CN1212742A

CN1212742A - 涡轮轴

Info

Publication number: CN1212742A
Application number: CN97192670A
Authority: CN
Inventors: 托斯坦－乌尔夫·克恩; 于尔根·埃瓦尔德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1999-03-31
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: CN1083525C; JP3939758B2; EP0883734B1; JP2000505523A; RU2175069C2; US6350325B1; DE59707370D1; CZ269198A3; PL328874A1; EP0883734A1; KR19990087394A; ATE218184T1; PL183445B1; WO1997032112A1

Abstract

一种尤其用于汽轮机的涡轮轴(1),它沿旋转轴线(2)定向。此涡轮轴(1)具有一个最大半径为R₁的第一区(4)和一个与之邻接的最大半径为R₂>R₁的第二区(5)。第一区(4)具有一种使用于温度高于550℃情况下的第一种母体材料,而第二区(5)具有一种使用于温度低于550℃情况下的第二种母体材料。第一和第二种母体材料所使用的合金钢,在基本上相同的奥氏体化温度的情况下具有的铬含量分别在8.0重量%与12.5重量%之间。

Description

涡轮轴

本发明涉及一种尤其用于汽轮机的涡轮轴，它沿旋转轴线定向并有一个最大半径为R₁的第一轴向区和一个与之邻接的最大半径为R₂的第二轴向区。

在US-PS 3767390中介绍了一种用于高温下的马氏体优质钢，例如用于制造汽轮机叶片或连接汽轮机两半机壳的螺栓。这种钢的成分(下面所有的数据均按重量百分比)最好有12％铬和约0.3％铌。通过添加铌可提高持久强度和使钢基本上不合δ铁素体。所介绍的钢内其他的合金成分在一种优选实施形式中有0.25％Co、4％Mn、0.35％Si、0.75％Ni,1.0％Mo、1.0％W、0.3％V、0.75％N以及其余是铁和杂质，杂质为硫、磷和氮。

在第三层国际涡轮会议(1995年4月25-27日，Civic Centre,Newcastleupon Tyne,GB)的会议文集“Materials Engineering in Turbines andCompressors”(A.Strang主编)第201至210页由T.Azuma、Y.Tanaka、T.Ishiguro、H.Yoshita和Y.Iketa所写的论文“Development and Production ofHigh Purity 9Crl MoV Steel for High Pressure-Low Pressure Rotor Shaft”中，说明了一种用于组合式高压和低压汽轮机轴的钢。这种钢应适用于生产这样一种单一材料制造的涡轮轴。在一种优选实施形式中，它的成分为9.8％铬、1.3％镍、0.16％碳、小于0.1％的硅、小于0.1％的锰、1.4％钼、0.21％钒、0.05％铌、0.04％氮，其余是铁和杂质，杂质为磷、硫、铝、砷、锡、锑。涡轮轴的高压部分其直径为1200mm，低压部分的直径为1750mm，在这种情况下整个涡轮轴用直径为1800mm的毛坯加工而成。

本发明的目的是提供一种尤其用于汽轮机的涡轮轴，它适合于在具有沿轴向渐减的温度变化和最大温度超过550℃的高热负荷情况下使用。本发明的另一个目的是，提供一种制造这种涡轮轴的方法。

本发明有关涡轮轴的目的通过一种沿旋转轴线定向的涡轮轴来达到，它有一个最大半径为R₁的第一轴向区和一个与之相邻的最大半径R₂＞R₁的第二轴向区，其中，第一区具有第一种母体材料，第二区具有第二种母体材料，这两种母体材料各自用含8.0％至12.0％铬(数据按重量百分比计)的合金钢，它们的奥氏体化温度基本相同。第一种母体材料适合于在高的温度尤其高于550℃的情况下使用；第二种母体材料适合于在低的温度尤其在350℃与550℃之间使用。

