专利名称：带有功能梯度材料的护套叶轮与方法
技术领域：
本文所公开的主题的实施例大体而言涉及压缩机，并且更特定而言涉及由功能梯度材料制成的叶轮(impeller)。
背景技术：
压缩机是一种通过使用机械能加速可压缩流体(例如气体)的微粒从而最终增加该可压缩流体的压力的机械。压缩机被用于多种不同应用中，包括作为燃气涡轮发动机的初始级而操作。在各种类型的压缩机中具有所谓的离心压缩机，其中，机械能通过离心加速 (其使气体微粒加速)而作用在输入至压缩机的气体上，例如通过旋转离心叶轮(气体经过该离心叶轮)。更一般而言，离心压缩机可被认为是被称作“涡轮机械”或“涡轮旋转机械” 的一类机械的部分。离心压缩机可装有单个叶轮，S卩，单级配置，或者装有串联的多个叶轮，在该情况下，它们通常被称作多级压缩机。离心压缩机的级中的每一级通常包括用于待加速气体的入口管道、能为输入气体提供动能的叶轮，以及扩散器，该扩散器将离开叶轮的气体的动能转换成压力能量。图1示意性地示出了多级离心压缩机10。其中，压缩机10包括盒或外壳(定子)12，其内安装了旋转压缩机轴14，压缩机轴14设有多个离心叶轮16。转子组件18包括轴14和叶轮16，并且通过轴承20被径向地和轴向地支承，轴承20布置在转子组件18的任一侧上。多级离心压缩机10操作以从管道入口 22得到输入工艺气(process gas)，用以通过转子组件18的操作来加速工艺气的微粒，并且随后以高于工艺气输入压力的输出压力通过出口管道M传输该工艺气。在叶轮16与轴承20之间设有密封系统沈以防止工艺气流至轴承20。外壳12设置为覆盖轴承20和密封系统26，以防止气体从离心压缩机10漏出。在图1中还看出平衡鼓27 (balance drum)，其补偿由叶轮16引起的轴向推力；平衡鼓的迷宫式密封观；以及，平衡管线四，其将平衡鼓27外侧上的压力保持在与工艺气经由管道22进入所处于的压力相同的水平。不同类型的工艺气可用于多级离心压缩中。例如，工艺气可为其中的一种二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气，或其组合。当利用腐蚀性工艺气操作时，离心压缩机可采用由耐腐蚀合金(例如不锈钢、镍基超级合金和钛合金)构成的叶轮。然而， 用于这些耐腐蚀合金的材料倾向于昂贵。替代解决方案的尝试还包括使用涂层来改进耐腐蚀性，以及附连覆层来抵抗应力腐蚀开裂。然而，由于可导致局部覆盖或无覆盖的几何形状复杂性，并且由于应用该覆层时对叶轮造成的变形，这些方法未显示出在叶轮的流动路径部分上有效。因此，需要用于降低成本同时对于这样的工作环境而言保持可满足要求的材料性质的系统和方法。
发明内容
根据一示例性实施例，提供了一种用于制造压缩机所使用的叶轮的方法。该方法包括通过将第一金属粉末置于第一嵌件与基底金属(base metal，或称基体金属)之间的间隙内而将中间层附连到基底金属上；利用热等静压加工基底金属、第一金属粉末和第一嵌件，从而使中间层结合到基底金属上，中间层具有大体上小于百分之一的孔隙率，其中， 中间层的热膨胀系数介于基底金属与外层的热膨胀系数之间；移除第一嵌件；通过将第二粉末置于第二嵌件与中间层之间的间隙内而将外层附连到中间层上；经由热等静压加工基底金属、中间层、第二金属粉末和第二嵌件，从而使外层结合到中间层上，外层具有大体上小于百分之一的孔隙率；以及，移除第二嵌件以形成叶轮，其中，外层在热等静压之后是耐腐蚀的。根据另一示例性实施例，提供了一种用于制造压缩机所使用的叶轮的方法。该方法包括将第一层附连到嵌件上，其中，第一层在热等静压之后是耐腐蚀的；将第二层附连到第一层上，其中，第二层的热膨胀系数介于基底金属与第一层的热膨胀系数之间；将嵌件、第一层和第二层的组合附连到基底金属上，从而使第二层与基底金属处于接触；经由热等静压加工该嵌件、第一层、第二层和基底金属，从而使第二层结合到基底金属上，第一层与第二层相结合，并且第一层和第二层都具有大体上小于百分之一的孔隙率；以及，移除嵌件以形成叶轮。