[0001] 本发明一般地涉及涡轮转子，包括在蒸汽轮机中所使用的那些涡轮转子。更具体而言，本发明涉及一种适合在蒸汽轮机转子的高压级和中压级中使用且能够增加这种转子的高温特性的合金。

[0002] 蒸汽轮机、燃气轮机、燃气涡轮发动机和喷气发动机中使用的转子沿它们的轴向长度经受一定范围的操作条件。不同的操作条件使适当转子材料的选择和转子的制造复杂化，因为为了满足一种操作条件而优化的材料对于满足另一种操作条件而言可能不是最佳的。例如，蒸汽轮机转子的进口和出口区域具有不同的材料特性要求。在蒸汽轮机的进口处的高压(HP)级内的高温和高压条件通常要求带有高蠕变断裂强度、然而仅相对适度的韧性(toughness)的材料。另一方面，在蒸汽轮机的出口处的低压(LP)级不要求相同水平的高温蠕变强度，但适当的材料由于出口区域中使用的长涡轮叶片所施加的高负荷而通常必须呈现很高的韧性。

[0003] 由于化学性质单一的单块(整体)转子(即，不是组件的转子)由于上述原因不能满足LP、IP和HP级的各个的特性要求，所以普遍使用通过组装化学性质不同的部段而构成的转子。例如，大型蒸汽轮机通常具有由用于涡轮的不同区段的容纳在单独的壳体或罩壳中的单独的转子部段组成的栓接结构。蒸汽轮机行业目前倾向于在HP级中使用CrMoV低合金钢(通常，以重量计，约1％的铬、1％的钼、0.25％的钒、达0.3％的碳、平衡铁(balance iron)以及可能较少的硅、锰等的添加)，而在LP级中使用NiCrMoV低合金钢。NiMoV低合金钢也已被普遍用作用于各级的材料。CrMoV合金的一个特定实例以重量计含有1.0％至1.5％的铬、1.0％至1.5％的钼、0.2％至0.3％的钒、0.25％至0.35％的碳、0.25％至1.00％的锰、0.2％至0.75％的镍、达0.30％的硅、平衡铁及附带的夹杂物(例如达0.010％的磷、达0.010％的硫、达0.010％的锡、达0.020％的砷以及达0.015％的铝)。

[0004] 虽然由CrMoV低合金钢成分制成的转子被普遍使用，但目前用于CrMoV钢的最大设计温度为约1050°F(约565℃)。当为了增加蒸汽轮机效率而追求更高的进口温度(例如达到约1065°F(约575℃))时，通常必须使用带有不同水平的Mo、V、W、Nb、B的铬钢合金(通常约9到14重量百分比的铬)来满足蒸汽轮机的HP级中更高的温度条件。虽然能够在蒸汽轮机的HP级内在超过565℃的温度下操作，但从这些合金制成的转子锻件导致更高的成本并且经常需要另外的措施来克服与转子的较冷级中使用的合金的热膨胀不匹配。

[0005] 已对CrMoV低合金钢进行修改以实现用于各种其它应用的期望特性。例如，蒸汽轮机应用中使用的CrMoV栓接钢(bolting steel)可包括添加铝、硼和/或钛以提高高温强度和延展性。实例包括称为7CrMoVTiB 10-10和20CrMoVTiB 4-10的合金。已公布这样一种螺栓合金成分，其以重量计含有0.9％至1.2％的铬、0.9％至1.1％的钼、0.6％至0.8％的钒、0.35％至0.75的锰、0.17％至0.23％的碳、0.07％至0.15％的钛、0.015％至0.080％的铝、0.001％至0.010％的硼、达0.20％的镍、达0.40％的硅、达0.020％的磷、达0.020％的硫、达0.020％的锡、达0.020的砷、平衡铁。一个特定的商业实例可从Corus Engineering Steels获得，名称为Durehete 1055，并且已公布其以重量计含有1％的铬、1％的钼、0.7％的钒、0.5％的锰、0.25的硅、0.2％的碳、0.1％的钛、0.04％的铝、0.003％的硼、平衡铁。已公布硼使在由CrMoV合金形成的螺栓中用作加强相的碳化物V4C3稳定，并且已公布钛从溶液除去氮以防止形成氮化硼沉淀物。但是，相信已发现硼的用途有限并且尚未使用钛作为对转子由其锻造而成的CrMoV合金的添加物。此外，锻造的蒸汽轮机转子相对于蒸汽轮机应用中使用的螺栓(其例如将两个转子区段保持在一起或将两个壳体半部保持在一起以便容纳蒸汽)具有极大不同的特性要求。

[0006] 本发明提供一种适合在转子(例如蒸汽轮机转子的一个或多个区域)中使用的合金，以及使用该合金形成的锻造转子。特别地，本发明包括对CrMoV低合金钢进行修改以促进高温特性，这种高温特性能使由其形成的转子表现出改进的特性，例如蠕变阻力，以便在蒸汽轮机的高压级中使用。