第一种母体材料比第二种母体材料含有按重量百分比计较低的镍，尤其是镍的含量要低0.1％以上。按重量百分比计的镍的含量对每种母体材料在0.1％与1.8％之间，第二种母体材料最好含1.0％至1.5％的镍，尤其是1.3％，而第一种母体材料含0.2％至0.6％的镍。尤其用于汽轮机高压部分的第一种母体材料的含铬量为10％至12％(数据按重量百分比计)，而尤其用于汽轮机低压部分的第二种母体材料的铬含量为9.5％至10.5％，尤其是9.8％(均按重量百分比计)。

在一种具有分区的不同合金钢但奥氏体化温度相同的涡轮轴中，它在第一个横截面较小的区域内有一种母体材料，这种母体材料与在具有较大横截面的第二区内的相比含有可能较高成分的铬和较低成分的镍，因此在此第一区获得高的耐热强度、高的持久强度和足够的断裂韧性。在第二区内保证满足高的屈服极限要求和有极好的缺口冲击韧性和断裂韧性。所要求的屈服极限R_po2。可为约720MPa

。断裂韧性例如为约200MPa，对于韧性被认为是FATT小于25℃。由于第一区高的耐热强度，所以这一区适合于作为蒸汽进口温度甚至超过550℃至约650℃的组合式高压-低压汽轮机的高压部分。第二区优选适用于温度负荷为350℃至约550℃。通过在第一区和第二区内选择不同的铬和镍的含量，可基本上彼此独立地根据材料的要求选择性地调整在第一区内的耐热强度和在第二区内的韧性。与用一种统一的材料制造的涡轮轴不同，在这里不需要在高热负荷区内的持久强度与在热负荷不太高的第二区内的韧性之间作任何妥协。还有，由于母体材料成分类似，所以不会产生在第一区和第二区之间的过渡区内形成明显偏离材料性质的母体材料掺杂的问题。沿着旋转轴线，涡轮轴在具有不同半径的区域内有不同的热机械性质。这些性质通过有目的地选择不同的化学成分获得。这些区域可按电渣重熔法(ESU法)通过熔化不同合金的电极制成。

由于基本上相同的奥氏体化温度，所以在第一区与第二区之间的过渡区内，材料性质所发生的最大变化也很小。因此，材料性质基本上与各自的化学成分无关。由于在母体材料内的主要碳化物成分和主要氮化物成分的组成相类似，例如均由C、N、V、Nb、Mo、W组成，所以对于整个涡轮轴形成基本上一致的奥氏体化温度。因此与具有明显不同的母体材料的涡轮轴不同，第一区可以用与第二区相同的温度奥氏体化。尤其在一根汽轮机轴的高压部分和低压部分作不同的热处理，会给予各自的奥氏体化过程负面的影响。

现在可以在一道工序中制成整个涡轮轴基本上无铁素体的组织。随后的稳定化温度和回火温度彼此的差别很小。此外，对于沿涡轮轴轴向的不同区作不同回火温度的热处理也不会发生任何技术问题。奥氏体化温度最好在950℃至1150℃的范围内，尤其约为1050℃。

第一种母体材料最好有(数据按重量百分比计)0至3％钨、0至3％钴和/或0至2％铼。尤其是钨的含量在2.4％与2.7％之间和/或钴的含量在2.4％与2.6％之间。通过添加铼，可获得更高的持久强度。

作为其他的合金成分，第一种母体材料具有(数据按重量百分比计)：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％；以及脱氧元素，如小于0.15％的Si、小于0.7％尤其是0.4％至0.6％之间的Mn，以及其余为铁和可能是制造时引起的杂质，主要是磷、锑、锡、铝、砷、硫。

第一种母体材料可以是一种杂质极少的高纯(超净、超高净)的合金钢。这些合金钢，尤其对于12％铬钢，例如可见在会议报告“Clean Steel,SuperClean Steel”(1995年3月6-7日，Copthorne Tara饭店，伦敦，英国)，在J.Nutting的论文“The EPRI Survey on Superclean Steels”尤其在表1中，以及在W.Meyer、R.Bauer.G.Zeiler的论文“Development of ProductionTechnology and Manufacturing Experiences With Super Clean 3.5Ni Cr MoVSteels”尤其在一些表中对12％铬钢(Boet 550SO)的说明。

