CN106736300A - 由异种材料构成的涡轮转子的制造方法 - Google Patents

由异种材料构成的涡轮转子的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种由异种材料构成的涡轮转子的制造方法，所述涡轮转子包括第一转子部和第二转子部，其包括以下步骤：S1：分别制造第一转子部和第二转子部；S2：在第一转子部的端面上堆焊低Cr钢熔合材，逐层堆焊形成多层堆焊层，控制每层堆焊层的熔合比，使各堆焊层的Cr元素含量逐层递减；S3：将第一转子部进行去应力热处理；S4：采用低Cr钢熔合材将所述第一转子部有堆焊层的端面与第二转子部焊接在一起；S5：将焊接在一起的第一转子部与第二转子部进行去应力热处理。本发明能够避免涡轮转子的连接处Cr元素含量梯度过大，防止连接处出现弱化区。

Description

由异种材料构成的涡轮转子的制造方法
技术领域
本发明涉及涡轮转子技术领域，特别是涉及一种由异种材料构成的涡轮转子的制造方法。
背景技术
制造蒸汽涡轮用转子时，从相对于蒸汽涡轮内的温度分布的高温强度的观点出发选择该转子材料。具体地说，在超过566℃的高温区域使用含有0.02％以上的氮被强化的10％Cr钢或含有W(钨)的10％Cr钢(高Cr钢)等，在566～380℃的中间区域使用1～2.25％CrMoV低合金钢，在低于380℃的低温区域使用3.5％NiCrMoV低合金钢构成的涡轮转子。另外，在高温区域和中低温区域共存的环境中，使用相对于高温区域具有强度的高Cr钢构成的一体型涡轮转子。
但是，所述高Cr钢是高成本材料，在高温区域和中低温区域共存的环境中使用的涡轮转子全体由高Cr钢构成，在成本方面负担太大。
因此，提出了不同钢种焊接转子，用于蒸汽涡轮内高温区域和中低温区域共存的蒸汽涡轮，其中，配置在蒸汽涡轮内的环境温度为中低温区域的位置的涡轮转子部位由低价的所述低合金钢形成，配置在蒸汽涡轮内的环境温度为高温区域的位置的涡轮转子部位由高温强度优异的所述高Cr钢形成。
中国专利公开了一种涡轮转子的制造方法——几种高Cr高温转子材料与低Cr低温转子材料的连接方法，采用合适的熔合材连接异种材料，能够防止连接接头产生微小的吹孔，使其具有适当的强度、韧性。
然而，由于高Cr和低Cr材料中Cr元素重量含量的差异较大，直接采用熔合材连接导致连接处Cr元素含量梯度较大，易出现贫富碳层，使连接处出现弱化区。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种由异种材料构成的涡轮转子的制造方法，能够避免涡轮转子的连接处Cr元素含量梯度过大，避免出现贫富碳层，防止连接处出现弱化区。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种由异种材料构成的涡轮转子的制造方法，所述涡轮转子包括由高Cr钢构成的第一转子部和由低Cr钢构成的第二转子部，所述制造方法包括以下步骤：
步骤S1：分别制造第一转子部和第二转子部；
步骤S2：在第一转子部的端面上堆焊低Cr钢熔合材，所述熔合材的材质与第二转子部的材质相同，逐层堆焊形成多层堆焊层，控制每层堆焊层的熔合比，使各堆焊层的Cr元素含量逐层递减，直至最外层堆焊层的Cr元素含量与第二转子部一致；
步骤S3：将第一转子部在650～680℃下进行去应力热处理；
步骤S4：采用低Cr钢熔合材将所述第一转子部有堆焊层的端面与第二转子部焊接在一起，所述熔合材的材质与第二转子部的材质相同；
步骤S5：将焊接在一起的第一转子部与第二转子部在650～680℃下进行去应力热处理。
优选地，所述步骤S2中，采用多道焊的方式形成每层堆焊层，每层中的焊道均采用相同的熔合比。
优选地，所述步骤S2中，在第一转子部的端部同轴嵌套陶瓷衬垫，在陶瓷衬垫内逐层堆焊形成所述多层堆焊层。
