CN102428197B

CN102428197B - 铁素体马氏体铁基合金，部件和方法

Info

Publication number: CN102428197B
Application number: CN2009801593641A
Authority: CN
Inventors: 托尔斯滕-乌尔夫·克恩; 卡斯滕·科尔克; 托尔斯滕·鲁道夫
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: WO2010133244A1; US20120070329A1; CN102428197A; EP2432905A1; EP2432905B1

Abstract

本发明涉及使用温度从500℃升至550℃的新型铁素体马氏体合金，在此过程中强度保持不变或者甚至最大化，且特别是在低温下的韧性相对于公知的铁基合金保持不变。

Description

铁素体马氏体铁基合金,部件和方法

本发明涉及铁素体-马氏体合金，部件和方法。

铁基合金与镍基-超级合金相比是廉价的合金，但强度和韧性与镍基-超级合金相比则较低。

其中使用钨的EP 1 466 993 B1是公知的。

本发明的目的因此是提出一种合金，通过所述合金可以提高使用温度，同时使强度最大化并特别是在低温下保持韧性不变。

本发明的目的通过根据权利要求1的合金，根据权利要求32的部件和根据权利要求33的方法来实现。

在从属权利要求中列出了其它有利的措施，它们可以任意互相组合来实现其它优点。

附图中：

图1、2、3示出实施例，

图4示出汽轮机。

附图和说明书只代表本发明的示例性实施例。

铁基合金构成的现有技术从使用钨的EP 0 867 523中公知。

新型铁素体-马氏体合金优选放弃了钨(W)的添加，但是除了作为常规的杂质，其明显低于0.1重量％，特别是低于0.01重量％。

图1至3中的表格示出本发明的几个实施例。

铁基的合金包含下列列表中的元素(以重量％计)，非排他性的：

碳(C)：0.13至0.22，

铬(Cr)：9.0至9,8，

钼(Mo)：1.0至2.0，特别是1.4至1.6，

镍(Ni)：0.3至0.8，特别是0.3至0.7

钒(V)：0.25至0.35，特别是0.25至0.3，

铝(Al)：0.005至0.01，

铌(Nb)：0.04至0.06，

硼(B)：20ppm至70ppm，特别是35ppm至55ppm，

氮(N)：150ppm至500ppm，

钴(Co)：0至1.5，特别是至1.3，

锰(Mn)：0至0.15，

硅(Si)：0至0.1，

磷(P)：0至0.005，

硫(S)：0至0.003，

砷(As)：最多0.015，

锡(Sn)：最多0.015，

锑(Sb)：最多0.015，

铜(Cu)：最多0.1，

铁(Fe)。

所述合金优选由这些元素组成。

硼含量在高温下产生非常好的长期稳定性。在此利用所需的氮含量优化所述硼含量，避免形成硼氮化物。由此实现强度和韧性的良好平衡。

通过结合到铬基的M23C6-碳化物中硼稳定了显微组织并降低了M23C6-碳化物的生长，由此实现了高的显微组织稳定性和由此的蠕变断裂强度。

已经确定，为了实现具有良好长期韧性的高长期稳定性不能使用钨。韧性的变化不取决于温度和时间。

优选不加入钨，因为钨起到固溶硬化剂的作用，长期而言钨作为Laves-相沉淀，随后较其他粒子更快粗化，因此不再参与到显微组织的粒子稳定化中。另外，在＜550℃的温度时钨可能使得长期韧性劣化。

镍含量产生了良好的可锻性。

通过降低显微组织中的扩散系数而改善了蠕变断裂强度，并由此降低了镍的含量。通过添加碳(C)和钴(Co)平衡了实现淬透(Durchvergütbarkeit)的经改变的能力。

由于与用于实现具有高韧性的马氏体结构的其他元素的平衡，使得碳(C)的含量降低。碳含量的降低使得可以实现在冷却至室温时奥氏体的完全转变(无残余的奥氏体)，结果实现了高的显微组织均匀性、良好的马氏体板条(Martensitlatten)结构、高韧性、精细的M23C6的碳化物形成，由此实现良好的蠕变断裂强度。为了形成M23C6需要碳。使用的碳含量有利地＞0.13重量％。

