本發明針對蒸汽渦輪。更具體而言，本發明針對一種用于蒸汽渦輪的輪葉。

背景技術：

蒸汽渦輪中的末級輪葉(lsb)需要高強度和韌性。鈦過于昂貴，且一些沉淀硬化(ph)的不銹鋼(例如，壓縮機葉片材料gtd-450，ph馬氏體不銹鋼)不能達到足夠高的強度。如本文使用的"gtd-450"是指按重量包括以下成分的合金：大約15.5%的鉻、大約6.3%的鎳、大約0.8%的鉬、大約0.03%的碳和余量的鐵。

對于大約1.15米(45英寸)或更長的末級輪葉，需要更高強度的材料。一種選擇為ph13-8mo不銹鋼(馬氏體沉淀/時效硬化的不銹鋼)，其可達到大于1520mpa(220ksi)的極限抗拉強度(uts)。uts為材料在拉伸或受拉時在失效或斷裂之前可經受的最大應力。

如本文使用的"13-8mo"是指按重量包括以下成分的合金：大約12.25%到13.25%的鉻、大約7.5%到8.5%的鎳、大約2.0%到2.5%的鉬、大約0.9%到1.35%的鋁、達到大約0.1%的硅、達到大約0.1%的錳、達到大約0.05%的碳和余量的鐵。ph13-8mo不銹鋼能夠有高強度和硬度，以及良好水平的一般腐蝕和應力腐蝕開裂抵抗性，以及在大型型材中在縱向和橫向兩者上的良好延性和韌性。

盡管lsb中需要高抗拉強度材料，但材料的韌性對于其壽命是重要的。提高材料的抗拉強度的過程通常伴隨測量為缺口韌性或沖擊強度的材料的韌性降低的權衡。

在試驗中，發現用于1.15米(45英寸)輪葉的具有足夠的抗拉強度的標準ph13-8mo不銹鋼材料(ams5629)具有很差的沖擊強度。具有足夠的抗拉強度但較差的沖擊強度的其它商業材料包括但不限于atis240^?合金(俄勒岡州奧爾巴尼的atiproperties公司)、custom455^?合金(crsholdings公司)、custom465^?合金(crsholdings公司)和hsl^?185合金(日本東京的hitachimetals公司)。長度較長的輪葉需要高韌性來抵抗操作的環境條件。制造較長輪葉時，強度和韌性是各種設計需求中的兩個關鍵變量。

由于渦輪的輸出需求增加，末級輪葉繼續發展到較長的徑向長度。目前，通用電氣生產了很昂貴的鈦合金的1.15米(45英寸)的輪葉。為了制造更長的lsb，設計者通常必須依靠諸如鈦的較低密度合金來用于超過一定長度的輪葉。為了發展到成本效益更合算的合金，高強度鋼將是較廉價的。目前，通用電氣使用gtd-450來用于一些較長的末級輪葉，但那些輪葉在最大的當前可達到的uts下制造。該強度不足以用于較長長度的設計，因為鋼超出鈦的較高密度需要更高的強度。合金13-8mo可達到期望的強度，但標準商業材料并不具有如由缺口韌性試驗測得的期望韌性。

技術實現要素：

在實施例中，一種輪葉包括輪葉本體，其包括具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼。輪葉本體具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度。

在另一個實施例中，一種蒸汽渦輪包括至少一個輪葉，其包括具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼。輪葉具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度。

在另一個實施例中，一種制造輪葉的方法包括將具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼形成為輪葉。輪葉具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度。

技術方案1.一種輪葉，包括：

輪葉本體，其包括具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼，所述輪葉本體具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度。

技術方案2.根據技術方案1所述的輪葉，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼具有至少70mpa·m^1/2(63.7ksi·in^1/2)的斷裂韌性。

技術方案3.根據技術方案1所述的輪葉，其中，所述輪葉為蒸汽渦輪的長末級輪葉。

技術方案4.根據技術方案1所述的輪葉，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼按重量百分比包括：

11.0%到12.5%的鉻；

1.0%到2.5%的鉬；

0.15%到0.5%的鈦；

0.7%到1.5%的鋁；

0.5%到2.5%的銅；

9.0%到11.0%的鎳；

達到0.02%的碳；

達到2.0%的鎢；

達到0.001%的硼；

鐵；以及

附帶雜質。

技術方案5.根據技術方案1所述的輪葉，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼包括具有包括以下的加工經歷的不銹鋼合金：

