CN102650221A - 爆炸焊接燃气涡轮护罩和形成爆炸焊接燃气涡轮的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及爆炸焊接燃气涡轮护罩和形成爆炸焊接燃气涡轮的工艺。公开了一种爆炸焊接涡轮护罩和一种形成爆炸焊接燃气涡轮护罩的工艺。爆炸焊接燃气涡轮护罩包括爆炸焊接到第二合金的第一合金。在爆炸焊接燃气涡轮护罩中，第一合金形成热气体路径的至少一部分或者燃气涡轮护罩的膨胀区域包括第一合金。工艺包括将第一合金爆炸焊接到第二合金以形成燃气涡轮护罩。

Description

爆炸焊接燃气涡轮护罩和形成爆炸焊接燃气涡轮的工艺
技术领域
本发明涉及制造构件和形成制造构件的工艺。更尤其地，本发明涉及爆炸焊接(explosion weld)构件和爆炸焊接工艺。
背景技术
燃气涡轮内的操作温度在热和化学方面是不利的。通过铁、镍和钴基超级合金的开发和能够保护超级合金使之免于氧化、热腐蚀等的环境涂层的利用，已经取得了在高温性能方面的显著进步，但是持续开发涂层系统以改进材料的性能。
在燃气涡轮的压缩器部分中，在工艺中大气空气压缩到10到25倍的大气压力，并且绝热地加热到800°F-1250°F(427℃-677℃)。该加热和压缩的空气引导进燃烧器，在燃烧器中它与燃料混合。燃料被点燃，并且燃烧工艺将气体加热到非常高的温度，超过3000°F(1650℃)。这些热气体经过涡轮，在涡轮中固定到旋转涡轮盘的翼型抽取能量以驱动附连的发电机，其产生电能。为改进涡轮的操作的效率，燃烧温度已经提高。当然，随着燃烧温度提高，必须采取措施以防止形成用于这些燃烧的热气体的流动路径的材料的热退化。
某些已知合金用于沿这些热气体的流动路径布置的构件。这些构件的某些部分必须能够经受高于这些构件的其它部分的温度。例如，某些部分可抵抗用于绝热加热的温度(例如，800°F-1250°F)并且其它部分可进一步抵抗通过燃烧工艺加热的热气体(例如，超过3000°F)。完全由抵抗最高温度的合金制成的构件可由于过度昂贵或者不能包括在构件的其它部分中期望的其它性质而不合意。可选地，完全由仅抵抗较低温度的部分的温度的合金制成的构件可失效。
总体上，燃气涡轮护罩由一个或者多个环形件或柱形件制造。因此，制造和加工工具构造成用于从一个或者多个环形件或者柱形件制造燃气涡轮护罩。用来形成燃气涡轮护罩的多种材料的焊接可包括诸如堆焊、带极堆焊、硬焊或固态结合的技术。这些技术遭受如下缺点，即它们可基于材料的性质(例如，晶体结构、成分或其它适当性质)而受限制。
爆炸焊接是结合技术，其大体包括通过爆炸力焊接平面材料并且导致不同于其它焊接技术的微观结构。爆炸焊接允许原本通常不相容的金属进行结合。然而，爆炸焊接工艺受限于简单的形状和几何形状。由此，现有爆炸焊接技术不能在燃气涡轮护罩中使结构结合。
在本领域中将期望不遭受上述缺点中的一个或者多个的爆炸焊接涡轮护罩、爆炸焊接构件和爆炸焊接工艺。
发明内容
根据示范实施例，燃气涡轮护罩包括爆炸焊接到第二合金的第一合金。第一合金形成燃气涡轮护罩的热气体路径的至少一部分。
根据另一示范实施例，燃气涡轮护罩包括膨胀区域和爆炸焊接到第二合金的第一合金。燃气涡轮护罩的膨胀区域包括第一合金。
根据另一示范实施例，形成爆炸焊接燃气涡轮护罩的工艺包括将第一合金爆炸焊接到第二合金。第一合金形成燃气涡轮护罩的热气体路径的至少一部分。
本发明的其它特征和优点将从结合附图的优选实施例的以下更详细的描述中显而易见，该附图通过实例的方式示出了本发明的原理。
附图说明
图1示出根据本公开的实施例的示范爆炸焊接燃气涡轮护罩的透视图。
图2示出如图1所示的示范爆炸焊接燃气涡轮护罩的放大部分。
图3示出根据本公开的实施例的示范爆炸焊接燃气涡轮护罩预成型件的透视图。
图4示出根据本公开的实施例的示范爆炸焊接燃气涡轮护罩预成型件的透视图。
只要可能，相同附图标记将贯穿附图用于表示相同部件。
具体实施方式
提供爆炸焊接燃气涡轮护罩、非平面爆炸焊接构件和形成非平面爆炸焊接构件的工艺。本公开的实施例允许构件用于在热和化学方面不利的环境中，允许构件抵抗氧化和/或热腐蚀，允许构件的总体材料成本相比于单一合金构件降低，允许构件的不同部分具有不同性质(例如，耐热性质)，允许非平面构件具有通过爆炸焊接而可用的性质、允许具有原本不相容的性质的材料结合(例如，原本不相容的晶体结构和/或成分)和它们的组合。
