对维修的涡轮机部件进行热处理的方法

摘要

提供了一种对维修的涡轮机部件(10)进行热处理的方法，以提高该维修的涡轮机部件的持续时间疲劳裂纹耐受性。该方法包括将维修的涡轮机部件放置在一个设计成减少表面氧化的真空熔炉中。该维修的涡轮机部件可控制地被加热以防止变形。表面损伤层被再结晶成为细晶粒结构以防止产生疲劳裂纹。该维修的涡轮机部件可控制地被冷却以防止变形。

说明书

技术领域

本发明通常涉及对维修的涡轮部件进行热处理的方法，更特别地，涉及一种延长维修的涡轮部件的使用寿命的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机在高温和高应力下工作。包括但并不限于带有叶轮和隔板的转子盘在内的燃气轮机构件或者部件，常遭受高温和高应力的作用。这些涡轮部件被频繁地检查以确保在这些部件中不存在裂纹。裂纹可能由一种或多种机理产生，比如持续时间疲劳裂纹。持续时间疲劳裂纹是由于在高温和/或高应力下长期的运行时间所导致的，并且在镍基合金当中普遍存在，例如706合金。706合金是在燃气涡轮发动机的高温条件下适用的一种镍-基超耐热合金。这样的持续时间疲劳裂纹可能会大大降低燃气涡轮转子盘的使用寿命。

持续时间疲劳裂纹从该部件的表面上开始。为了减少持续时间疲劳裂纹，常规的补救方法包括利用一种适当方法例如喷丸硬化，对该表面施加压缩残余应力。通过提供表面压缩残余应力，该表面上的净应力可以被显著地减小以防止裂纹。然而，如果喷丸硬化没有覆盖整个表面，裂纹就可能在没有充分喷丸的位置产生。另外，在加工过程中表面上的任何损伤都可能致使裂纹在该处开裂。一旦这些裂纹细微地产生，这些裂纹可能迅速地蔓延并且使该部件无法使用。

为了减少持续时间疲劳裂纹，另一种常规的补救方法是利用无损技术经常检查部件。这种方法要求燃气轮机停车、冷却并且局部掩盖，以便提供通向需要检查的关键区域的入口。这种补救方法的明显不利之处在于所需的停车时间以及显著的时间损耗。此外，通过无损方法来探测显微裂纹是困难和不可靠的。在难以达到的位置，肉眼可见的或者更大的裂纹都可能会被错漏。在下一次的计划检查之前，这些裂纹的迅速传播速率可能会引起故障。针对该问题的一个解决方案是减少按照预定计划的检查时间间隔，这样裂纹可以被更可靠地检测出。然而，为了检查目的而频繁的停车是例如用于电力生产的涡轮机所非常不希望出现的。另一个可供选择的方法是以材料性能和/或在应力和高温下的暴露程度为基础，估算每个涡轮机部件的寿命，然后在一段确定的使用时间之后更换该部件。这样的方法目前正应用于航空涡轮发动机，其中在适当的时候发出一些关于涡轮机部件能被使用多长时间的某些指令。因为涉及到成本，这样的一种解决方案应用于发电用的涡轮机是不合适的。

发明内容

一方面，本发明提供了一种对维修的涡轮机部件进行热处理以提高该维修的涡轮机部件对持续时间疲劳裂纹的耐受性的方法。该方法包括，将该维修的涡轮机部件放置在一个设计成用来减少表面氧化的真空熔炉中。该维修的涡轮机部件可控制地被加热以防止变形。表面损伤层被再结晶成为细晶粒结构，以防止产生疲劳裂纹。该维修的涡轮机部件可控制地被冷却以防止变形。

另一方面，提供了一种对维修的涡轮转子盘进行热处理以提高持续时间疲劳裂纹增长的耐受性的方法。该方法包括将该维修的涡轮转子盘放置在一个设计成用来防止表面氧化的真空熔炉中。控制一个趋于热处理温度峰值的加热速率以使在该维修的涡轮转子盘外表面和该维修的涡轮转子盘内部区域之间的温差最小化。

另一方面，提供了一种对维修的涡轮转子盘进行热处理以提高持续时间疲劳裂纹增长的耐受性的方法。该方法包括以大约2/分钟到大约4/分钟的速度，将该维修的涡轮转子盘加热到大约1100的第一维持温度。该维修的涡轮转子盘被稳定在该第一维持温度下大约1小时到大约3小时长的一段时间。该维修的涡轮转子盘以大约2/分钟到大约4/分钟的速度，被加热到大约1500的第二维持温度。该维修的涡轮转子盘被稳定在该第二维持温度下大约1小时到大约3小时长的一段时间。该维修的涡轮转子盘以大约2/分钟到大约4/分钟的速度，被加热到大约1750到1900的热处理温度峰值。

