DE102010035019A1

DE102010035019A1 - Gefügte Turbinenrotorkomponenten und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE102010035019A1
Application number: DE102010035019A
Authority: DE
Inventors: Richard Brendon Scarlin; Martin Reigl
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2011-03-03
Also published as: JP2011064197A; US20110052401A1; CN101992356B; CN101992356A

Abstract

Die Erfindung betrifft und stellt bereit ein Verfahren zum Fügen von Stahl- (10) und Nickellegierungs-(30)-Turbinenrotorkomponenten und durch das Verfahren hergestellte gefügte Turbinenrotorkomponenten (10, 30). Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Stahlrotorkomponente (10); Aufbringen einer Nickellegierungs-Pufferschicht (20) auf der Stahlkomponente (10); Bereitstellen einer Nickellegierungs-Rotorkomponente (30) und dann Schweißen der Nickellegierungs-Pufferschicht (10) an die Nickellegierungskomponente (30) unter Verwendung eines Nickellegierungs-Schweißmaterials (25), um die Komponenten (10, 30) zusammenzufügen. Die zuerst auf die Stahlkomponente (10) aufgebrachte Pufferschicht (20) ermöglicht ein zuverlässiges Prüfen der Nickellegierungs-Stahl-Verschmelzlinie auf Defekte hin.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Offenbarung betrifft allgemein Gas- oder Dampfturbinenrotoren und insbesondere das Fügen von aus Stahl- und Nickellegierung hergestellten Turbinenrotorkomponenten.
HINTERGRUNDINFORMATIONEN
Auf dem Gebiet der Turbinen ist es üblich, zu fordern, daß Rotoren aus Sektionen aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Derartige Anforderungen führen jedoch zu Herausforderungen, da verschiedene Materialien nicht immer leicht gefügt werden können.
Das Schweißen ist ein wünschenswerter Weg zum Zusammenfügen von Rotorkomponentenstücken. Das US-Patent Nr. 4,962,586 beispielsweise beschreibt eine Fügelösung, die das Fügen unterschiedlicher Stähle beinhaltet. Die Lösung beinhaltet das Auftragen einer Pufferschicht (im Englischen Butter Layer) auf eine der Komponenten, Wärmebehandeln der Pufferschicht und dann Fügen der anderen Stahlrotorkomponente mit der Pufferschicht. Das US-Patent Nr. 7,371,988 B2 beschreibt ein weiteres Verfahren zum Fügen von Stahlrotorkomponenten, das auch das Auftragen einer wärmebehandelten Pufferschicht auf beiden Komponenten beinhaltet.
Das US-Patent Nr. 7,168,916 B2 beschreibt ein weiteres Verfahren, das das Fügen von Stahl- und Nickellegierungskomponenten unter Verwendung von Rotorzwischenringen beinhaltet. Diese Lösung liefert ein Verfahren zum Überwinden des bekannten Problems einer schlechten Auflösung von Defekten am Übergang von der Nickellegierung zum Stahl aufgrund einer abrupten Änderung bei Ultraschalldämpfungseigenschaften und der Schwierigkeit beim Detektieren etwaiger, auf der Verschmelzlinie liegender Defekte von der äußeren Oberfläche der geschweißten Fügestelle aus.
Da ein anhaltender Bedarf zum Fügen von Stahl- und Nickellegierungs-Turbinenrotorkomponenten besteht, existiert ein Bedarf zum Bereitstellen alternativer Fügelösungen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es werden gefügte Turbinenrotorkomponenten und ein Verfahren zum Herstellen selbiger bereitgestellt, wobei die Turbinenrotorkomponenten aus Stahl bzw. Nickellegierung hergestellt sind. Das Fügeverfahren überwindet das Problem der Untersuchung der Stahl-Nickellegierungs-Verschmelzlinie.
Die Offenbarung versucht, dieses Problem mit Hilfe der Gegenstände des unabhängigen Anspruchs zu behandeln. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dementsprechend liefert ein Aspekt ein Fügeverfahren für Turbinenrotorkomponenten, das folgendes beinhaltet:

a) Bereitstellen einer aus Stahl hergestellten ersten Rotorkomponente;
b) Auftragen einer Nickellegierungs-Pufferschicht auf der ersten Komponente;
c) Bereitstellen einer aus einer Nickellegierung hergestellten zweiten Rotorkomponente und
d) Schweißen der Nickellegierungs-Pufferschicht an die zweite Komponente unter Verwendung eines Nickellegierungsschweißmaterials, um die erste Rotorkomponente mit der zweiten Komponente zusammenzufügen.