优选地，所述高Cr钢为10％Cr，其中各组分的质量分数为——C：0.10～0.15％、Si：≤0.15％、Mn：0.30～0.60％、Cr：10.0～10.8％、Mo：0.95～1.20％、Ni：0.70～0.85％、V：0.13～0.28％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al：≤0.010％、Cu：≤0.15％、Sb：≤0.0015％、Sn：≤0.015％、As：≤0.020％、W：0.90～1.10％、Nb：0.04～0.06％、N：0.045～0.060％，余量为Fe。
优选地，所述低Cr钢为2.25％CrMoV，其中各组分的质量分数为——C：0.18～0.30％、Si：≤0.10％、Mn：0.30～1.20％、Cr：2.00～2.50％、Mo：0.85～1.30％、Ni：0.50～1.00％、V：0.21～0.30％、P：≤0.020％、S：≤0.015％、Al：≤0.010％、Cu：≤0.20％、Sb：≤0.020％、Sn：≤0.020％、As：≤0.020％，余量为Fe。
优选地，所述步骤S2中，所述堆焊层为3～5层。
优选地，所述步骤S2中的焊接为TIG焊。
优选地，所述步骤S4中的焊接为埋弧焊。
优选地，所述步骤S3之后，对第一转子部端部的堆焊层表面进行机加工，保证堆焊层的厚度大于4mm。
如上所述，本发明的由异种材料构成的涡轮转子的制造方法，具有以下有益效果：
1、本发明采用异种材料制造涡轮转子，使涡轮转子应用于高温区域和中低温区域共存的涡轮环境中，一方面，解决了全部由高温区域的高Cr钢涡轮转子材料锻造的难题，另一方面，由于低Cr钢涡轮转子材料成本相对较低，降低了涡轮转子的制造成本。
2、在由高Cr钢构成的第一转子部的端面上逐层堆焊2.25％CrMoV熔合材，解决了异种材料直接连接容易出现贫富碳层的问题，使第一转子部和第二转子部之间的连接处具有较好的Cr元素含量的递减连续性，并且能够使涡轮转子通过可靠性测试。
附图说明
图1显示为本发明的第一转子部与第二转子部的连接示意图。
图2显示为堆焊示意图。
图3显示为熔合比示意图。
图4显示为各堆焊层的Cr元素含量变化图。
元件标号说明
1 第一转子部
2 第二转子部
3 堆焊层
4 陶瓷衬垫
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至4。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种由异种材料构成的涡轮转子的制造方法，涡轮转子包括由高Cr钢构成的第一转子部1和由低Cr钢构成的第二转子部2，制造方法包括以下步骤：
步骤S1：分别制造第一转子部1和第二转子部2；
步骤S2：在第一转子部1的端面上堆焊低Cr钢熔合材，熔合材的材质与第二转子部2的材质相同，逐层堆焊形成多层堆焊层3，控制每层堆焊层3的熔合比，使各堆焊层3的Cr元素含量逐层递减，直至最外层堆焊层3的Cr元素含量与第二转子部2一致。在具体实施时，如图3所示，通过采用不同的焊接工艺规范得到不同的熔合比——30％、40％、50％、60％，例如40％的熔合比是指，在堆焊过程中，被熔化的母材在焊道金属中所占的体积百分比为40％，熔合材占60％。采用每层不同的熔合比控制各堆焊层3的Cr元素含量逐层递减，直至最外层堆焊层3的Cr元素含量与第二转子部2一致。如此操作，使各堆焊层3里的Cr元素含量具有较好的递减连续性，解决了异种材料直接连接容易出现贫富碳层的问题，进而防止涡轮转子出现薄弱区(贫富碳层的存在导致连接处出现薄弱层)；
步骤S3：将第一转子部1在650～680℃下进行去应力热处理。如此操作，将第一转子部1(包括堆焊层3)整体进炉，为了消除其中的残余应力，以稳定其尺寸，防止变形与裂纹；
步骤S4：采用低Cr钢熔合材将第一转子部1有堆焊层3的端面与第二转子部2焊接在一起，熔合材的材质与第二转子部2的材质相同；