附图说明

图1是根据本发明，适于热处理的一个典型维修的涡轮转子盘的剖视图；

图2是一个典型的热处理周期的示意图；以及

图3是图2所示热处理周期的可控加热部分的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于延长维修的涡轮机转子元件或者部件使用寿命的方法。该方法包括一个热处理过程，该过程被用于完全机械加工的、维修的涡轮机部件，而不会导致该部件产生任何的损伤和/或变形。本发明的所述方法可能被用来延长任何适合的涡轮机转子元件或者部件的使用寿命。

本发明根据它的与维修的涡轮机部件有关的应用以及操作描述如下，并且特别地与维修的涡轮转子盘有关。然而，显然对于本领域的技术人员而言并且根据这里所提供的教导，本发明同样适用于任何适合机械加工的、维修的元件或者部件，包括但不限于涡轮发动机的其它构件或者部件、锅炉和加热器，并且本发明可能应用于消耗天然气、燃料、煤炭、油或者任何固体、液体或者气体燃料的任何系统。

如这里所使用的，所述“维修的”应该理解成涉及某种涡轮机部件，例如涡轮转子盘，该部件已经成为运转着的涡轮发动机的一部分，并且在多数情况下已经有了一段至少为数千个小时的使用时间。

本发明提供了一种用于改变维修的涡轮机部件的显微结构以防止产生裂纹的热处理方法，所述裂纹包括但不限于持续时间疲劳裂纹。持续时间疲劳裂纹包括一个产生阶段和一个扩散阶段。该产生阶段可能要花费数以千小时计的运行时间。在产生阶段期间没有形成裂纹，但是在材料的外表面存在着损伤累积。损伤累积的速率取决于应力、工作温度、表面残余应力、由于装载和/或机械加工过程中产生的表面损伤、该表面的晶粒大小和/或运转周期。一旦该损伤达到一个临界水平，细微的显微裂纹开始在涡轮机部件的外表面上出现。这些裂纹可能迅速地在整个涡轮机部件上蔓延。在一个实施例中，本发明的热处理方法修复在涡轮机部件的外表面上出现和/或积累的损伤。此外，该方法将表面的显微结构改变为更细的晶粒结构，从而减少在运行过程中发生裂纹的倾向。另外，该方法将整个部件的颗粒结构改变为新的显微结构，后者针对裂纹扩展具有高的耐受性。对完全机加工的部件进行热处理不是一件容易的事情，因为当机加工部件被加热到很高的温度时，该部件存在变形的自然趋势。此外还会发生表面氧化，使得该表面无法使用。

在加热过程中，维修的涡轮机部件的温度接近热处理温度峰值，这时应力将发生松弛。如果加热速率太快，该维修的涡轮机部件的某些区域例如外表面，可能比其它的区域例如内部区域松弛得更快，这样会导致该维修的涡轮机部件的变形。在一个实施例中，进行了热力学分析以确定最优的加热速率，从而使在外表面和内部区域之间的温差最小化。

如图1所示，一个维修的涡轮机部件10例如维修的涡轮转子盘12，示出了其剖面图，并且显示了其需要作特殊热处理的复杂形状。该形状从一个相对较厚的、径向的内部部分14，通过一个厚度递减的中间部分16，变化到一个径向的外面部分18，其中所述内部部分14同转子孔(未示出)在径向上相邻，所述外面部分18大体上比内部部分14要薄，但是具有例如箭头20和22所示的变化部分。

在实施本发明的热处理过程时，考虑以上所描述的几何形状，认识到比起接近转子孔的内部部分14，外面部分18以及它的表面会保持在一个稳定温度更长的时间。此外，涡轮转子盘12的外表面24分别以一个加热速率和一个冷却速率进行加热和/或冷却，所述速率均大于维修的涡轮转子盘12内部区域26加热和/或冷却的速率。在维修的涡轮转子盘12在各处都实现均匀温度之前，维修的涡轮转子盘12可能会从一个稳定或者维持温度迅速地被加热或者冷却。换句话说，因为通过维修的涡轮转子盘12的缓慢的热传导，在稳定之后，外表面24会比内部区域26在该维持温度经历更长的时间。此外，由于横截面尺寸的差异以及通过维修的涡轮转子盘12的缓慢的热传导，径向的外面部分18可能比径向的内部部分14在该维持温度经历更长的时间。

