CN103361641A - 连结构件的方法、用于使构件抗腐蚀的方法及涡轮叶片 - Google Patents

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W.E.阿迪斯
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Abstract

本发明涉及一种连结构件的方法、用于使构件抗腐蚀的方法及涡轮叶片。提供了连结至少两个构件的方法(500)、防止基础构件腐蚀的方法以及涡轮叶片(10)。连结至少两个构件的方法(500)包括提供(502)激光熔覆设备(30)、使第一构件(40)和第二构件(50)对齐，以及通过激光熔覆连结(510)第一构件(40)和第二构件(50)。第一构件(40)包括与第二构件(50)的第二连结表面(52)相邻的第一连结表面(42)。第一连结表面(42)和第二连结表面(52)通过激光熔覆沿连结平面(34)连结。来自激光熔覆设备的连结材料(32)在第一连结表面(42)与第二连结表面(42)之间提供了至少一个连结(510)层。第一连结表面(42)和第二连结表面(52)包括斜角(82,84)。

Description

连结构件的方法、用于使构件抗腐蚀的方法及涡轮叶片
技术领域
本发明大体上涉及发电系统，并且更具体地，涉及连结至少两个构件的方法、使构件抗腐蚀的方法以及涡轮叶片。
背景技术
发电系统中的构件(诸如，在涡轮设备中使用的涡轮转子叶片和涡轮定子叶片)暴露于腐蚀环境，在该腐蚀环境中，这些构件易受由蒸汽中的水滴和来自氧化物水垢(oxide scale)的细粉尘引起的腐蚀。特别地，水滴可引起后级涡轮叶片的显著腐蚀，在后级涡轮叶片处，这种水滴与用于涡轮驱动的蒸汽混合。因为涡轮叶片的腐蚀导致叶片变薄和由腐蚀引起的叶片的疲劳破坏，所以涡轮叶片的腐蚀为成问题的。
已经实施了各种腐蚀防护措施来试图提高涡轮构件抵抗腐蚀的持久性。这些防护措施中的一个涉及如下方法，该方法使用利用高能量密度热源(诸如，激光束)的低热输入堆焊来在涡轮构件上堆积多个单层。
堆焊花费大量时间来实现期望的腐蚀防护层。使用堆积方法的另一个问题为，腐蚀层还必须在形成为期望的叶片几何形状之后被加工，从而增加处理步骤和制造时间。使用激光束的堆焊方法的又一个问题为，STELLITE®(传统防腐蚀材料)具有大约1.0wt%的相当大的量的碳。因此，复合碳稀释层甚至在较低的热输入的情况下通过在焊接期间混合STELLITE®层和下方涡轮构件的基质而形成。该碳稀释层在焊接操作中是不合乎需要的，这是因为其可导致堆焊部分处的高温破裂。除了碳稀释层的形成造成的问题之外，由堆焊期间的收缩引起的残余应力(拉伸残余应力)随着STELLITE®堆积量变得更大而增大。难以在堆焊之后通过热处理显著地补救的这些残余应力在涡轮操作的环境中可引起损坏，该损坏呈堆积部分的端部的剥落或焊接金属部分处的破裂的形式。
当STELLITE®由激光堆焊时，相比于普通锻造部件的硬度，STELLITE®焊接金属部分的硬度变得极大。例如，当使用STELLITE® No. 6时，锻造部件的洛氏C标尺硬度为大约35至40，而使用激光焊接形成的堆焊部分的硬度显示50或更大的较高值。就是说，使用激光形成的堆焊部分极硬，并且因此易受焊接部分中的破裂。堆焊部分的硬度的升高伴随着强度的升高，但是还伴随着延性和韧性的下降。就是说，堆焊部分的硬度促进了焊接金属部分中的破裂和呈堆积部分的端部的剥落的形式的损坏的出现。
因此，在本领域中合乎需要的是，不遭受以上缺点的连结至少两个构件的方法、防止基础构件腐蚀的方法以及用于发电系统的抗腐蚀涡轮叶片。
发明内容
根据本公开的示例性实施例，提供了一种连结至少两个构件的方法。该方法包括提供激光熔覆设备和使第一构件和第二构件对齐并连结。第一构件具有与第二构件的第二连结表面相邻的第一连结表面。在连结步骤中，第一连结表面和第二连结表面通过激光熔覆设备沿连结平面连结。来自激光熔覆设备的连结材料在第一连结表面与第二连结表面之间提供至少一个连结层。第一连结表面和第二连结表面包括斜角。