根据另一示例性实施例，提供了一种用于压缩机中的叶轮。该叶轮包括盘段，其由碳钢制成；相对盘段，其由碳钢制成；与盘段和相对盘段处于接触的多个叶片，其由碳钢制成；中间层，其被附连到处于该盘段、该相对盘段和该多个叶片的腐蚀性工艺气流动路径中的表面上，其中，中间层经由热等静压而附连，导致大体上小于百分之一的孔隙率以及介于该碳钢与外层的导热系数之间的导热系数；以及，外层，其经由热等静压附连到中间层上，外层在热等静压后具有小于百分之一的孔隙率并且是耐腐蚀的。
附图示出了示例性实施例，其中图1描绘了压缩机；图2示出了根据示例性实施例的护套叶轮；图3示出了根据示例性实施例的带有外层的整体式的盘、叶片和相对盘；图4示出了根据示例性实施例的功能梯度材料的梯度；图5示出了根据示例性实施例的功能梯度材料的分层梯级；图6示出了根据示例性实施例的叶轮、嵌件和金属粉末；图7示出了根据一示例性实施例的单独但仍附连的带有外层的盘、叶片和相对盘；图8描绘了根据示例性实施例的整体式的叶片和相对盘以及外层，该相对盘被附连到盘上；图9示出了根据示例性实施例的分开的叶片，其中叶片的一部分与盘集成整体， 并且叶片的第二部分与相对盘和外层集成整体；图10示出了根据示例性实施例的与外层集成整体的叶片，其被附连到盘和相对盘上；图11示出了根据示例性实施例的带有中间层和外层的叶轮；图12是显示用于制造根据示例性实施例的叶轮的一种方法的流程图；以及图13是显示用于制造根据示例性实施例的叶轮的另一方法的流程图。
具体实施例方式示例性实施例的下述详细描述引用了附图。在不同附图中相同的参考标号表示相同或相似元件。此外，附图不一定按照比例绘制。而且，下述详细描述并不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示，结合一实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的不同地方，用语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现不一定指相同的实施例。 另外，特定的特征、结构或特性可以任何合适方式被结合在一个或多个实施例中。如在背景技术部分中所述，压缩机可使用可以是腐蚀性的工艺气。例如，工艺气可为其中任何一种二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气，或其组合。叶轮旋转并且给工艺气提供动能，并且因此具有暴露在工艺气中的表面。在工艺气是腐蚀性的情况下，叶轮传统地完全由耐腐蚀合金制成。但是，用于这样的材料较贵。本文所述的示例性实施例提供利用更少量的昂贵的耐腐蚀合金制造叶轮的系统和方法，其降低了叶轮的成本，同时仍保持所需的材料性质。在图2中示出了一示例性叶轮。根据示例性实施例，叶轮200包括盘段202、相对盘段(也被称作护罩)204和多个叶片206。腐蚀性工艺气在多个叶片以及由盘段202的外表面与相对盘段204的内表面界定的区域之间流动。因此，这些表面需要防护以免受腐蚀性工艺气，而未暴露的表面与内部部分不需要这种防护。根据示例性实施例，基底金属，例如碳钢(其不如耐腐蚀材料昂贵) 可用作叶轮的基底，并且耐腐蚀合金被附连到基底上，以便预期得到所需的材料性质。例如，可通过在基底金属之上使用功能梯度材料来制造离心压缩机叶轮，以增强受影响区域 (即，工艺气的流动路径和叶片边缘)中的合金的腐蚀防护和侵蚀防护。腐蚀在本文中大体上被用于描述腐蚀、侵蚀以及用于描述由工艺气造成的其它类似的材料退化环境，例如，以避免可发生在酸腐和酸性气体压缩中的硫化物应力开裂，其可适用于叶轮。