒸汽渦輪目前採用約1，150 T和3770psi的輸入蒸汽條件。本文公開的鑄造大體積超合金製品的使用將實現至少約1，200 T和至少約1，500psi的操作壓力的更高輸入蒸汽條件，如本文中所述。
[0061]本文中的用語「一」和「一個」不表示對數量的限制，而是表示至少存在一個所談及項。結合數量使用的修飾語「約」包括所述及的值並具有由上下文決定的含義(例如，包括與特定數量的測量相關的誤差程度)。此外，除非另外限制，否則文中所公開的所有範圍是包括性的並且可組合(例如，範圍「高達約25重量％(wt.%)、更具體地約5wt.%至約20wt.%且更加具體地約IOwt.%至約15wt.%」包括範圍的端點和所有中間值，例如「約5wt.%至約25wt.%、約5wt.%至約15wt.%」等)。結合合金組合物的成分清單使用「約」適用於全部所列成分，並與範圍結合適用於該範圍的兩個端點。最後，除非另外規定，否則本文所用的所有技術和科學術語具有與本發明所屬的領域的技術人員通常理解相同的含義。如本文中所用的前綴「(多個)」旨在包括其所修飾的術語的單數和複數兩者，由此包括一個或多個該術語(例如，(多種)金屬包括一種或多種金屬)。在整個說明書中對「一個實施例」、「另一個實施例」、「實施例」等的提及意味著結合該實施例所述的特定元件(例如，特徵、結構和/或特性)被包括在文中所述的至少一個實施例內，並且可或可不在其它實施例中存在。
[0062]應該理解的是，與文中所述的合金組合物結合使用「包含」具體公開並包括其中合金組合物「主要由」提到的成分「組成」(即，包含提到的成分並且不包含明顯不利地影響所公開的基本和新穎特徵的其它成分)的實施例，以及其中合金組合物由提到的成分「組成」(即，除各提到的成分中天然且不可避免地存在的雜質以外僅包含提到的成分)的實施例。
[0063]雖然已結合僅有限數量的實施例詳細地描述了本發明，但應當容易理解的是，本發明並不局限於這些公開的實施例。相反，可對本發明進行修改以加入此前未描述但與本發明的精神和範圍相稱的任何數量的變型、改型、替換或等同布置。此外，雖然已經描述了本發明的各種實施例，但應理解，本發明的各個方面可僅包括一部分所述的實施例。因此，本發明不應被視為通過前面的描述來限制，而僅通過所附權利要求的範圍來限制。
【權利要求】
1.一種大體積、鑄造超合金壓力密閉容器，包括具有至少約4立方英尺體積的中空本體部分和大致無孔隙的鑄造微觀結構，所述密閉容器構造成用於在至少約1，200 °F的操作溫度和至少約l，500psi的操作壓力下操作。
2.根據權利要求1所述的密閉容器，其特徵在於，所述超合金構造成用於在約1，300 °F至約1，500 °F的操作溫度下操作。
3.根據權利要求1所述的密閉容器，其特徵在於，所述高操作溫度合金構造成用於在至少約3，OOOpsi的操作壓力下操作。
4.根據權利要求3所述的密閉容器，其特徵在於，所述高操作溫度合金構造成用於在約4，OOOpsi至約6，OOOpsi的操作壓力下操作。
5.根據權利要求1所述的密閉容器，其特徵在於，所述密閉容器包括渦輪構件。
6.根據權利要求5所述的密閉容器，其特徵在於，所述渦輪構件包括蒸汽渦輪構件。
7.根據權利要求6所述的密閉容器，其特徵在於，所述蒸汽渦輪構件包括渦輪殼。
8.根據權利要求6所述的密閉容器，其特徵在於，所述蒸汽渦輪構件包括噴嘴箱。
9.根據權利要求6所述的密閉容器，其特徵在於，所述蒸汽渦輪構件包括閥殼體。
10.根據權利要求1所述的密閉容器，其特徵在於，所述超合金組合物包括Ni基、Co基或Fe基超合金組合物,或它們的組合。
【文檔編號】F02C1/00GK103470375SQ201310220044
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年6月5日 優先權日:2012年6月5日
【發明者】D.F.珀迪, R.C.施萬特 申請人:通用電氣公司