进一步参考图2和3，本发明提供了一种用于热处理维修的涡轮机部件例如维修的涡轮转子盘的方法，以提高维修的涡轮机部件10对持续时间疲劳裂纹增长的耐受性，和/或增加维修的涡轮机部件10的预期使用寿命。如图2和3所示，曲线28表示在热处理周期期间维修的涡轮机部件10的外表面24的温度，曲线29表示在热处理周期期间维修的涡轮机部件10的内部区域26的温度。维修的涡轮机部件10被放置在一个设计成防止或者减少表面氧化的真空熔炉(未示出)内。如这里所描述的，表面氧化可能会妨碍或者削弱所述热处理方法的效果。在一个实施例中，当涡轮机部件10受到与该热处理方法有关的高温作用时，维修的涡轮机部件10被支撑在真空熔炉之内，以防止或者最小化自重烘弯和/或变形的程度。如图1所示，维修的涡轮转子盘12被安置在真空熔炉之内，并且在至少一个位置由支架30支撑，所述至少一个位置包括但不限于维修的涡轮转子盘12的孔部位32、螺栓孔部位34和/或边缘部位36。在该实施例中，支架30由一个具有低热膨胀系数和/或一个与维修的涡轮转子盘12的膨胀系数相近或者相同的热膨胀系数的材料所组成。在可供选择的实施例中，支架30由本领域的技术人员所熟知的以及由这里提供的教导所指引的任何适合的材料制成，该支架设计成在实施该热处理方法期间充分支撑维修的涡轮机部件10。

正如下面所述，当维修的涡轮转子盘12接近或者达到热处理温度峰值时，通过在位置32、34和/或36支撑维修的涡轮转子盘12，例如，可以防止维修的涡轮转子盘12的重量所产生的应力导致维修的涡轮转子盘12的自重烘弯。在一个实施例中，通过比较维修的涡轮机部件重量所产生的应力和包括维修的涡轮转子盘12的合金材料在热处理温度最大值时的流动应力，确定了一个最理想的支架。支架30便于把应力减少到低于合金材料在热处理温度峰值时的流动应力。此外，除了由于部件重量产生的变形之外，在维修的涡轮转子盘12中的残余应力也可能导致完全机械加工的、维修的涡轮转子盘12变形。这些残余应力可能是由于机械加工时的暴露和/或运转时的暴露所引起。另外，当外表面24和内部区域26在加热过程中处于不同温度时，常规的加热过程可能引起变形。

维修的涡轮机部件10可控制地被加热以防止变形。在一个实施例中，通过将维修的涡轮机部件10稳定在一系列中间维持温度来控制加热速率。在一个特别的实施例中，加热的维修的涡轮机部件10被稳定在一系列中间维持温度大约1到3小时长的时间。在一个可供选择的实施例中，该维持温度和/或该保持时间可能根据维修的涡轮机部件10的几何形状而改变。

参照图2和3，达到热处理温度峰值的加热速率被控制着，以便将外表面24和内部区域26之间的温差减到最少。在一个实施例中，维修的涡轮机部件10以大约2/分钟的速率，可控制地被加热到大约1000至大约1100的第一维持温度。在该第一维持温度，维修的涡轮机部件10被稳定大约一个小时到大约三个小时长的时间，以平衡外表面24的温度和内部区域26的温度。在该第一维持温度时的温度稳定性允许维修的涡轮机部件10内部的温度达到平衡，并且防止维修的涡轮机部件10在进一步被加热时产生变形。

然后，维修的涡轮机部件10以大约2/分钟到大约4oF/分钟的速率，可控制地被加热到大约1500至大约1600的第二维持温度。在该第二维持温度，维修的涡轮机部件10再一次被稳定大约一个小时到三个小时长的时间，以平衡维修的涡轮机部件10外表面24的温度和内部区域26的温度。在该第二维持温度时的温度稳定性允许维修的涡轮机部件10内部的温度达到平衡，并且防止维修的涡轮机部件10在随后进一步被加热时产生变形。