图1示出非平面爆炸焊接构件。尤其地，图1示出爆炸焊接燃气涡轮护罩100。护罩100用于燃气涡轮并且能够周向配置并且与涡轮叶片(未示出)安装在其上的转子(未示出)同心。护罩100包括从大致平面部件109延伸的肋107。在一个实施例中，肋107和大致平面部件109包括相同材料。在另一实施例中，肋107包括不同于大致平面部件109的材料。
护罩100包括第一合金102和第二合金106。第一合金102沿大致平面部件109定位成覆层104并且第二合金106形成大致平面部件109并且是衬底层108。覆层104抵抗高于第一温度(例如，大约1000°F、大约1250°F、大约1500°F、大约2000°F或者大约3000°F)的热。衬底层108抵抗高于第二温度(例如，在800°F与1250°F之间、大约800°F、大约1000°F、大约1250°F、大约1500°F或者大约2000°F)的热。在一个实施例中，第一温度大致高于第二温度。在又一实施例中，第二合金106不适合于暴露到第一温度。
第一合金102是奥氏体合金，诸如奥氏体不锈钢或者奥氏体锰钢。第一合金102是任何适当包覆材料。适当包覆材料包括但不受限于不锈钢合金、铝合金、钽合金、镍合金、铜合金、钛合金、锆合金和它们的组合。在一个实施例中，第二合金106是奥氏体合金。在一个实施例中，第二合金106是诸如铁素体不锈钢的铁素体合金。第二合金106是任何适当衬底材料(backing material)。适当衬底材料包括但不受限于碳素钢、铬钼合金钢、锻件、不锈钢或者它们的组合。
参考图2，第一合金102到第二合金106的爆炸焊接形成具有在第一合金102与第二合金106之间的梯度结构203的微观结构，其如对应于图1的放大区域200中所示。例如，在一个实施例中，第一合金102是奥氏体并且第二合金106是铁素体，第一合金102包括远离第二合金106的大颗粒区域202和接近第二合金106的细颗粒区域204。在该实施例中，第二合金106包括接近第一合金102的非晶体区域206和远离第一合金102的高位错密度区域208。第一合金102到第二合金106的爆炸焊接形成带有在第一合金102与第二合金106之间的过渡区域210的梯度结构203，由此提供焊接的额外强度。将理解，在其它实施例中，第一合金102、第二合金106和额外合金(如果存在)基于期望的性质是奥氏体或铁素体。
再次参考图1，护罩100包括诸如冷却通道、凹口、腔、安装特征或其它适当特征的任何其它适当特征。在操作期间，热气体沿邻接覆层104的路径101流动。邻接路径101的第一区域103内的气体的温度高于邻接路径101的膨胀区域105内的气体的温度。膨胀区域105可以由沿气体的路径101形成的包括成角度的拱形或以别的方式膨胀的区域所识别。
图3到图4示出用于形成护罩100的预成型件300。预成型件300通过使第一合金102爆炸焊接到第二合金106而形成。在图3中所示的实施例中，预成型件300形成带有包括第一合金102的第一区域103和膨胀区域105的护罩100的实施例。在图4中所示的实施例中，预成型件300形成带有还包括第二合金106的膨胀区域105的护罩100的实施例。
在工艺的一个实施例中，护罩100或任何其它适当构件的形成包括定位护罩100的第一部分和定位护罩100的第二部分。第一部分包括第一合金102(例如，覆层104)并且第二部分包括第二合金106(例如，大致平面部件109或衬底层108)。第一部分和第二部分爆炸焊接在一起以形成预成型件300。预成型件300然后加工、变形、进一步焊接或另外处理以移除过量材料302并且形成护罩100的期望特征。在预成型件300不包括肋107的可选实施例中，在爆炸焊接后通过加工来移除材料或者通过结合肋107到大致平面部件109，肋107形成在预成型件300上。
第一合金102到第二合金106的爆炸焊接通过点燃或者爆炸的起爆来利用爆炸力引导第一合金102以接触第二合金106。爆炸焊接持续到第一合金102的期望部分爆炸焊接到第二合金106。爆炸焊接沿任何适当路径执行。适当路径包括但不受限于用于柱形构件(或预成型件)的螺旋路径、一连串路径、S形路径或它们的组合。在包括一连串路径的实施例中，多个协调的点燃或爆炸的起爆协调爆炸焊接(例如，同时发生的、连续的或者以别的方式控制的爆炸)。