根据示例性实施例，叶轮200可由单个整体式的基底金属302制成并且具有保护性合金304，保护性合金304由一个或多个接合层制成，其跨过受影响区域附连在叶轮200 上，如图3中所示。根据示例性实施例，如可在图3中看到的那样，与对于整个叶轮只使用保护性合金304的传统叶轮相比，所使用的昂贵的耐腐蚀(和/或耐侵蚀)保护性合金304 的量减少。如图3中所示，其中只有两个不同的材料层基底金属层302和保护性合金层 304。形成叶轮200的构架的基底金属302可通过使用不同的常规工艺制成，例如，冲压、机械加工等等，或者通过粉末金属热等静压工艺制成。保护性合金(其为最后层或外层)可使用粉末金属技术(例如热等静压)而应用，以实现叶轮200所需的最终尺寸。然而，在某些情况下，热膨胀系数在基底金属层302与保护性合金层304之间显著不同，使得由于热膨胀失配和使用期间所产生的潜在应力而出现失效。根据示例性实施例，关于热性质和机械性质带有满足要求的梯度的多个层或一个层可被制造以被添加到叶轮上，用于用在这些腐蚀性环境中。在描述其它示例性实施例之前，现在给出功能梯度材料和示例性制造过程的简要描述。功能梯度材料是其中的结构和组成可在结构厚度上变化的材料。例如，镍超级合金在一端在金属基质中具有5%的组分，并且在另一端在金属基质中具有20%的组分。这可通过在填充模具时逐渐改变粉末金属的组分而实现。这可允许材料性质逐渐改变同时不引起不合需要的性质，例如，过量的热应力或膨胀。在图4中示出了可表示功能梯度材料中材料性质(例如热膨胀系数)的变化的梯度的一个示例，其中，随着厚度增加(如由距基底件的距离所示)，贵合金(例如镍超级合金)的百分比增加，导致热膨胀系数402逐渐持续的变化。虽然曲线402被显示为直线，但是，取决于所添加的贵金属(或其它材料)的性质和百分比，不同的其它曲线也可表现实际变化。根据另一示例性实施例，功能梯度材料可被应用于层中，其中每个层具有不同百分比的被添加的所需材料。在图5中示出了多个层或梯级的一个示例。在该示例中，曲线 502示出了三个不同的层504、506和508，其中的每个层具有距基底件不同的距离。此外， 每个梯级504、506和508在每个层中具有不同的相对恒定百分比的贵合金，使得每个层有不同的材料性质。这种分层允许如所需的那样控制性质(例如热膨胀性)，以及允许最后的或外部的层具有叶轮200应用所需的材料性质(例如耐腐蚀性)。根据示例性实施例，可用作功能梯度材料的材料的示例(即，贵合金)包括不锈钢、镍超级合金、钴超级合金、钛合金、嵌入在钴或镍基质中的碳化钨，或者可导致所需材料性质的其它金属材料。其它材料的示例包括合金625、合金725、带有大约17%的Co的WC、带有大约10%的Co与大约4%的 Cr的大约86%的WC基质以及 6246。根据示例性实施例，功能梯度材料和功能梯度材料的层可使用热等静压(HIP)工艺接合到基底金属上。HIP是在惰性气氛(例如氩气)下在高压密闭容器中在压力以及高温下发生的制造工艺。惰性气体被使用，从而使HIP发生时没有化学反应伴随这些材料发生。HIP造成金属中的孔隙率减小，这可允许改进材料的机械性质。HIP可通常通过使用金属粉末而用来形成和接合构件。当应用HIP到本文所述的示例性实施例时，粉末金属HIP可包括一系列过程，其始于金属粉末并终止为孔隙较少的致密材料。可将钢的预合金化的金属粉末、其它耐腐蚀合金或耐侵蚀合金注入到软钢工具(或壳体和/或嵌件)内，软钢工具被合适地形成以适合构件几何形状并如所需的那样变形。这样的一个示例在图6中示出，其示出了叶轮200、嵌件604和在叶轮200的部分与嵌件604之间的金属粉末602。嵌件604然后在HIP炉中在大体上超过1100°C的温度下在高达1000巴(bar)的压力下被热处理，然而，根据其它示例性实施例，对于其它材料，可使用其它温度和压力组合。