[0007] 根据本发明的一方面，该合金包括(以重量计)0.20％至0.30％的碳、0.80％至1.5％的铬、0.80％至1.5％的钼、0.50％至0.90％的钒、0.30％至0.80％的镍、0.05％至
0.15％的钛、0.20％至1.0％的锰以及0.005％至0.012％的硼、平衡铁、可选的低水平其它合金组分、以及附带夹杂物。该合金可应用于蒸汽轮机应用，例如要求整体锻造的高压(HP)转子、要求整体锻造的中压(IP)转子、以及要求整体锻造的组合HP-IP转子。该合金也适合用作附接(例如，栓接或焊接)在由不同合金成分形成的低压(LP)转子区段上的HP或IP转子区段。

[0008] 本发明的另一方面是具有由如上所述的合金锻造而成的至少一部分的涡轮转子。尽管该合金的化学性质与含有钛和硼的CrMoV栓接合金相似，但后者是为栓接应用(在其中，对于栓接合金要求直径较小的棒材(bar stock))而开发的，而本发明的合金的化学性质和热处理被修改以便制造能够满足HP和IP转子应用要求的大直径锻件。

[0009] 本发明的显著优点在于该合金与常规CrMoV合金相比能够在1050°F(约565℃)以上的温度(例如达1065°F(约575℃))下，呈现增加的蠕变强度和改进的微观结构稳定性。结果，更高的HP进口温度是可能的，其能够实现增强的蒸汽轮机性能和效率而不必诉诸于与诸如9-12％铬耐热合金相关的显著更高的成本。此外，通过避免使用9-12％铬合金和具有不同于常规CrMoV合金钢的热膨胀系数的其它合金，由本发明的合金制成的锻件能够在服务市场(service market)中用作用于对现有的蒸汽轮机单元进行性能增强的改型包(retrofit pachage)，以及用于新蒸汽轮机设计。

[0010] 从以下详细描述中将更好理解本发明的其它方面和优点。附图说明

[0011] 图1示意性地表示可使用本发明的合金制造的整体蒸汽轮机转子锻件。

[0012] 图2示意性地表示包括附接(例如，栓接或焊接)在由不同材料形成的LP转子锻件上的HP转子锻件的蒸汽轮机转子。

[0013] 部件清单：

[0014] 10锻件

[0015] 20组件

[0016] 22区段

[0017] 24区段

[0018] 26区段

[0019] 本发明涉及一种适合在蒸汽轮机应用(如图1中所示类型的整体(单件)转子锻件10)中使用的合金。图1中所示类型的蒸汽轮机整体锻件可使用标准锭熔炼/铸造技术(例如，碱性电(basic electric)、电弧、钢包精炼(ladle refining)、真空钢流脱气(vacuum stream degassing)、真空碳脱氧(VCD)、真空硅脱氧(VSD))或自耗电极熔化技术(consumableelectrode melting technique)(如电渣重熔(ESR)或真空电弧重熔(VAR))制造而成。另外，该合金可用于制造多个合金整体(单件)转子锻件，例如，按照授予Schwant等人的美国专利No.6,962,483、授予Ganesh等人的美国专利No.6,971,850以及授予Ganesh等人的美国专利No.7,065,872的教导，通过引用将这些专利中与多个合金整体转子的铸造和锻造相关的内容结合于本文中。

[0020] 备选地，可设想该合金可用来制造HP或IP转子锻件区段，该区段被栓接或焊接在LP转子锻件区段或其它材料的其它HP转子锻件区段上以制造图2中所示类型的组合式蒸汽轮机转子组件20。为了实现适合蒸汽轮机(例如，先进的功率发生蒸汽轮机)的不同级的特性，优选使用不同的合金化学性质来形成图2中的转子组件的不同部分。例如，可在高压(HP)区段22、中压(IP)区段24及低压(LP)区段26中使用不同合金。用于图2的转子组件20的合金优选被选择成具有为它们在蒸汽轮机内的相应部位优化的机械和物理特性。由此，用于HP、IP和LP合金的成分通常将是不同的(尽管在它们相应的区域内基本均匀)以获得转子组件20的不同区段22、24和26所要求的不同特性，例如抗拉强度、断裂韧性、断裂强度、蠕变强度和热稳定性以及成本目标。适合在转子组件20的LP区段26中使用的著名的的商用合金包括常规的NiCrMoV型低合金钢，并且用于达1050°F的应用的转子组件20的HP区段22和IP区段24的著名的商业合金包括常规的CrMoV合金钢。