氮形成MX-粒子(VN，VCC，N)Nb(C，N)，用于基于(V，Nb)N的马氏体显微组织的粒子硬化，由此增大蠕变断裂强度(MX代表VN，V(C，N)Nb(C，N)形式的沉淀)。使用的氮含量有利地＞150ppm。

由于改善的长期韧性硅和Laves-相沉淀的成核作用的减少(见下面的钨)，使得硅的含量降低。

由于Acl-温度升高对蠕变断裂强度增加的积极影响，使得锰的含量降低，由此可以实现更高的使用温度，而不影响显微组织或铁素体/马氏体-奥氏体的显微组织转变：

-Acl是铁素体向奥氏体的转变温度：

-在时间/温度转变图解中，“Acl”是材料加热时的第一转变点。这标志着α-γ-转变的开始(开始形成奥氏体)。

降低磷、硫、铜的份额，从而改善显微组织的初始韧性和确保高的长期韧性。

优选不使用钛，否则将与氮结合成为TiN，并由此造成缺少蠕变断裂强度必需的(V，Nb)N形式的MX粒子。

通过所述合金提高了部件的使用温度，其中韧性/延展性在较低温下得以保持。

所要求的最低含量分别优选为，0.1重量％的钴(Co)，0.01重量％的硅(Si)，0.001重量％的磷(P)，0.05重量％的锰(Mn)，0.01重量％的铜(Cu)；这明显高于所述元素的检测限及其杂质度。

图2中示出了汽轮机300、303，它们具有沿着旋转轴306延伸的涡轮轴309。

汽轮机具有高压分涡轮机300和中压分涡轮机303，它们分别具有内壳312和包围它的外壳315。高压分涡轮机300例如被设计成罐式构造型式。中压分涡轮机303例如被设计成双流结构。也可以将中压分涡轮机303设计成单流结构。

沿着旋转轴306，在高压分涡轮机300和中压分涡轮机303之间布置有轴承318，其中涡轮轴309在轴承318中具有轴承区域321。涡轮轴309被安装在与高压分涡轮机300相邻的另一轴承324上。在该轴承324的区域内，高压分涡轮机300具有轴密封345。通过两个其它的轴密封345将涡轮轴309相对于中压分涡轮机303的外壳315密封。在高压蒸汽流入区域348和蒸汽出口区域351之间，在高压分涡轮机300中涡轮轴309具有高压动叶片357。这种高压动叶片357与相关的动叶片(未详细示出)一起构成第一叶片区域360。

中压分涡轮机303具有中心蒸汽流入区域333。分配到蒸汽流入区域333，涡轮轴309具有径向对称的轴屏蔽363，盖板，一方面将蒸汽流分配到中压分涡轮机303的双流中，另一方面抑制热蒸汽与涡轮轴309的直接接触。在中压分涡轮机303中，涡轮轴309包含具有中压动叶片354的第二叶片区域366。通过第二叶片区域366的热蒸汽从中压分涡轮机303的流出连接件369流到布置在流动方向下游的未详细描述的低压分涡轮机。

涡轮轴309例如由两个分涡轮轴309a和309b共同构成，它们在轴承318区域内牢固地互相连接。每个分涡轮轴309a、309b具有沿着旋转轴306形成为中心孔372a的冷却管线372。冷却管线372经由具有放射状孔375a的流入管线375接连至蒸汽出口区域351。中压分涡轮机303中，冷却剂管线372与未详细描述的空腔在轴屏蔽下连接。流入管线375被设计成放射状孔375a，由此可以使“冷”蒸汽从高压分涡轮机300流入中心孔372a。经由特别也设计为放射状孔375a的流出管372，蒸汽通过轴承区域321到达中压分涡轮机303，然后到达蒸汽流入区域333中涡轮轴309的侧表面330。流过冷却管线的蒸汽具有比蒸汽流入区域333中流入的过热蒸汽显著更低的温度，从而有效地保证中压分涡轮机303中的第一动叶片序列342的冷却，以及动叶片序列342区域中侧表面330的冷却。