熱加工所述不銹鋼合金；

將所述不銹鋼合金淬火；以及

將所述不銹鋼合金時效，其中在將所述不銹鋼合金時效之前未將所述不銹鋼合金固溶熱處理。

技術方案6.根據技術方案5所述的輪葉，其中，所述熱加工包括鍛造、沖孔、軋制和擠制中的至少一者。

技術方案7.根據技術方案5所述的輪葉，其中，所述熱加工包括在高于所述不銹鋼合金的恢復溫度的熱加工溫度下的最終熱加工道次。

技術方案8.根據技術方案5所述的輪葉，其中，所述熱加工包括在815℃(1520℉)到1150℃(2100℉)的熱加工溫度下的最終熱加工道次。

技術方案9.根據技術方案5所述的輪葉，其中，所述熱加工包括將所述不銹鋼合金縮減15%到70%，所述淬火包括水淬火、冰水淬火，或水淬火繼之以冰水淬火，且所述時效包括在時效時間內且在足以沉淀所述不銹鋼中的至少一個硬化相的時效溫度下加熱。

技術方案10.根據技術方案9所述的輪葉，其中，所述時效溫度為大約510℃(950℉)到大約540℃(1000℉)，且所述時效時間為大約4小時。

技術方案11.根據技術方案5所述的輪葉，其中，所述加工經歷不包括低溫冷卻所述不銹鋼合金。

技術方案12.一種蒸汽渦輪，包括：

至少一個輪葉，其包括具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼，所述輪葉具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度。

技術方案13.根據技術方案12所述的蒸汽渦輪，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼具有至少70mpa·m^1/2(63.7ksi·in^1/2)的斷裂韌性。

技術方案14.根據技術方案12所述的蒸汽渦輪，其中，所述輪葉為長末級輪葉。

技術方案15.根據技術方案12所述的蒸汽渦輪，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼按重量百分比包括：

11.0%到12.5%的鉻；

1.0%到2.5%的鉬；

0.15%到0.5%的鈦；

0.7%到1.5%的鋁；

0.5%到2.5%的銅；

9.0%到11.0%的鎳；

達到0.02%的碳；

達到2.0%的鎢；

達到0.001%的硼；

鐵；以及

附帶雜質。

技術方案16.根據技術方案12所述的蒸汽渦輪，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼包括具有包括以下的加工經歷的不銹鋼合金：

熱加工所述不銹鋼合金；

將所述不銹鋼合金淬火；以及

將所述不銹鋼合金時效，其中在將所述不銹鋼合金時效之前未將所述不銹鋼合金固溶熱處理。

技術方案17.一種制造輪葉的方法，包括：

將具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼形成為所述輪葉，所述輪葉具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度。

技術方案18.根據技術方案17所述的方法，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼按重量百分比包括：

11.0%到12.5%的鉻；

1.0%到2.5%的鉬；

0.15%到0.5%的鈦；

0.7%到1.5%的鋁；

0.5%到2.5%的銅；

9.0%到11.0%的鎳；

達到0.02%的碳；

達到2.0%的鎢；

達到0.001%的硼；

鐵；以及

附帶雜質。

技術方案19.根據技術方案17所述的方法，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼具有至少70mpa·m^1/2(63.7ksi·in^1/2)的斷裂韌性。

技術方案20.根據技術方案17所述的方法，其中，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼包括不銹鋼合金，所述方法還包括：

熱加工所述不銹鋼合金；

將所述不銹鋼合金淬火；以及

將所述不銹鋼合金時效，其中在將所述不銹鋼合金時效之前未將所述不銹鋼合金固溶熱處理。

本發明的其它特征和優點將從連同附圖的以下更詳細的描述清楚，附圖通過舉例說明了本發明的原理。

附圖說明

圖1為本發明的實施例中的蒸汽渦輪的示意性透視局部斷面視圖。

圖2為本發明的實施例中的長末級輪葉的透視圖。

只要可能，相同的參考標號將貫穿附圖使用以表示相同部分。

零件清單

10蒸汽渦輪

12轉子

14軸

16渦輪區段

18葉輪

20輪葉

22噴嘴

24蒸汽

26入口

102葉片

104后緣

106前緣

108側壁

112根部

114轉子葉片末梢

118徑向長度

121燕尾部。

具體實施方式

提供了具有高強度和高韌性的組合的長末級輪葉(lsb)、具有長末級輪葉的蒸汽渦輪和制造長末級輪葉的方法。

例如，相比于未包括本文公開的一個或多個特征的構想，本公開內容的實施例具有在較長末級輪葉(lsb)中帶有提高的韌性能力的較大安全裕度、優于當前使用的鈦材料的較低制造成本、獲得材料的較短周期時間、優于鈦的斷裂韌性，或它們的組合。