[0021] 为了实现图1的整体转子锻件10和图2的HP转子区段22和/或IP转子区段24能够在高于1050°F(约565℃)的进口温度(例如约1065°F(约575℃))下操作所需的机械特性，该合金的化学性质基于CrMoV低合金钢，其成分被调整(tailor)以改进在这些更高温度下的特性。特别地，该钢合金以重量计的成分为：0.20％至0.30％的碳、0.80％至1.5％的铬、0.8％至1.5％的钼、0.50％至0.90％的钒、0.30％至0.80％的镍、0.05％至0.15％的钛、0.20％至1.0％的锰、以及0.005％至0.012％的硼、平衡铁、可选的低水平的其它合金组分、以及附带夹杂物(例如，达0.008％的磷、达0.010％的硫、达0.008％的锡、达0.015％的砷以及达0.015％的铝)。用于该合金的更特别的成分以重量计为：0.20％至0.25％的碳、0.90％至1.3％的铬、1.0％至1.5％的钼、0.60％至0.80％的钒、0.30％至
0.60％的镍、0.07％至0.12％的钛、0.65％至0.85％的锰、0.005％至0.010％的硼、平衡铁以及附带夹杂物。用于该合金的合适的目标成分认为以重量计为：约1.1％的铬、1.25％的钼、0.7％的钒、0.25％的碳、0.11％的钛、0.009％的硼、0.75％的锰、0.50％的镍、平衡铁以及附带夹杂物。

[0022] 该合金认为在用于锻造的转子并且特别是蒸汽轮机转子的HP区域以及可选IP区域中时提供了优点。例如，包含硼和钛两者认为促进了在约1050°F(约565℃)以上的温度(例如达约1065°F(约575℃)并且可能更高)下的微观结构稳定性，从而与常规的CrMoV合金相比提供了蠕变强度的增加。尽管看起来仅增加相当小的约15°F(约10℃)，但这种HP进口设计温度的增加将能够实现增强的蒸汽轮机性能和效率，而不必诉诸于与诸如9-12％的铬耐热合金的其它合金相关的显著更高的成本。此外，通过避免使用9-12％铬合金和热膨胀系数不同于常规CrMoV合金钢的其它合金，由本发明的合金制成的锻件可在服务市场中用作用于对现有的蒸汽轮机单元进行性能增强的改型包，以及用于新蒸汽轮机设计。

[0023] 上述合金基于以前仅应用于蒸汽栓接应用(steam boltingapplication)的名义1％CrMoVTiB合金。相对于蒸汽栓接应用，转子锻件应用要求制造带有显著更大的直径的锻件。例如，HP和IP转子锻件通常以最大直径制造以便最终锻件处于约二十至约四十八英寸(约50至约120cm)的范围内。从而，用于栓接应用的名义1％CrMoVTiB的化学性质必须进行调整以便制造直径更大的转子锻件。例如，增加目标锰水平以提高合金的硬化程度，增加目标镍水平以提高合金的硬化程度和断裂韧性，并且降低目标铝水平以避免将保留在最终产品中的成型氧化物。

[0024] 如前文所述，本发明的合金适合铸造和锻造以形成图1中所示类型的整体(单件)HP或IP转子锻件10，并且可设想形成图2的多个合金转子组件20的HP区段22和IP区段24中的一个或两个。在锻造后，图1的整体锻件10或图2的锻件区段22和24可经受一次或多次热处理。例如，锻件可经历两个热处理步骤：初步热处理步骤和最终热处理步骤。初步热处理设计成精炼微观结构并且必须进行在约1700°F至约1900°F(约930℃至约
1040℃)的温度范围内的正火处理(normalizing treatment)，接着进行空气冷却。最终热处理步骤设计成产生最终材料特性，并且必须进行奥氏体化步骤，在该奥氏体化步骤期间将锻件加热至在约1650°F至约1850°F(约900℃至约1010℃)的范围内的温度，保持足够的时间以确保全部厚度完全转变为奥氏体，然后以充分的速度淬火到充分的温度以确保微观结构从奥氏体相完全转变为贝氏体相。在热处理之后，转子锻件优选具有约ASTM 3或更细的最大晶粒大小并且可被加工以产生转子所需的形状和尺寸。

[0025] 如果本发明的合金用来形成转子锻件10的多个区域，例如，按照前述授予Schwant等人和Ganesh等人的美国专利，则在认为符合要求或需要的情况下，可使用不同的热处理温度和持续时间。例如，可使用带有多个温度区的熔炉来提供对应于转子锻件10的不同区域的转子锻件的区域的适当的热处理温度。如本领域中可理解的那样，这种差别热处理可包括用于可在转子锻件上执行的溶解、奥氏体化、时效和/或回火处理的不同温度。例如，如果对于HP区域希望更高的蠕变断裂强度则可使用更高温度的奥氏体化处理，而如果对于IP或LP区域需要更高的韧性则可使用较低的温度。也可使用奥氏体化之后的差别冷却。例如，可使用较慢的冷却来实现有益的沉淀反应，减小热应力，和/或提高HP区域中的蠕变断裂强度，而可使用更快的冷却来实现全区段硬化，避免有害的沉淀反应，和/或提高IP或LP区域的韧性。最佳温度、持续时间以及加热和冷却速度一般在本领域的技术人员的能力之内。

[0026] 虽然已就特定实施例描述本发明，但显而易见的是，本领域技术人员能够采用其它形式。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。