在爆炸焊接工艺期间，点燃或爆炸在预定条件下执行。在一个实施例中，参数包括预定压力(例如，在大约1GPa与大约10GPa之间，大约5GPa或者大约10GPa)、预定爆炸速率(例如，在大约1500m/s与4000m/s之间、大约1500m/s与大约2000m/s之间、大约3500m/s与大约4000m/s之间、在大约1500m/s，在大约2000m/s，在大约3500m/s或者在大约4000m/s)、预定冲击角(例如，在大约3°与大约30°之间，在大约3°与大约5°之间，在大约25°与大约30°之间、在大约3°、在大约5°、在大约25°或者在大约30°)、预定碰撞速度(例如，在大约225m/s与大约550m/s之间，在大约225m/s与大约250m/s之间、在大约500m/s与大约550m/s之间、在大约225m/s、在大约250m/s、在大约500m/s、或者在大约550m/s)或者它们的组合。
虽然本发明参考优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将理解，可做出各种改变并且等价物可替换其中的元件而不脱离本发明的范围。另外，可做出许多修改以使特定情形或材料适合本发明的示教而不脱离其基本范围。因此，意图本发明不受限于作为企图用于执行本发明的最佳模式公开的特定实施例，而是本发明将包括在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮护罩，包括：
爆炸焊接到第二合金的第一合金；
其中，所述第一合金形成所述燃气涡轮护罩的热气体路径的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第一合金是奥氏体合金。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第二合金是奥氏体合金。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第二合金是铁素体合金。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第一合金抵抗高于第一温度的热，并且所述第二合金抵抗高于第二温度的热。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第一温度大于所述第二温度。
7.根据权利要求5所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第一温度高于大约3000°F。
8.根据权利要求5所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第二温度在大约800°F与1250°F之间。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，还包括沿所述热气体路径定位的膨胀区域。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述膨胀区域包括所述第一合金和所述第二合金。
11.根据权利要求9所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述膨胀区域由所述第一合金组成。
12.根据权利要求1所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述第一合金沿所述热气体路径减小厚度。
13.一种燃气涡轮护罩，包括：
膨胀区域；和
爆炸焊接到第二合金的第一合金；
其中，所述燃气涡轮护罩的膨胀区域包括所述第一合金。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述膨胀区域还包括所述第二合金。
15.根据权利要求13所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述膨胀区域由所述第一合金组成。
16.根据权利要求13所述的燃气涡轮护罩，其特征在于，所述膨胀区域沿热气体路径定位，并且所述第一合金沿所述热气体路径减小厚度。
17.一种形成爆炸焊接燃气涡轮护罩的工艺，包括：
将第一合金爆炸焊接到第二合金；
其中，所述第一合金形成所述燃气涡轮护罩的热气体路径的至少一部分。
18.根据权利要求17所述的工艺，其特征在于，所述第一合金到所述第二合金的爆炸焊接形成预成型件。
19.根据权利要求18所述的工艺，其特征在于，还包括从所述预成型件移除材料。
20.根据权利要求17所述的工艺，其特征在于，所述爆炸焊接包括多个同时发生的爆炸。
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