Dieses Verfahren stellt ein Mittel bereit, wo die Verschmelzlinie zwischen Stahl- und Nickellegierung leicht auf Defekte hin untersucht werden kann, d. h. vor Schritt d), während ein guter Zugang zu der Nickellegierungs-Pufferschicht zur Verfügung steht. Das Verfahren sorgt weiterhin dafür, daß ein Wärmebehandlungszwischenschritt nach dem Auftragen der Nickellegierungs-Pufferschicht, aber vor dem Fügen der ersten und zweiten Rotorkomponente, nicht erforderlich ist.
Ein weiterer Aspekt stellt gefügte Turbinenrotorkomponenten bereit, die durch das obige Verfahren hergestellt sind, wobei die erste Rotorkomponente, die Nickellegierungs-Pufferschicht, das Nickellegierungs-Schweißmaterial und die zweite Rotorkomponente in axialen Serien entlang einer Längsachse liegen.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei durch Darstellung und Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung offenbart wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhaft werden Ausführungsbeispiele der Offenbarung im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eingehender beschrieben. Es zeigen:
1 ein Flußdiagramm eines beispielhaften Verfahrens, das das Auftragen einer Nickellegierungs-Pufferschicht beinhaltet;
2 ein Flußdiagramm, das alternative Schritte zeigt, die in dem Verfahren von 1 enthalten sein können; und
3 eine Schnittansicht von beispielhaften gefügten Turbinenrotorkomponenten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um sich durchweg auf gleiche Elemente zu beziehen. In der folgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der Offenbarung zu vermitteln. Es kann jedoch offensichtlich sein, daß die Offenbarung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen und Einrichtungen in Blockdiagrammform gezeigt, um die Beschreibung der Offenbarung zu erleichtern.
Durch diese Spezifikation hinweg ist eine „Pufferschicht” als eine Metallschicht definiert, die auf einer Oberfläche einer Basiskomponente aufgetragen worden ist. Folglich bildet eine Pufferschicht während des Auftragungsprozesses keine Fügestelle zwischen Komponenten, da sie nur auf eine Basiskomponente aufgebracht wird. Eine Pufferschicht beinhaltet anfangs Schweißdurchgänge, über denen entweder zusätzliche Schweißdurchgänge oder Schweißmaterialien, zum Zusammenfügen von zwei Oberflächen verwendet, aufgetragen werden.
1 zeigt die wesentlichen Schritte eines beispielhaften Verfahrens für das Fügen von Turbinenrotorkomponenten 10, 30. Das Verfahren beinhaltet erstens das Bereitstellen einer Stahlrotorkomponente 10, dann das Aufbringen einer Nickellegierungs-Pufferschicht 20 auf der Stahlrotorkomponente 10. Eine Nickellegierungs-Rotorkomponente 30 wird dann bereitgestellt und danach durch Schweißen mit Hilfe eines Nickellegierungs-Schweißmaterials 25 mit der Nickellegierungs-Pufferschicht 20 zusammengefügt. Dadurch wird eine Stahlrotorkomponente 10 mit einer Nickellegierungskomponente 30 zusammengefügt.
Zu üblichen Verfahren für die Defektdetektion gehören Wirbelstrom – und Ultraschallverfahren. Diese Prüfverfahren erfordern in der Regel eine Oberflächenvorbereitung der Pufferschicht, um sicherzustellen, daß die Prüfoberfläche die erforderliche Ebenheit aufweist. Wenn das Wirbelstromverfahren gewählt wird, liegt die Dicke der Nickellegierungs-Pufferschicht 25, senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung 15 der Stahlrotorkomponente 10 gemessen, bevorzugt über 2 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 2–4 mm. Wenn das Ultraschallverfahren gewählt wird, liegt die Dicke der Nickellegierungs-Pufferschicht 25, senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung 15 der Stahlrotorkomponente 10 gemessen, bevorzugt über 3 mm und weist ganz besonders bevorzugt eine Obergrenze von 10 mm auf.
Diese Dicken liefern eine optimale Defektauflösung für die beiden Prüfverfahren. Beim Detektieren von Defekten im Gebiet der Stahl-Nickel-Verschmelzlinie, wie in 2 gezeigt, wird bei einem beispielhaften Verfahren die Dicke der Nickellegierungs-Pufferschicht 25 durch einen Maschinenbearbeitungsschritt gesteuert, der nach dem Aufbringen der Nickellegierungs-Pufferschicht 25 abgeschlossen wird.
Eine Nachschweißwärmebehandlung kann auf die gefügten Rotorkomponenten 10, 30 angewendet werden, um eine Belastung in dem Gebiet der durch Wärme beeinflußten Zonen der Fügestelle abzubauen.
3 zeigt beispielhafte gefügte Turbinenrotorkomponenten 10, 30, durch in 1 und 2 gezeigte Verfahren gefügt. Die gefügten Turbinenrotorkomponenten 10, 30 umfassen in gefügten axialen Serien relativ zu einer Längsachse LA eine Stahlrotorkomponente 10, eine Nickellegierungs-Pufferschicht 20, ein Nickellegierungs-Schweißmaterial 25 und eine Nickellegierungs-Rotorkomponente 30.
Die Nickellegierungs-Pufferschicht 20 weist eine senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung 15 der ersten Komponente 10 gemessene Dicke von bei einem Ausführungsbeispiel zwischen 2 und 4 mm und bei einem weiteren Ausführungsbeispiel zwischen 3 und 10 mm auf.
Wenngleich die Offenbarung hierin in einer Form gezeigt und beschrieben worden ist, die als die praktischsten Ausführungsbeispiele angesehen werden, versteht der Fachmann, daß die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann, ohne von dem Gedanken von essentiellen Charakteristiken davon abzuweichen. Die gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen sind deshalb in jeglicher Hinsicht als veranschaulichend und nicht beschränkt anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche anstatt die vorausgegangene Beschreibung angegeben, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich und Äquivalenzen davon fallen, sollen darin eingeschlossen sein.
Bezugszeichenliste