至少第一种母体材料，亦即用于具有较小半径和较高耐热强度的区域的母体材料，具有作为其他合金成分的小于0.03重量％的硼，尤其是0.005至0.02重量％的硼。

作为其他的合金元素，第二种母体材料最好具有：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％；小于0.1％的Si；0.1至0.2％的C，尤其是0.16％；小于0.2％的Mn。

此涡轮轴尤其适用于一种汽轮机，其中，第一区用于安装汽轮机高压部分的工作叶片，第二区用于安装汽轮机低压部分的工作叶片。在这种情况下当汽轮机运行时高压部分可能承受的蒸汽温度为550℃至650℃，这要求第一区有良好的耐热强度，尤其在其表面附近的区域内。旋转轴线周围的温度比表面区低，所以必要时也可以在高压部分内构成一个用具有较低耐热强度的母体材料，例如第二种母体材料制的位于轴线附近的芯部。构成汽轮机低压部分并有一个大于第一区的半径的第二区，由于较长的低压工作叶片和自身较大的半径，所以受到比高压部分更大的机械负荷。因此对于低压部分要求高的韧性，尤其是断裂韧性，这通过适当地选择第二种母体材料的合金成分(较高的含镍量，尤其是较低的含铬量)获得。在这种情况下低压部分的热负荷最好低于500℃，尤其低于480℃。屈服极限可以高于720Mpa。

鉴于在涡轮轴内在一种表面温度负荷的情况下温度朝旋转轴线方向沿径向逐渐降低，第一区最好有一个位于轴线附近的芯部，此芯部被一个外套部分所围绕。外套部分最好用第一种母体材料制造并因而有所要求的耐热强度。芯部最好用此第二种母体材料或第三种母体材料制造，第三种母体材料也有良好的耐热强度。在这里芯部可通过适当的合金制的一个电极或多个电极的电渣重熔制成。

第一区亦即高压部分的最大半径R₁最好在350mm与约750mm之间。第二区亦即低压部分的最大直径R₂最好在700mm与1000mm之间。

为达到有关涡轮轴制造方法方面的目的，所采取的措施是，第一区例如按ESU法通过熔化由第一种母体材料制的一个或多个电极制成。第二区通过熔化由第二种母体材料制的一个或多个电极制成。整个轴的制造可以在唯一的一道工序中实现，其中，首先熔化由第一种母体材料制的电极和接着熔化由第二种母体材料制的电极，或反之。如此制成的涡轮轴毛坯可例如通过锻造达到第一区和第二区相应的半径。通过ESU法制成的组合式涡轮轴的热处理可对于第一区和第二区同样地进行。预热处理在约1100℃持续时间约26小时的条件下进行并进一步通过炉内冷却到680℃。随后，根据轴的直径，以奥氏体化温度为约1070℃持续时间约33小时进行优质热处理。接着，例如在温度在650℃与680℃之间持续时间约24小时的情况下进行回火，其中可分区造成不同的回火温度。

制造具有一个围绕旋转轴线延伸的由第二种母体材料构成的芯部的第一区，按本发明可这样进行，即，一个由第一种母体材料构成的空心圆柱体通过熔化一个或多个电极用第二种母体材料充填。由第一种母体材料构成的空心圆柱体可通过传统的锻造方法制造。当例如借助于电渣重熔法(ESU法)用此第二种母体材料或一种具有高耐热强度的第三种母体材料充填空心圆柱体时，第一区如此制成的坯件与凝固的ESU熔池焊接。同样可能的是，令第一区生长在第二区上。类似地，第二区亦即低压部分可通过用第一种母体材料或另一种母体材料充填一个由第二种母体材料构成的空心圆柱体来实现。