在一个方面，激光熔覆设备的激光器为CO2激光器、YAG激光器、LED激光器、使用保护气体的固态激光器。
在另一个方面，第一构件为经受腐蚀环境的构件。第一构件从燃气轮机叶片合金选定。
在又一个方面，第二构件选自包括自钴、铬、钨、碳、镍、铁、硅、钼、锰、它们的合金和它们的组合的材料。
根据本公开的另一个示例性实施例，提供了一种用于使构件抗腐蚀的方法。该方法包括提供第一构件和防腐蚀构件，防腐蚀构件包括单一结构。该方法包括使第一构件与防腐蚀构件沿连结平面对齐。该方法包括使用高密度能量辐照来使第一构件与防腐蚀构件连结。连结步骤包括由高密度能量辐照激励的连结材料，其中，连结材料使防腐蚀构件熔合至第一构件。第一构件和防腐蚀构件包括斜角。
在一个方面，斜角与连结平面成大约45°至大约-45°。
在另一个方面，防腐蚀构件从包括钴、铬、钨、碳、镍、铁、硅、钼、锰、它们的合金和它们的组合的材料选定。
在又一个方面，高密度辐照通过激光熔覆设备执行。
根据本公开的另一个示例性实施例，提供了一种涡轮叶片。涡轮叶片包括具有前缘的翼型件和利用连结材料连结于翼型件的前缘的防腐蚀涂层。翼型件和防腐蚀涂层通过由连结材料和激光熔覆过程形成的至少一个连结层连结。
本发明的其它特征和优点从结合附图进行的优选实施例的下列更详细描述将为显而易见的，该附图经由实例示出本发明的原理。
附图说明
图1为蒸汽涡轮级的实施例的局部透视图。
图2为本公开的图1的蒸汽涡轮的翼型件的实施例的局部截面图。
图3为用于连结第一构件和第二构件的设备的透视图。
图4为图2的翼型件上的两个防腐蚀构件的构造的详细示意图。
图5为形成本公开的翼型件的前缘的方法的流程图。
只要可能，则相同的附图标记将遍及附图用于表示相同的部件。
部件列表
10涡轮
12翼型件
14前面
16前端
18前缘
30激光熔覆设备
32连结材料
34连结平面
36连结层(连结材料)
40第一构件
42第一连结表面
50第二构件(腐蚀)
52第二连结表面
54防腐蚀涂层(防腐蚀构件)
60粉末材料
62喷嘴
64激光束
68焊接方向
70中间层(在激光熔覆之前，用于附加碳抵抗)-(位于中间，帮助碳转移，其作为过渡层和防护层)
82第一连结表面斜角
84第二连结表面斜角
86长度
90定位焊接
500方法
502提供防腐蚀构件
504使防腐蚀构件与基础构件沿连结平面对齐
506将防腐蚀构件暂时地固定至基础构件
508施加防护层
510使用高密度能量辐照和连结材料来使防腐蚀构件与基础构件连结。
具体实施方式
提供了不遭受现有技术中的缺点的连结至少两个构件的方法、防止基础构件腐蚀的方法以及用于发电系统的抗腐蚀涡轮叶片。
本公开的实施例的一个优点包括用于针对末级动叶(LSB)上的水滴的增强防护的局部较厚的防腐蚀涂层。本公开的实施例的另一个优点包括如下方法，该方法施加防腐蚀涂层，具有基础构件金属的较少表面分裂和防腐蚀金属的较少表面分裂。本公开的实施例的另一个优点为，该方法允许用于熔覆和连结两种不同材料(即，基础构件金属和防腐蚀金属)的定制合金喷涂。本公开的实施例的又一个优点为，该方法允许两种不相似的金属的较坚固的较小应力连结。本公开的实施例的又一个优点为，相比于使用具有与垫片的电子束(EB)/TIG焊接的多次熔覆手段(pass)来施加防腐蚀涂层，连结方法提供了将防腐蚀涂层施加于基础构件的成本更有效的过程。本公开的实施例的又一个优点为，相比于与垫片的使用传统电子束(EB)/TIG的焊接，减少了施加防腐蚀涂层的循环时间。本公开的实施例的另一个优点为，该方法防止碳化物跨越基底金属构件和防腐蚀构件的连结表面的扩散。