10: Stahlrotorkomponente
15: Schweißnahtvorbereitung
20: Nickellegierungs-Pufferschicht
25: Nickellegierungs-Schweißmaterial
30: Nickellegierungs-Rotorkomponente
LA: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4962586 [0003]
US 7371988 B2 [0003]
US 7168916 B2 [0004]

Claims

Fügeverfahren für Turbinenrotorkomponenten (10, 30), das die folgenden Schritte beinhaltet: a) Bereitstellen einer aus Stahl hergestellten ersten Rotorkomponente (10); b) Auftragen einer Nickellegierungs-Pufferschicht (20) auf der ersten Komponente (10); c) Bereitstellen einer aus einer Nickellegierung hergestellten zweiten Rotorkomponente (30) und d) Schweißen der Nickellegierungs-Pufferschicht (20) an die zweite Komponente (30) unter Verwendung eines Nickellegierungsschweißmaterials (25), um die erste Rotorkomponente (10) mit der zweiten Komponente (30) zusammenzufügen.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei die Nickellegierungs-Pufferschicht (20) derart aufgetragen wird, daß die Dicke der Nickellegierungs-Pufferschicht (20) gemessen senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung (15) der ersten Komponente (10) zwischen 2 und 4 mm liegt.
Fügeverfahren nach Anspruch 1, wobei die Nickellegierungs-Pufferschicht (20) derart aufgetragen wird, daß die Dicke der Nickellegierungs-Pufferschicht (20) gemessen senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung (15) der ersten Komponente (10) zwischen 3 und 10 mm liegt.
Fügeverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei nach Schritt b) die Nickellegierungs-Pufferschicht (20) maschinell bearbeitet wird, um die Dicke der Nickellegierungs-Pufferschicht (20) zu erreichen.
Fügeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Nachschweißwärmebehandlungsschritt nach Schritt d).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Rotorkomponente (10), die Nickellegierungs-Pufferschicht (20), das Nickellegierungsschweißmaterial (25) und die zweite Rotorkomponente (30) in axialen Serien entlang einer Längsachse (LA) liegen.
Gefügte Turbinenrotorkomponenten (10, 30), gekennzeichnet durch die folgende Kombination: eine aus Stahl hergestellte erste Rotorkomponente (10); eine mit der ersten Rotorkomponente (10) zusammengefügte Nickellegierungs-Pufferschicht (20); ein mit der Nickellegierungs-Pufferschicht (20) zusammengefügtes Nickellegierungs-Schweißmaterial (25) und eine aus einer Nickellegierung hergestellte zweite Rotorkomponente (30) mit dem Nickellegierungs-Schweißmaterial (25) zusammengefügt, wobei die erste Rotorkomponente (10), die Nickellegierungs-Pufferschicht (20), das Schweißmaterial (25) und die zweite Rotorkomponente (30) in einer axialen Serie entlang einer Längsachse (LA) liegen.
Gefügte Turbinenrotorkomponenten (10, 30) nach Anspruch 7, wobei die Nickellegierungs-Pufferschicht (20) eine senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung (15) gemessene Dicke der ersten Komponente (10) zwischen 2 und 4 mm aufweist.
Gefügte Turbinenrotorkomponenten (10, 30) nach Anspruch 6, wobei die Nickellegierungs-Pufferschicht (20) eine senkrecht zu der Schweißnahtvorbereitung (15) gemessene Dicke der ersten Komponente (10) zwischen 3 und 10 mm aufweist.