下面借助于附图所示实施例详细说明此涡轮轴和制造涡轮轴的方法。附图示意地和未按比例地表示。

图1所示为沿旋转轴线定向的汽轮机轴；

图2和图3所示为用于汽轮机轴的毛坯。

图1表示沿旋转轴线2定向的涡轮轴1的两种不同的实施形式。涡轮轴1有一个相对于旋转轴线旋转对称的第一区4，它表示高压部分并有半径R₁。在第一区4上连接一第二区5，亦即低压部分，它相对于第一区4有一个较大的半径R₂。分别连接在第一区4和第二区5上的涡轮轴1的端部3起支承的作用。在旋转轴线2上方表示的第一种实施形式中，第一区4完全由第一种母体材料制成，这种母体材料有高的耐热强度，所以此涡轮轴1适合在蒸汽进口温度为约550℃至约650℃的情况下使用。第一种母体材料中铬的含量为约10.5重量百分比以及镍的含量为约0.75重量百分比。除了其它合金成分外，它还含有少于3.0重量％的钨、少于2.0重量％的铼以及所添加的0.005重量％至0.02重量％的硼。第二区5由第二种母体材料制成，它在其化学成分方面与第一种母体材料相似。含铬量约为9.8重量百分比以及含镍量约为1.3重量百分比。两种母体材料有基本上同一个奥氏体化温度。

表示在旋转轴线2下方的涡轮轴1第二种实施形式中，第一区4有一个沿轴向的芯部6，它有一个比半径R₁小的半径R₃。此芯部6由第二种母体材料构成。芯部6被一个由第一种母体材料构成的外套部分7包围。因此，涡轮轴1在承受高蒸汽温度的第一区4表面附近部分内具有所期望的耐热强度。在轴线附近部分亦即芯部6内处于较低的温度，所以第二种母体材料的耐热强度已经足够，此外该芯部6因而还有第二种母体材料的高的断裂韧性。

图2表示了沿旋转轴线2定向的涡轮轴1的坯件。此坯件具有一第一区4，在第一区上沿主轴线2叠置一第二区5。第一区4有一个用第一种耐热的母体材料制的空心圆柱体8。在空心圆柱体8的内部亦即在芯部6内，按ESU法熔化图中没有表示的用第二种母体材料制的电极，所以芯部6逐渐充满第二种母体材料。于是第二种母体材料便在此第一区4内构成轴线附近的芯部6。外套部分8最好按传统的方法制成旋转对称的空心圆柱体，尤其采用锻造法。第二区5按ESU法通过第二种母体材料在第一区4和芯部6上生长形成。由图2所示的坯件可通过锻造制成如图1(第二种实施形式)所示的涡轮轴1。端部3可以事后焊上去。

还可以是，第一区4和芯部6用第二种母体材料亦即汽轮机低压部分用的材料制造，而第二区5用第一种母体材料亦即高压部分的耐热材料制造。因此，汽轮机轴的低压部分分成两个工序制造，在这种情况下例如通过传统的锻压技术制成一个环状的外套部分8。在此外套部分内用同一种材料亦即第二种母体材料通过ESU法充填芯部6。因此有可能甚至在其中不能制造整个低压部分亦即区5的ESU设备中，通过将芯部6充填到锻好的外套部分8中，制成要锻造的足够大的坯。图3表示了具有一个由外套部分8和芯部6组成的第二区5的涡轮轴1用的相应的坯件。

本发明的特点在于一种用于汽轮机的组合式高压-低压涡轮轴，其中，具有较小直径的高压部分和具有较大直径的低压部分用一种类似的合金钢制造。此合金钢有8.0至12.5重量百分比的铬和必要时0.1至1.8重量百分比的镍。高压部分的含镍量低于低压部分的含镍量。通过选择最好基本上有相同的碳化物和氮化物成分的类似的合金钢，对于整个涡轮轴可以采用统一的约1050℃的奥氏体化温度。高压部分的合金钢可具有少于3重量％的钴和/或少于2重量％的铼。此外，高压部分可有一个用与低压部分相同的合金制的轴线附近的芯部，在这种情况下此芯部被一外套部分包围，外套部分用高压部分的特别耐热的合金钢制成。通过在涡轮轴表面附近区域内选择不同的合金钢，可以分别考虑到在低压部分和高压部分内的特殊热负荷和机械负荷。高压部分设计为有针对蒸汽温度为550℃至650℃的高耐热强度，而低压部分设计为主要满足对屈服极限的高要求。