因为连结方法防止碳化物跨越基底金属构件和附接构件的连结表面的扩散，所以使用本公开的方法构造的构件具有提高的结构完整性。本公开的实施例在图2中示出，但是本公开不受限于示出的结构。
发电系统包括但不受限于燃气涡轮、蒸汽涡轮以及其它涡轮组件。如本文中提到的，可互换地使用涡轮叶片和涡轮动叶。
图1描绘了蒸汽涡轮动叶10的实施例，蒸汽涡轮动叶10具有多个翼型件12，翼型件12具有前缘18。如图2所示，每个翼型件12包括每个翼型件12的前端16处的前面14。前缘18使用公开的连结方法形成在前面14处，从而使防腐蚀涂层54联结于前面14。如图5所示，连结至少两个构件40和50的方法包括提供激光熔覆设备30、使第一构件40和第二构件50对齐，以及连结第一构件40和第二构件50。如图2至图4所示，第一构件40包括与第二构件50的第二连结表面52相邻的第一连结表面42。连结步骤包括通过激光熔覆设备30沿连结平面34连结第一构件40的第一连结表面42和第二构件50的第二连结表面52(见图3)。来自激光熔覆设备30的连结材料32在第一连结表面42与第二连结表面52之间提供了至少一个连结层36(见图3)。
如图3所示，激光熔覆设备30包括激光束64和用于使粉末材料60沉积以形成至少一个连结层36的喷嘴62。适合的激光熔覆设备30的实例包括但不受限于CO2激光器、Nd:YAG激光器、LED激光器、二极管激光器或固态激光器。激光器以脉冲模式或连续模式操作，其中，输出在100瓦至几千瓦之间。激光熔覆设备30利用保护气体操作，该保护气体诸如但不受限于氩和氮。
回到图2，涡轮叶片翼型件包括第一构件40。大体上，第一构件40由包括适合的已知涡轮叶片或动叶材料的材料构成，该材料诸如例如但不受限于钢、不锈钢、沉淀硬化钢、它们的合金和它们的组合。用于第一构件40的材料的适合的实例包括但不受限于能够从Carpenter Technology Corporation, Reading, PA得到的GTD450或Custom 450®。第一构件40包括第一连结表面42。第一连结表面42加工或形成在翼型件12的前面14处。第一连结表面包括相对于连结平面34的斜角82，斜角82为从大约0度至大约45度，或者可选地为大约5度至大约40度，或者可选地为10度至35度(见图4)。
如图2所示，第二构件50为单一的预先形成的防腐蚀涂层54。在可选实施例中，第二构件50为未成形的防腐蚀涂层，其要求在连结于期望的几何形状之后进一步加工。防腐蚀涂层54预先形成为用于构件(诸如例如翼型件12的前缘18)的期望尺寸。预先形成的第二构件50由抗腐蚀材料构成，该抗腐蚀材料包括钴、铬、钨、碳、镍、铁、硅、钼、锰、它们的合金和它们的组合。用于第二构件50的材料的适合实例包括但不受限于钴铬基合金，诸如例如STELLITE®材料，诸如能够从Deloro Stellite Group, Goshen, Indiana得到的STELLITE®6和6B。
第二连结表面包括相对于连结平面34的斜角84，斜角84为从大约0度至大约-45度，或者可选地为大约-5度至大约-40度，或者可选地为-10度至-35度(见图4)。在不被理论约束的情况下，斜角82和84允许起作用的连结表面，同时防止碳从下方的第一构件40转移至第二构件50。
如图3所示，图3为使用激光熔覆设备30施加中间层70的透视图，第一构件40的第一表面42与第二构件52的第二表面52相邻地对齐。在一个实施例中，定位焊接(tacking weld)90用于在激光熔覆之前使第一构件40和第二构件50暂时地保持在适当的位置。在可选实施例中，固定用于使第一构件40和第二构件50保持在适当的位置。固定的实例包括使用夹具或其它保持器件来在激光熔覆之前使第一构件40和第二构件50对齐和保持在适当的位置。