圖1示出了蒸汽渦輪10，其包括具有軸14的轉子12和低壓(lp)渦輪區段16。lp渦輪區段16包括沿軸向間隔開的轉子葉輪18。一系列輪葉20(其末級在圖1中標為20)機械地聯接至各個轉子葉輪18。更具體而言，輪葉20布置成沿周向圍繞各個轉子葉輪18延伸的排。一系列靜止噴嘴22沿周向圍繞軸14延伸，且沿軸向定位在相鄰排的輪葉20之間。噴嘴22與輪葉20協作以形成渦輪級且限定穿過蒸汽渦輪10的蒸汽流動通路的一部分。

在操作中，蒸汽24進入蒸汽渦輪10的入口26且導送穿過噴嘴22。噴嘴22相對于輪葉20向下游引導蒸汽24。蒸汽24穿過其余級，在輪葉20上賦予力，從而引起轉子12旋轉。蒸汽渦輪10的至少一端可沿軸向遠離轉子12延伸，且可附接至可包括但不限于發電機、另一渦輪或它們的組合的負載或機器(未示出)。

在圖1中，可看到低壓蒸汽渦輪10具有多個且更具體地五個級。第一級是五個級的徑向方向上最小的，其中級在徑向方向上向末級在尺寸上增大，末級是最大的。

圖2示出了蒸汽渦輪10中的長末級渦輪輪葉20。輪葉20包括具有后緣104和前緣106的葉片部分102。蒸汽大體上從前緣106向后緣104流動。輪葉20還包括凹形側壁108和凸形側壁110。側壁108、110沿軸向連接在后緣104和前緣106處以形成葉片102，葉片102延伸從轉子葉片根部112到轉子葉片末梢114的徑向長度118。根部112包括用于沿蒸汽渦輪10的軸14將輪葉20聯接至轉子盤的燕尾部121。

在一個實施例中，由ph馬氏體不銹鋼制成的末級輪葉20具有至少且優選大于1.15米(45英寸)的徑向長度118。ph馬氏體不銹鋼具有提高的韌性，同時仍保持足夠的強度。ph馬氏體不銹鋼具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度和至少41j(30ft-lb)的缺口韌性。ph馬氏體不銹鋼還優選具有至少70pma·m^l/2(63.7ksi·in^1/2)的斷裂韌性。在一些實施例中，ph馬氏體不銹鋼為13-8合金(unss13800)。在一些實施例中，ph馬氏體不銹鋼為在ams5934下從atiproperties公司(奧爾巴尼，俄勒岡州)以商品名supertough^?市售的ph13-8mo不銹鋼的形式。

可應用于本方法和/或設備的另一ph馬氏體不銹鋼為mlx17^tm合金(法國巴黎的aubert&duval)。如本文使用的"mlx17"是指按重量包括以下成分的合金：大約11%到12.5%的鉻、大約10.25%到11.25%的鎳、大約1.75%到2.25%的鉬、大約1.35%到1.75%的鋁、大約0.2%到0.5%的鈦、達到大約0.25%的硅、達到大約0.25%的錳、達到大約0.02%的碳和余量的鐵。

在一些實施例中，ph馬氏體不銹鋼按重量包括大約11.0%到15.0%的鉻、大約5.0%到11.0%的鎳、大約1.0%到2.5%的鉬、大約0.7%到1.5%的鋁、達到大約2.5%的銅、達到大約2.0%的鎢、達到大約0.5%的鈦、達到大約0.02%的碳、達到大約0.001%的硼、附帶雜質和余量的鐵。

在一些實施例中，ph馬氏體不銹鋼按重量包括大約11.0%到12.5%的鉻、大約1.0%到2.5%的鉬、大約0.15%到0.5%的鈦、大約0.7%到1.5%的鋁、大約0.5%到2.5%的銅、大約9.0%到11.0%的鎳、達到大約0.02%的碳、達到大約2.0%的鎢、達到大約0.001%的硼、附帶雜質和余量的鐵。