涡轮轴坯件可100％地按ESU法，通过熔化多个不同化学成分的电极或通过在一个预制环形体内熔化此类电极，由一种已提及的合金组合(第一母体材料、第二母体材料)制成。

Claims

1．一种尤其用于汽轮机的涡轮轴(1)，它沿旋转轴线(2)定向并有一个最大半径为R₁的第一轴向区(4)和一个与之邻接的最大半径为R₂＞R₁的第二轴向区(5)，其中，第一区(4)具有一种使用于第一种温度下的第一种母体材料，第二区(5)具有一种使用于比第一种温度低的第二种温度下的第二种母体材料，这两种母体材料分别用含8.0重量％至12.5重量％铬的合金钢，它们各自的奥氏体化温度基本相同。

2．按照权利要求1所述的涡轮轴(1)，其中，每一个奥氏体化温度在950℃至1150℃范围内，尤其为1050℃。

3．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，其中，第一种母体材料和第二种母体材料具有的镍含量分别为0.1重量％至1.8重量％，其中第二母体材料含镍量较大，尤其比第一母体材料含镍量大0.1％以上。

4．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，其中，第二种母体材料含有(数据按重量百分比计)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，而第一种母体材料含有10.0％至12.0％的Cr和0.2％至0.6％的Ni。

5．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，其中，第一种母体材料含有(数据按重量百分比计)：0％-3.0％的W、0％-3.0％的Co和/或0％-2.0的Re。

6．按照权利要求5所述的涡轮轴(1)，其中，第一种母体材料具有(数据按重量百分比计)：

2.4％-2.7％的W和/或2.4％-2.6％的Co。

7．按照权利要求5或6所述的涡轮轴(1)，其中，第一种母体材料含有(数据按重量百分比)：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％；以及脱氧元素，如少于0.15％的Si、少于0.7％的，尤其是0.4％-0.6％的Mn，以及制造引起的杂质，尤其是As、AL、P、Sb、Sn、S。

8．按照权利要求5至7中任一项所述的涡轮轴(1)，其中，至少第一种母体材料含有作为其它合金成分的小于0.03重量％，尤其为0.005重量％至0.02重量％的硼。

9．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，其中，第二种母体材料含有(数据按重量百分比计)：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％；少于0.1％的Si；0.1％至0.2％的C，尤其0.16％；少于0.2％的Mn。

10．按照上述任一项权利要求所述的涡轮轴(1)，其中，第一区(4)具有一个由第二种母体材料构成的芯部(6)，该芯部(6)被一个由第一种母体材料构成的外套部分(7)包围。

11．按照上述任一项权利要求所述的在汽轮机内的涡轮轴(1)，其中，第一区(4)用于安装汽轮机高压部分的工作叶片，第二区(5)用于安装汽轮机低压部分的工作叶片。

12．一种用于制造如上述任一项权利要求所述涡轮轴(1)的方法，其中，通过熔化由第一种母体材料构成的一个电极或多个电极制成第一区(4)和通过熔化由第二种母体材料构成的一个电极或多个电极制成第二区(5)，并将这两个区制成这样，即，它们互相连接起来。

13．一种用于制造如权利要求1至11中任一项所述涡轮轴(1)的方法或按照权利要求12所述的方法，其中，第一区(4)按这样的方式制造，即，用第一种母体材料制成一个构成外套部分(7)的空心圆柱体(8)，该空心圆柱体(8)通过熔化一个电极或多个电极用第二种或第三种母体材料充填以构成一个芯部(6)。

14．一种用于制造如权利要求1至11中任一项所述涡轮轴(1)的方法或按照权利要求12所述的方法，其中，第二区(5)按这样的方式制造，即，由第二种母体材料制成一个构成外套部分(7)的空心圆柱体(8)，该空心圆柱体通过熔化一个电极或多个电极用第一种母体材料充填以构成一个芯部(6)。