如图3和图4所示，第一构件40的第一表面42和第二构件50的第二表面52通过激光熔覆沿长度86在来回的焊接方向68上沿连结平面34连结。连结材料32包括至少一个连结层36，并且可包括附接第一表面42和第二表面52所必需的任何数量的连结层36。在一个实施例中，连结材料32为具有第一构件40与第二构件50中间的材料性能的材料。连结材料32从包括镍、铬、铁、硅、钼、铌、钴、锰、铜、铝、钛、它们的合金和它们的组合的材料选定。连结材料32的适合的实例包括但不受限于奥氏体镍铬基超级合金(诸如例如能够从Special Metals Corporation, Huntington, West Virginia得到的包括INCONEL ®600和625的INCONEL®材料)和钴铬基合金(诸如例如能够从Deloro Stellite Group, Goshen, Indiana得到的包括STELLITE®6和6B的STELLITE®材料)。
如图4所示，在一个实施例中，任选中间层70在通过激光熔覆连结之前施加于第一构件40的第一表面42和第二构件50的第二表面52。在可选实施例中，中间层70仅施加于第一表面42或第二表面中的一个。在又一个实施例中，没有中间层70在通过激光熔覆连结第一构件40和第二构件50之前施加于第一表面42或第二表面52。中间层70从镍、铬、铁、硅、钼、铌、钴、锰、铜、铝、钛、它们的合金和它们的组合选定。中间层70的适合的实例包括但不受限于奥氏体镍铬基超级合金，诸如例如能够从Special Metals Corporation, Huntington, West Virginia得到的包括INCONEL®600和625的INCONEL®材料。在一个实施例中，中间层70以如下厚度施加，该厚度为大约0毫米至大约2毫米，或者可选地为0.3毫米至大约1.5毫米，或者为大约0.4毫米至大约1.0毫米。在不被理论约束的情况下，中间层70用作防护层，并且防止碳从下方的第一构件40转移至第二构件50。
如图3所示，用以使第一构件40的第一表面42与第二构件50的第二表面52连结的激光熔覆从定位焊接部90或在第一构件40与第二构件50之间的最中心的相邻点处沿连结平面34前进构件的沿焊接方向68的端部长度86。此外，激光熔覆可在焊接方向68上从构件的端部开始并且朝向定位焊接部。激光熔覆设备30使连结材料32(连结材料32原来是来自喷嘴62的粉末60)沉积，并且通过激光束64熔化以形成第一表面42与第二表面52之间的至少一个连结层36。该过程在相邻侧重复。
在图5中示出用于防止在腐蚀环境中使用的基础构件12的腐蚀的方法500。方法500包括提供防腐蚀构件54，步骤502。防腐蚀构件54由单个完工的结构构成，大体上由诸如STELLITE®6的材料构成。接下来，防腐蚀构件54沿连结平面34与基础构件12或翼型件对齐(见图3)，步骤504。任选地，防腐蚀构件54和基础构件12使用暂时的定位焊接或点焊接90或诸如夹具的其它固定器件暂时地连结或固定(见图3)，步骤706。任选地，中间层70施加于基础构件12的连结表面42和/或52中的一个或两者或防腐蚀构件54(见图4)，步骤508。接下来，使用诸如激光熔覆的在焊接方向68上的高密度能量辐照连结防腐蚀构件54和基础构件12(见图3)，步骤510。步骤510包括连结材料32，连结材料32由高密度能量辐照或激光束64激励，并且连结材料32使防腐蚀构件54熔合至基础构件12。
虽然已经参考优选实施例描述本发明，但是本领域技术人员将理解，在不背离本发明的范围的情况下，可作出各种变化，并且等同物可替代其元件。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可作出许多修改以使特定情况或材料适合本发明的教导。因此，意图是，本发明不受限于公开为设想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (13)

1. 一种连结至少两个构件的方法(500)，其包括：
提供(502)激光熔覆设备(30)；