在一些實施例中，ph馬氏體不銹鋼包括具有包括以下的加工經歷的不銹鋼合金：熱加工不銹鋼合金、將不銹鋼合金淬火，以及將不銹鋼合金時效。不銹鋼合金在時效之前未固溶熱處理。在一些實施例中，熱加工包括鍛造、沖孔、軋制、擠制或它們的組合。加工經歷優選不包括低溫冷卻不銹鋼合金。

在一些實施例中，熱加工包括在高于不銹鋼合金的恢復溫度的熱加工溫度下的最終熱加工道次。在一些實施例中，熱加工包括在815℃到1150℃(1500℉到2100℉)的熱加工溫度下的最終熱加工道次，備選地870℃到1095℃(1600℉到2000℉)，備選地925℃到1040℃(1700℉到1900℉)，備選地925℃到1010℃(1700℉到1850℉)，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。

在一些實施例中，熱加工包括使不銹鋼合金減少大約15%到70%，備選地大約18%到大約42%，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。淬火優選包括水淬火、冰水淬火或水淬火繼之以冰水淬火，且時效優選包括在時效時間內且在足以沉淀不銹鋼中的至少一個硬化相的時效溫度下的加熱。

在一些實施例中，時效溫度為大約510℃到540℃(950℉到1000℉)，備選地大約510℃到530℃(950℉到985℉)，備選地大約510℃到520℃(950℉到970℉)，備選地大約425℃到650℃(800℉到1200℉)，備選地大約455℃到595℃(850℉到1100℉)，備選地大約480℃到565℃(900℉到1050℉)，備選地大約540℃(1000℉)，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍，且時效時間為大約4小時。

末級輪葉20具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度118，備選地大于1.15米(45英寸)，備選地至少1.27米(50英寸)，備選地至少1.37米(54英寸)，備選地至少1.52米(60英寸)，備選地在1.15米到1.52米(45到60英寸)的范圍中，備選地在1.27到1.37米(50到54英寸)的范圍中，備選地在1.37到1.52米(54英寸到60英寸)的范圍中，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。

在一些實施例中，處理不銹鋼合金僅依靠使用熱加工的塑性變形，而沒有熱加工之后的任何繁重冷加工。熱加工或熱塑性加工可包括但不限于鍛造(包括開模和閉模鍛造)、沖孔、軋制和擠制。在一些實施例中，僅加工溫度和縮減的成品道次(即，最終熱加工步驟)在熱加工中控制。成品道次之前的熱加工可在寬范圍的溫度和縮減的組合下進行。

最終熱加工道次的百分比縮減影響熱機械處理的ph馬氏體不銹鋼的機械性質。在適用于長產品(諸如但不限于長末級輪葉20)的實施例中，成品道次中的百分比縮減可指輪葉20的截面面積的減小。在其它實施例中，成品道次中的百分比縮減可指厚度的縮減。

在熱加工之后，將ph馬氏體不銹鋼淬火。淬火可包括但不限于水淬火、利用水溶液淬火，包括但不限于鹽水溶液、油淬火、在水和油的混合物中淬火或它們的組合。在一些實施例中，淬火池的初始溫度為大約18℃(65℉)，備選地不超過大約38℃(100℉)，備選地在18℃到38℃(65℉到100℉)的范圍中，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。在一些實施例中，將ph馬氏體不銹鋼淬火直到鋼的溫度不大于大約149℃(300℉)。

在一些實施例中，在淬火之后，ph馬氏體不銹鋼在大約兩小時的保持時間內浸沒且保持在冰水中。在一些實施例中，保持時間在大約2小時到大約24小時的范圍中。備選地，任何冷卻池都可在本發明的精神內使用以將ph馬氏體不銹鋼保持在低于大約10℃(50℉)的溫度下，備選地在0到10℃(32℉到50℉)的范圍中，備選地在0到4℃(32℉到40℉)的范圍中，備選地在-40℃到10℃(-40℉到50℉)的范圍中，備選地在-40℃到4℃(-40℉到40℉)的范圍中，備選地在-34℃到10℃(-30℉到50℉)的范圍中，備選地在-29℃到4℃(-20℉到40℉)的范圍中，備選地在-23℃到4℃(-10℉到40℉)的范圍中，備選地在-18℃到5℃(0到40℉)的范圍中，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。在一些實施例中，將ph馬氏體不銹鋼保持在大約冰水的溫度(0到4℃)下穩定了在熱加工步驟的熱塑性變形期間形成的殘留子結構。ph馬氏體不銹鋼優選在熱加工之后不經歷深冷溫度。在一個實施例中，ph馬氏體不銹鋼在熱加工之后未經歷深冷溫度。如本文使用的深冷溫度是指低于大約-40℃(-40℉)的任何溫度。