步骤S5：将焊接在一起的第一转子部1与第二转子部2在650～680℃下进行去应力热处理；由于步骤S2和步骤S4采用的熔合材相同，因此选择相同的去应力热处理。如此操作，也是为了消除其中的残余应力，以稳定其尺寸，防止变形与裂纹。
通过上述的制造方法，能够使涡轮转子应用于高温区域和中低温区域共存的涡轮环境中，一方面，解决了全部由高温区域的高Cr钢涡轮转子材料锻造困难的难题；另一方面，由于低Cr钢涡轮转子材料成本相对较低，降低了本涡轮转子的制造成本。此外，在由高Cr钢构成的第一转子部1的端面上逐层堆焊低Cr钢熔合材，解决了异种材料直接连接容易出现贫富碳层的问题，使第一转子部1和第二转子部2之间的连接处具有较好的Cr元素含量的递减连续性，并且涡轮转子能够通过可靠性测试。
在本发明的优选实施例中，步骤S2中，采用多道焊的方式形成每层堆焊层3，每层中的焊道均采用相同的熔合比。在具体实施时，如图2所示，总共堆焊5层堆焊层3：首先在第一转子部1的端面上堆焊第一层堆焊层3，堆焊第一层堆焊层3的过程中，依次熔敷焊道1a、焊道1b、焊道1c、焊道1d、焊道1e以及焊道1f，熔敷每个焊道的熔合比相同；再在第一层堆焊层3上堆焊第二层堆焊层3，依次熔敷焊道2a、焊道2b、焊道2c、焊道2d以及焊道2e，各个熔合比也相同；接着在第二层堆焊层3上堆焊第三层堆焊层3，依次熔敷焊道3a、焊道3b、焊道3c、焊道3d以及焊道3e，各个熔合比也相同；然后在第三层堆焊层3上堆焊第四层堆焊层3，依次熔敷焊道4a、焊道4b、焊道4c、焊道4d以及焊道4e，各个熔合比也相同；最后在第四层堆焊层3上堆焊第五层堆焊层3，依次熔敷焊道5a、焊道5b、焊道5c、焊道5d以及焊道5e，各个熔合比也相同。
作为一种更优的实施例，图3分别显示了四种通过焊接工艺规范获得的熔合比：30％、40％、50％、60％，图4显示了Cr含量从10.8％逐步递减且逐步靠近2.25％，堆焊过程中，第一层堆焊层3的熔合比为60％，使Cr含量达到7.38％；第二层堆焊层3的熔合比为50％，使Cr含量达到4.82％；第三层堆焊层3的熔合比为40％，使Cr含量达到3.28％；第四层堆焊层3的熔合比为30％，使Cr含量达到2.55％，最后堆焊第五层，选择更小的熔合比，使Cr含量与熔合材更加接近，从而保证堆焊过程中Cr含量逐层递减。
较佳的实施例中，步骤S2中，在第一转子部1的端部同轴嵌套陶瓷衬垫4，在陶瓷衬垫4内逐层堆焊形成多层堆焊层3。如此操作，使堆焊层3成型饱满，焊迹整齐，保证焊接质量以及后续加工。
较佳的实施例中，高Cr钢为10％Cr，10％Cr材料用于高温高压的涡轮转子部位，具有较好的高温强度和持久强度，其主要组分的质量分数如下：
C Si Mn Cr Mo Ni V
0.10～0.15 ≤0.15 0.30～0.60 10.0～10.8 0.95～1.20 0.70～0.85 0.13～0.28
P S Al Cu Sb Sn As
≤0.012 ≤0.005 ≤0.010 ≤0.15 ≤0.0015 ≤0.015 ≤0.020
W Nb N Fe - - -
0.90～1.10 0.04～0.06 0.045～0.060 余量 - - -
较佳的实施例中，低Cr钢为2.25％CrMoV，2.25％CrMoV材料用于温度相对较低的涡轮转子部位，相比10％Cr材料，成本低，锻造相对容易，其主要组分的质量分数如下：
C Si Mn Cr Mo Ni V P
0.18～0.30 ≤0.10 0.30～1.20 2.00～2.50 0.85～1.30 0.50～1.00 0.21～0.30 ≤0.020
S Al Cu Sb Sn As Fe -
≤0.015 ≤0.010 ≤0.20 ≤0.020 ≤0.020 ≤0.020 余量 -
较佳的实施例中，步骤S2中，堆焊层3为3～5层；步骤S3之后，对第一转子部1端部的堆焊层3表面进行机加工，保证堆焊层3的厚度大于4mm。在具体实施时，堆焊层3的数量为5层，在由高Cr钢构成的第一转子部1的端面上逐层堆焊低Cr钢熔合材之后，机加工堆焊层3的表面以致保证堆焊层3的厚度大于4mm。如此操作，能够使涡轮转子具有良好的机械性能，通过可靠性测试。