使具有第一连结表面(42)的第一构件(40)对齐(504)，所述第一构件(40)的第一连结表面(42)与第二构件(50)的第二连结表面(52)相邻；
通过激光熔覆沿连结平面(34)连结(510)所述第一构件(40)的第一连结表面(42)和所述第二构件(50)的第二连结表面(52)，其中，来自所述激光熔覆设备(30)的连结材料(32)在所述第一连结表面(42)与所述第二连结表面(52)之间提供至少一个连结层(36)，并且其中，所述第一连结表面(42)和所述第二连结表面(52)包括斜角(82,84)。
2. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述方法(500)还包括在连结步骤之前将所述第一构件(40)定位焊接(90)或固定至所述第二构件(50)。
3. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述第一连结表面(42)的斜角(82)相对于所述连结平面(34)为大约0度至大约45度。
4. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述第二连结表面(52)的斜角(84)相对于所述连结平面(34)为大约0度至大约-45度。
5. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述第二构件(50)为防腐蚀涂层(54)。
6. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述第一构件(40)在连结(510)步骤之前熔覆有至少一个中间层(70)。
7. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述第二构件(50)在连结(510)步骤之前熔覆有至少一个中间层(70)。
8. 根据权利要求1所述的方法(500)，其特征在于，所述连结材料(32)从具有所述第一构件(40)与所述第二构件(50)之间的机械性能的材料选定。
9. 一种用于使构件(40)抗腐蚀的方法(500)，其包括：
提供(502)第一构件(40)和防腐蚀构件(54)，所述防腐蚀构件(54)包括单一结构；
使所述第一构件(40)与所述防腐蚀构件(54)沿连结平面(34)对齐(504)；以及
使用高密度能量辐照来使所述第一构件(40)与所述防腐蚀构件(54)连结(510)，其中，连结(510)步骤包括由所述高密度能量辐照激励的连结材料(32)，其中，所述连结材料(32)使所述防腐蚀构件(54)熔合至所述第一构件(40)，其中，所述第一构件(40)和所述防腐蚀构件(54)包括斜角(82,84)。
10. 根据权利要求9所述的方法(500)，其特征在于，所述连结材料(32)从具有所述第一构件(40)与所述防腐蚀构件(54)之间的性能的材料选定。
11. 一种涡轮叶片(10)，其包括：
翼型件(12)，其具有前缘(18)；
防腐蚀涂层(54)，其利用连结材料(32)连结于所述翼型件(12)的前缘(18)，其中，所述翼型件(12)和所述防腐蚀涂层(54)通过由所述连结材料(32)和激光熔覆过程形成的至少一个连结层(36)连结，并且其中，第一连结表面(42)和第二连结表面(52)包括斜角(82,84)。
12. 根据权利要求11所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述防腐蚀涂层(54)从钴、铬、钨、碳、镍、铁、硅、钼、锰、它们的合金和它们的组合选定。
13. 根据权利要求11所述的涡轮叶片(10)，其特征在于，所述连结材料(32)从具有所述翼型件(12)与所述防腐蚀涂层(54)之间的性能的材料选定。
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