Claims

1.一种铁基合金，包含（以重量%计）

碳（C）：0.13至0.22，

铬（Cr）：9.0至9.8，

钼（Mo）:1.0至2.0，

镍（Ni）：0.3至0.8，

钒（V）：0.25至0.35，

铝（Al）：0.005至0.01，

铌（Nb）：0.04至0.06，

硼（B）：20ppm至70ppm，

氮（N）：150ppm至500ppm，

钴（Co）：0.8至1.5，

锰（Mn）：0至0.15，

硅（Si）：0至0.1，

磷（P）：0至0.005，

硫（S）：0至0.003，

砷（As）：最多0.015，

锡（Sn）：最多0.015，

锑（Sb）：最多0.015，

铜（Cu）：最多0.1，

铁（Fe）。

2.根据权利要求1的合金，其包含最多0.18重量%的碳（C）。

3.根据权利要求1的合金，其包含最多0.15重量%的碳（C）。

4.根据权利要求1的合金，其包含至少0.18重量%的碳（C）。

5.根据权利要求1的合金，其包含至少0.15重量%的碳（C）。

6.根据权利要求2的合金，其包含至少0.15重量%的碳（C）。

7.根据权利要求1的合金，其包含1.4至1.6重量%的钼（Mo）。

8.根据权利要求1的合金，其包含0.3至0.7重量%的镍（Ni）。

9.根据权利要求1的合金，其包含0.25至0.3重量%的钒（V）。

10.根据权利要求1的合金，其包含35ppm至55ppm的硼（B）。

11.根据权利要求1的合金，其包含最多350ppm的氮（N）。

12.根据权利要求1的合金，其包含至少0.05重量%的锰（Mn）。

13.根据权利要求1的合金，其包含至少0.01重量%的硅（Si）。

14.根据权利要求1的合金，其包含至少0.001重量%的硫（S）。

15.根据权利要求1的合金，其包含至少0.01重量%的铜（Cu）。

16.根据权利要求1的合金，其包含至少0.05重量%的铜（Cu）。

17.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含至少9.3重量%的铬（Cr）。

18.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含最多9.4重量%的铬（Cr）。

19.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含至少0.5重量%的镍（Ni）。

20.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含最多0.4重量%的镍（Ni）。

21.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含至少350ppm的氮（N）。

22.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含最多300ppm的氮（N）。

23.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含至少0.9重量%的钴（Co）。

24.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含最多1.3重量%的钴（Co）。

25.根据权利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含锰（Mn）。

26.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含锰。

27.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含硅（Si）。

28.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含硅。

29.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含磷（P）。

30.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含至少0.001重量%的磷（P）。

31.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含磷（P）。

32.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含硫（S）。

33.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含硫。

34.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含钨（W）。

35.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含小于0.1重量%的钨（W）。

36.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含小于0.01重量%的钨（W）。

37.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含钛（Ti）。

38.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其包含铜（Cu）。

39.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含铜。

40.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含锆（Zr）。

41.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其不包含铪（Hf）。

42.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其由下列元素组成：铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钒(V)、铝(Al)、铌(Nb)、硼(B)、氮(N)和任选钴(Co)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、砷(As)、锡(Sn)、锑(Sb)和/或铜(Cu)。

43.根据前述权利要求1至6中任一项的合金，其由下列元素组成：铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钒(V)、铝(Al)、铌(Nb)、硼(B)、氮(N)、钴(Co)和任选硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、砷(As)、锡(Sn)、锑(Sb)和/或铜(Cu)。

44.由根据权利要求1至43中任一项的合金制成的部件。

45.一种通过铸造法来生产部件的方法，其中铸造根据权利要求1至43中任一项的合金。