金属粉末602在彼此之间扩散(或者金属粉末602在彼此之间扩散并扩散到更密实的基底金属内)，导致强的冶金结合，其中， 工具604中的金属粉末602具有大体上小于其原始孔隙率的的孔隙率。化学蚀刻(例如酸性蚀刻或机械铣削)然后被用来移除工具604。该HIP过程也可通过在两个实心件之间使用金属粉末而用来接合两个实心件，并且随后是HIP工艺。对于该示例性情况，取决于部件的几何形状，可使用单个嵌件或多个嵌件。根据下面所述的示例性实施例，HIP可被用来形成叶轮、叶轮的部分，用来在可暴露于腐蚀性工艺气的叶轮表面上形成抗蚀层，用来将叶轮的构件接合在一起，以及这些选择的各种组合。
根据如图7中所示的使用上面所述的示例性方法和系统的一示例性实施例，叶轮 200可包括盘段202、相对盘段206和叶片段204，其中的每个段由基底金属单独地制成。这些构件可通过传统制造方法制成，或者通过使用HIP利用粉末金属制成。然后可经由热等静压将构件接合在一起，使得也形成保护性合金层304。保护性合金层304可包括中间层和外层。在该情况下，保护层304保护基底材料并且将叶片接合到盘段202和相对盘段204 上。根据如图8中所示的使用上面所述的示例性方法和系统的一示例性实施例，叶轮 200包括盘段202、相对盘段206和叶片段204。相对盘段206和叶片段204是单个整体件， 并且盘段202是单独的单件。这两个段经由热等静压而接合在一起，从而也形成保护性合金层304。保护性合金层304可包括中间层和外层。根据如图9所示的使用上面所述的示例性方法和系统的一示例性实施例，叶轮 200包括盘段202、相对盘段206和叶片段204。盘段202与多个叶片的一部分整体地形成， 并且相对盘段206与多个叶片的另一部分整体地形成。这两个段经由热等静压而接合一起，从而也形成保护性合金层304。保护性合金层304可包括中间层和外层。根据如图10中所示的使用上面所述的示例性方法和系统的一示例性实施例，叶轮200包括盘段202、相对盘段206和叶片段204。叶片段整体地包括一表面，其覆盖盘段的外表面以及相对盘段的内部部分。表面覆盖物和叶片段204由耐腐蚀材料制成，并且经由热等静压而附连到盘段202和相对盘段206上。根据一示例性实施例，如上面所述的那样，保护性合金层304可包括中间层和外层。这样的一个示例在图11中示出，其示出了叶轮200。叶轮200包括盘段202、相对盘段206、中间层1102和外层1104，外层1104包括叶片204。虽然利用两个层使保护性合金层304和叶片204被显示为外层1104的一部分，但是，不同的其它组合也是可以的。例如， 对于本文所述的用于制造叶轮的不同示例性实施例，两个层、三个层或更多的层可用于HIP 工艺中。该两个或更多的层可具有不同的组分，如图4和图5中所示的那样。根据可选示例性实施例，可使用不同的制造技术将一个或多个层应用到嵌件上， 例如喷涂、高速氧燃料(HVOF)热喷、等离子喷涂和硬钎焊，其中第一层具有所需的材料性质，例如耐腐蚀性。其它层可被涂覆到第一层上，其中每个层具有不同的材料组分，从而使最后层经历HIP时与基底金属(该层在HIP工艺期间与该基底金属附连)具有所需的结合强度。该可选示例性实施例允许用来制造用在上面所述的使用工艺气的压缩机中的叶轮的另一方法。此外，当经历HIP时，将发生所需的致密化，S卩，在添加的层中孔隙率减少，以获得对于叶轮而言所需的几何形状。根据示例性实施例，本文所述的示例性系统和方法在使用HIP制造叶轮时可形成所需的工艺能力。基于部件几何形状，这些制造工艺不是限制性的，在将层喷涂到复杂表面 (例如叶片)上时通常是这种情况。此外，通过该示例性HIP工艺，嵌件而不是叶轮200的部分变形，其允许层沉积在叶轮200的最终几何形状中。外部保护性合金层304可如所需的那样基于要被用于压缩机中的预期工艺气而设计。这些示例性系统和方法允许在需要的地方保护部件，与在本文所述环境中使用的传统叶轮相比更低的材料成本、更少的制造准备时间，以及所需的公差控制。