在淬火或將ph馬氏體不銹鋼保持在低于大約10℃(50℉)的溫度下之后，ph馬氏體不銹鋼在升高的溫度下時效。時效(也稱為沉淀時效或時效硬化)優選提供馬氏體鋼基體中的增強微粒的受控沉淀。時效優選導致分布在馬氏體晶粒各處的細增強微粒的沉淀。時效包括不同溫度下的多個時效步驟，有利地用于改善ph馬氏體不銹鋼的機械性質。

在一些實施例中，時效時間為大約4小時或較短。其它時效時間和溫度可針對特定合金確定。時效可包括以時效時間和足以用于沉淀一個或多個硬化相的時效溫度的任何組合加熱ph馬氏體不銹鋼。

ph馬氏體不銹鋼具有至少1520mpa(220ksi)的抗拉強度，備選地至少1550mpa(225ksi)，備選地至少1585mpa(230ksi)，備選地至少1620mpa(235ksi)，備選地在1520到1620mpa(220到235ksi)的范圍中，備選地在1550到1585mpa(225到230ksi)的范圍中，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。

ph馬氏體不銹鋼具有至少41j(30ft-lb)的缺口韌性，備選地至少47j(35ft-lb)，備選地至少54j(40ft-lb)，備選地至少61j(45ft-lb)，備選地至少68j(50ft-lb)，備選地至少75j(55ft-lb)，備選地在41到75j(30到55ft-lb)的范圍中，備選地在47到68j(35到50ft-lb)的范圍中，備選地在54到61j(40到45ft-lb)的范圍中，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。缺口韌性由夏氏沖擊試驗測得。夏氏沖擊試驗是標準化的高應變率試驗，用以確定在斷裂期間由ph馬氏體不銹鋼吸收的能量的量。

ph馬氏體不銹鋼優選具有至少70mpa·m^1/2(63.7ksi·in^1/2)的斷裂韌性，備選地至少75mpa·m^1/2(68.3ksi·in^1/2)，備選地至少80mpa·m^1/2(72.8ksi·in^1/2)，備選地至少85mpa·m^1/2(77.4ksi·in^1/2)，備選地至少90mpa·m^1/2(81.9ksi·in^1/2)，備選地至少95mpa·m^1/2(86.5ksi·in^1/2)，備選地在70到95mpa·m^1/2(63.7到86.5ksi·in^1/2)的范圍中，備選地在75到90mpa·m^1/2(68.3到81.9ksi·in^1/2)的范圍中，備選地在80到85mpa·m^1/2(72.8到77.4ksi·in^1/2)的范圍中，或它們的任何適合的組合、子組合、范圍或子范圍。斷裂韌性為基于如由標準化的線彈性平面應變斷裂韌性試驗測得的不穩定的裂紋增長的開始對于ph馬氏體不銹鋼的測得的線彈性斷裂韌性(kic值)。

具有至少1.15米(45英寸)的徑向長度118的長末級輪葉20可由保持或實現向ph馬氏體不銹鋼賦予的期望物理性質的任何方法形成，諸如由上述加工經歷賦予的那些。在保持或實現期望的物理性質的加工經歷之前、期間或之后，長末級輪葉20可定形為最終形式。在一些實施例中，長末級輪葉20通過鍛造工藝形成。在一些實施例中，長末級輪葉20從軋制或熱處理的條加工。

盡管參照一個或多個實施例描述了本發明，但本領域的技術人員將理解的是，在不脫離本發明的范圍的情況下可作出各種變化且對于其元件可替換等同物。此外，可作出許多改型來使特定情形或材料適于本發明的教導內容而不脫離其基本范圍。因此，期望本發明不限于公開為針對執行本發明構想的最佳模式的特定實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求的范圍內的所有實施例。此外，在詳細描述中標出的所有數值都應當理解為好像準確值和近似值兩者都明確指出那樣。