较佳的实施例中，步骤S2中的焊接为TIG焊；步骤S4中的焊接为埋弧焊。在具体实施时，步骤S2中的焊接为氩弧焊。
综上，本发明降低了涡轮转子的锻造难度和制造成本，避免了贫富碳层的出现，提高了涡轮转子的机械性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种由异种材料构成的涡轮转子的制造方法，所述涡轮转子包括由高Cr钢构成的第一转子部(1)和由低Cr钢构成的第二转子部(2)，其特征在于：所述制造方法包括以下步骤：
步骤S1：分别制造第一转子部(1)和第二转子部(2)；
步骤S2：在第一转子部(1)的端面上堆焊低Cr钢熔合材，所述熔合材的材质与第二转子部(2)的材质相同，逐层堆焊形成多层堆焊层(3)，控制每层堆焊层(3)的熔合比，使各堆焊层(3)的Cr元素含量逐层递减，直至最外层堆焊层(3)的Cr元素含量与第二转子部(2)一致；
步骤S3：将第一转子部(1)在650～680℃下进行去应力热处理；
步骤S4：采用低Cr钢熔合材将所述第一转子部(1)有堆焊层(3)的端面与第二转子部(2)焊接在一起，所述熔合材的材质与第二转子部(2)的材质相同；
步骤S5：将焊接在一起的第一转子部(1)与第二转子部(2)在650～680℃下进行去应力热处理。
2.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用多道焊的方式形成每层堆焊层(3)，每层中的焊道均采用相同的熔合比。
3.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，在第一转子部(1)的端部同轴嵌套陶瓷衬垫(4)，在陶瓷衬垫(4)内逐层堆焊形成所述多层堆焊层(3)。
4.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述高Cr钢为10％Cr，其中各组分的质量分数为——C：0.10～0.15％、Si：≤0.15％、Mn：0.30～0.60％、Cr：10.0～10.8％、Mo：0.95～1.20％、Ni：0.70～0.85％、V：0.13～0.28％、P：≤0.012％、S：≤0.005％、Al：≤0.010％、Cu：≤0.15％、Sb：≤0.0015％、Sn：≤0.015％、As：≤0.020％、W：0.90～1.10％、Nb：0.04～0.06％、N：0.045～0.060％，余量为Fe。
5.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述低Cr钢为2.25％CrMoV，其中各组分的质量分数为——C：0.18～0.30％、Si：≤0.10％、Mn：0.30～1.20％、Cr：2.00～2.50％、Mo：0.85～1.30％、Ni：0.50～1.00％、V：0.21～0.30％、P：≤0.020％、S：≤0.015％、Al：≤0.010％、Cu：≤0.20％、Sb：≤0.020％、Sn：≤0.020％、As：≤0.020％，余量为Fe。
6.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述堆焊层(3)为3～5层。
7.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述步骤S2中的焊接为TIG焊。
8.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述步骤S4中的焊接为埋弧焊。
9.根据权利要求1所述的涡轮转子的制造方法，其特征在于：所述步骤S3之后，对第一转子部(1)端部的堆焊层(3)表面进行机加工，保证堆焊层(3)的厚度大于4mm。
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