虽然HIP被描述为用于上文所述示例性实施例的接合工艺，但是，在某些情况下，可使用其它接合工艺。例如，在某些情况下，其它形式的粉末金属接合(例如烧结硬钎焊、 弧焊、摩擦焊接、扩散结合和扩散硬钎焊)可在单独地形成基底金属件时被用来接合它们。利用根据示例性实施例的上述示例性系统，在图12的流程图中示出了用于制造叶轮的一种方法。用于制造要用在使用腐蚀性工艺气的压缩机中的叶轮的方法包括步骤 1202，通过将第一金属粉末置于第一嵌件与基底金属之间的间隙内而将中间层附连到基底金属上；步骤1204，利用热等静压加工基底金属、第一金属粉末和第一嵌件，从而使中间层结合到基底金属上；步骤1206，移除第一嵌件；步骤1208，通过将第二粉末置于第二嵌件与中间层之间的间隙内而将外层附连到中间层上；步骤1210，经由热等静压加工基底金属、 中间层、第二金属粉末和第二嵌件，从而使外层结合到中间层上；以及，步骤1212，移除第二嵌件以形成叶轮。利用根据示例性实施例的上述示例性系统，在图13的流程图中示出了用于制造叶轮的另一方法。一种用于制造要用在使用腐蚀性工艺气的压缩机中的叶轮的方法包括 步骤1302，将第一层附连到嵌件上；步骤1304，将第二层附连到第一层上，其中第二层的热膨胀系数介于基底金属与第一层的热膨胀系数之间；步骤1306，将嵌件、第一层和第二层的组合附连到基底金属上，从而使第二层与基底金属处于接触；步骤1308，经由热等静压加工该嵌件、第一层、第二层和基底金属，从而使第二层结合到基底金属上；以及，步骤 1310，移除嵌件以形成叶轮。上述示例性实施例预期在所有方面说明本发明，而不是限制本发明。因此，本发明可以在具体实施方式
中有许多变型，其可由本领域技术人员从本文所包含的描述中得出。 例如，本文所述的示例性叶轮可被用于如图1中所示的压缩机(或涡轮机械)或使用叶轮的其它压缩机中。所有这些变型和修改被认为在由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神内。在本申请的描述中所使用的任何元件、行动或指令不应被认作对于本发明是不可缺少或必需的，除非本文清楚地如此描述。而且，如本文所用的冠词“一”意图包括一个或多个项目。本书面描述使用的公开主题的示例以使得本领域技术人员能实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。该主题的专利保护范围由所附权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这样的其它示例意图在所附权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种用于制造用在压缩机中的叶轮的方法，包括通过将第一金属粉末置于第一嵌件与基底金属之间的间隙内而将中间层附连到所述基底金属上；利用热等静压加工所述基底金属、所述第一金属粉末和所述第一嵌件，从而使所述中间层结合到所述基底金属上，所述中间层具有大体上小于百分之一的孔隙率，其中，所述中间层的热膨胀系数介于所述基底金属与外层的热膨胀系数之间；移除所述第一嵌件；通过将第二粉末置于第二嵌件与所述中间层之间的间隙内而将外层附连到所述中间层上；经由热等静压加工所述基底金属、所述中间层、所述第二金属粉末和所述第二嵌件，从而使所述外层结合到所述中间层上，所述外层具有大体上小于百分之一的孔隙率；以及，移除所述第二嵌件以形成所述叶轮，其中，所述外层在所述热等静压之后是耐腐蚀的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中间层和所述外层具有随所述中间层与所述外层距所述基底金属的距离变化而变化的热膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