在一个实施例中，维修的涡轮机部件10以大约2/分钟到大约4/分钟的速率，被加热到大约1750至大约1900的热处理温度峰值。在一个特别的实施例中，维修的涡轮机部件10被加热到大约1800的热处理温度峰值。维修的涡轮机部件10被稳定在该热处理温度峰值大约3到10小时，以促进维修的涡轮机部件10上的损伤部分和/或区域重结晶。在该热处理温度峰值，使用期间在工作条件下的暴露所导致的损伤累积被修复或者修理。在一个实施例中，至少一个表面损伤层的一部分(未示出)在该热处理温度峰值下被修复。在该实施例中，所述表面损失层被重结晶成细晶粒结构以防止产生疲劳裂纹。细晶粒结构可以定义成具有大约ASTM晶粒度6或更高的晶粒大小的结构。该部件剩余部分的晶粒大小将停留在大约原有的水平，即具有大约ASTM晶粒度2到4的晶粒大小。进一步的，在该热处理温度峰值，为随后的热处理提供了一种解决沉淀物的方法。再结晶该表面损伤层之后，紧接着维修的涡轮机部件10可控制地被冷却以防止变形。

在一个实施例中，维修的涡轮机部件10以大约15/分钟到大约30/分钟的速度，被冷却到大约1500至大约1600的第三维持温度。维修的涡轮机部件10被稳定在该第三维持温度大约二小时到大约六小时长的一段时间，以平衡外表面24和内部区域26的温度。允许在维修的涡轮机部件10内部的温度达到平衡，可以防止或者限制维修的涡轮机部件10在随后进一步冷却时的变形。

在一个实施例中，维修的涡轮机部件10以大于大约300/小时的速度，被进一步冷却到低于大约1000的温度。冷却到这样地温度能够防止或者限制在所需阶段过早的沉淀，所述沉淀发生在下一工序。在将维修的涡轮机部件10冷却到低于1000温度之后，维修的涡轮机部件10以大约2/分钟到大约10/分钟的速率被加热到大约1300至大约1350的老化温度。在该实施例中，在外表面24和内部区域26之间的温差并不是非常大，因此在随后加热到大约1300至大约1350的老化温度期间，不需要一个中间的保持时间。进一步的，该合金材料处于类似溶解(as-solutioned)的状态，此时镍基合金处于一个相对柔软的状态，不大可能产生裂纹。维修的涡轮机部件10被稳定在该老化温度大约8小时到大约12小时长的一段时间，以促进维修的涡轮机部件10的修理或者修复。大约8小时长的时间为所需强化沉淀物的沉淀提供了足够的时间。对于较大的部件，可能需要大约12小时的较长时间来把整个部件加热到老化温度。

在维修的涡轮机部件10被稳定在老化温度之后，维修的涡轮机部件10可控制地被冷却。在一个实施例中，维修的涡轮机部件以大约100/小时的速度被冷却大约二小时，达到大约1125至大约1150的第四维持温度。维修的涡轮机部件10被稳定在该第四维持温度大约8小时到大约12小时长的一段时间。这段8小时长的时间为所需强化沉淀物的沉淀提供了足够的时间。然而，对于较大的部件可能需要大约12小时的较长时间，以平衡外表面24和内部区域26的温度，并且允许在维修的涡轮机部件10内部的温度达到平衡。稳定在第四维持温度之后，维修的涡轮机部件10被冷却到室温。在一个实施例中，维修的涡轮机部件10从真空熔炉中移出，并且允许空冷到室温。在一个可供选择的实施例中，维修的涡轮机部件10在该真空熔炉之内被冷却到室温。

以上所述对维修的涡轮机部件进行热处理的方法，能够以节省成本和可靠的方式，延长维修的涡轮机部件例如维修的涡轮转子盘的使用寿命。更具体地说，该方法有助于提高该维修的涡轮机部件例如维修的涡轮转子盘的疲劳裂纹增长耐受性，而不会使之变形或者给材料的性质带来负面的影响。作为结果，维修的涡轮机部件可以被可靠地和有效率地热处理，使得该维修的涡轮机部件具有损伤耐受性，例如，该方法可以修复或者复原整个维修的涡轮机部件。

上面详细描述了对维修的涡轮机部件进行热处理的方法的典型实施例。该方法并不局限于如这里所描述的具体实施例，而是，该方法的各步骤都可能脱离于这里所述的其他步骤被单独和分开地应用。进一步的，所述方法的各步骤也可以被限定在其它的方法中，或者与其它的方法一起使用，而不局限于仅仅与这里所述的方法一起实施。

虽然已经根据各种各样的具体实施例对本发明作了描述，但是本领域的技术人员将认识到本发明可以在权利要求书的精神和范围之内通过各种变型实施。