述中间层形成为包括至少两个层，所述两个层中的每个层具有不同的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮包括盘段、相对盘段和多个叶片，所有这些都由所述基底金属的单个整体件形成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮包括盘段、相对盘段和多个叶片，其中的每一项由所述基底金属单独地制成，并且经由热等静压接合在一起，从而使所述中间层和所述外层在它们之间形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮包括盘段、相对盘段和多个叶片，所述相对盘段和所述多个叶片是单个整体件，并且所述盘段是单件，它们经由热等静压接合在一起，从而使所述中间层和所述外层在它们之间形成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮包括盘段、相对盘段和多个叶片，所述盘段与所述多个叶片的一部分整体地形成，并且所述相对盘段与所述多个叶片的另一部分整体地形成，它们经由热等静压接合在一起，从而使所述中间层和所述外层在它们之间形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶轮包括盘段、相对盘段和多个叶片，所述多个叶片包括覆盖所述盘段的外表面以及所述相对盘段的内部部分的表面，其由耐腐蚀材料制成，并且经由热等静压附连到所述盘段和所述相对盘段上。
9.一种用于制造被压缩机使用的叶轮的方法，所述方法包括将第一层附连到嵌件上，其中，所述第一层在热等静压之后是耐腐蚀的；将第二层附连到所述第一层上，其中，所述第二层的热膨胀系数介于基底金属与所述第一层的热膨胀系数之间；将所述嵌件、所述第一层和所述第二层的组合附连到所述基底金属上，从而使所述第二层与所述基底金属处于接触；经由热等静压加工所述嵌件、所述第一层、所述第二层和所述基底金属，从而使所述第二层结合到所述基底金属上，所述第一层和第二层相结合，并且所述第一层和所述第二层都具有大体上小于百分之一的孔隙率；以及， 移除所述嵌件以形成所述叶轮。
10. 一种用于压缩机中的叶轮，所述叶轮包括 盘段，由碳钢制成； 相对盘段，由所述碳钢制成；多个叶片，由所述碳钢制成，与所述盘段和所述相对盘段处于接触； 中间层，被附连到在所述盘段、所述相对盘段和所述多个叶片的工艺气流动路径中的表面上，其中，所述中间层经由热等静压而附连，导致大体上小于百分之一的孔隙率以及介于所述碳钢与外层的导热系数之间的导热系数；以及，外层，其经由热等静压附连到所述中间层上，所述外层在热等静压后具有小于百分之一的孔隙率并且是耐腐蚀的。
全文摘要
本发明涉及带有功能梯度材料的护套叶轮与方法。具体而言，提供了用于用在压缩机中的叶轮的装置与方法。用于制造该叶轮的方法包括通过将第一金属粉末置于第一嵌件与基底金属之间的间隙内而将中间层附连基底金属上；利用热等静压加工基底金属、第一金属粉末和第一嵌件，从而使中间层结合到基底金属上；通过将第二粉末置于第一嵌件与中间层之间的间隙内而将外层附连到中间层上；经由热等静压加工该基底金属、中间层、第二金属粉末和第二嵌件，从而使外层结合到中间层上；以及移除第二嵌件以形成叶轮，其中，外层是耐腐蚀的。
文档编号F04D29/28GK102251984SQ20111014857
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月17日 优先权日2010年5月18日
发明者F·卡普奇尼, F·约泽利, G·马西, M·吉安诺兹 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司