專利名稱：鐵素體馬氏體鐵基合金，部件和方法
鐵素體馬氏體鐵基合金，部件和方法本發明涉及鐵素體-馬氏體合金，部件和方法。鐵基合金與鎳基-超級合金相比是廉價的合金，但強度和韌性與鎳基-超級合金相比則較低。其中使用鎢的EP 1 466 993 Bl是公知的。本發明的目的因此是提出一種合金，通過所述合金可以提高使用溫度，同時使強度最大化并特別是在低溫下保持韌性不變。本發明的目的通過根據權利要求1的合金，根據權利要求32的部件和根據權利要求33的方法來實現。在從屬權利要求中列出了其它有利的措施，它們可以任意互相組合來實現其它優
點ο附圖中
圖1、2、3示出實施例，圖4示出汽輪機。附圖和說明書只代表本發明的示例性實施例。鐵基合金構成的現有技術從使用鎢的EP 0 867 523中公知。新型鐵素體-馬氏體合金優選放棄了鎢(W)的添加，但是除了作為常規的雜質，其明顯低于0. 1重量％，特別是低于0.01重量％。圖1至3中的表格示出本發明的幾個實施例。
鐵基的合金包含下列列表中的元素(以重量％計
碳(C)0. 13 至 0. 22，
鉻(Cr):9. 0 至 9，8，
鉬(Mo):1. 0至2. 0，特別是1. 4至1. 6，
鎳(Ni):0. 3至0.8，特別是0.3至0.7
釩(V)0. 25 至 0. 35，特別是 0. 25 至 0. 3，
鋁(Al)0. 005 至 0. 01，
鈮(Nb)0. 04 至 0. 06，
硼⑶:20ppm 至 70ppm，特別是 35ppm 至 55ppm，
氮(N)150ppm 至 500ppm,
鈷(Co):0至1.5，特別是至1.3，
錳(Mn)0 至 0. 15，
娃(Si)0 至 0. 1，
磷⑵0 至 0. 005，
硫⑶0 至 0. 003，
砷(As)最多 0. 015，
錫(Sn)最多 0. 015，
銻(Sb)最多 0. 015，
銅(Cu):最多0.1，鐵(Fe)。所述合金優選由這些元素組成。硼含量在高溫下產生非常好的長期穩定性。在此利用所需的氮含量優化所述硼含量，避免形成硼氮化物。由此實現強度和韌性的良好平衡。通過結合到鉻基的M23C6-碳化物中硼穩定了顯微組織并降低了 M23C6-碳化物的生長，由此實現了高的顯微組織穩定性和由此的蠕變斷裂強度。已經確定，為了實現具有良好長期韌性的高長期穩定性不能使用鎢。韌性的變化不取決于溫度和時間。優選不加入鎢，因為鎢起到固溶硬化劑的作用，長期而言鎢作為Laves-相沉淀， 隨后較其他粒子更快粗化，因此不再參與到顯微組織的粒子穩定化中。另外，在< 550°C的溫度時鎢可能使得長期韌性劣化。鎳含量產生了良好的可鍛性。通過降低顯微組織中的擴散系數而改善了蠕變斷裂強度，并由此降低了鎳的含量。通過添加碳(C)和鈷(Co)平衡了實現淬透(DurchvergUtbarkeit)的經改變的能力。由于與用于實現具有高韌性的馬氏體結構的其他元素的平衡，使得碳(C)的含量降低。碳含量的降低使得可以實現在冷卻至室溫時奧氏體的完全轉變(無殘余的奧氏體)， 結果實現了高的顯微組織均勻性、良好的馬氏體板條(Martensitlatten)結構、高韌性、精細的M23C6的碳化物形成，由此實現良好的蠕變斷裂強度。為了形成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的馬氏體顯微組織的粒子硬化，由此增大蠕變斷裂強度⑶乂代表乂隊乂⑴，沁他⑴，沁形式的沉淀)。使用的氮含量有利地> 150ppm。由于改善的長期韌性硅和Laves-相沉淀的成核作用的減少(見下面的鎢)，使得硅的含量降低。由于Acl-溫度升高對蠕變斷裂強度增加的積極影響，使得錳的含量降低，由此可以實現更高的使用溫度，而不影響顯微組織或鐵素體/馬氏體-奧氏體的顯微組織轉變-Acl是鐵素體向奧氏體的轉變溫度-在時間/溫度轉變圖解中，“Acl”是材料加熱時的第一轉變點。這標志著 α-Y-轉變的開始(開始形成奧氏體)。降低磷、硫、銅的份額，從而改善顯微組織的初始韌性和確保高的長期韌性。優選不使用鈦，否則將與氮結合成為TiN，并由此造成缺少蠕變斷裂強度必需的 (V，Nb) N形式的MX粒子。通過所述合金提高了部件的使用溫度，其中韌性/延展性在較低溫下得以保持。所要求的最低含量分別優選為，0. 1重量％的鈷(Co)，0.01重量％的硅(Si)， 0.001重量％的磷(P)，0.05重量％的錳(Mn)，0.01重量％的銅(Cu)；這明顯高于所述元素的檢測限及其雜質度。圖2中示出了汽輪機300、303，它們具有沿著旋轉軸306延伸的渦輪軸309。汽輪機具有高壓分渦輪機300和中壓分渦輪機303，它們分別具有內殼312和包圍它的外殼315。高壓分渦輪機300例如被設計成罐式構造型式。中壓分渦輪機303例如被設計成雙流結構。也可以將中壓分渦輪機303設計成單流結構。沿著旋轉軸306，在高壓分渦輪機300和中壓分渦輪機303之間布置有軸承318， 其中渦輪軸309在軸承318中具有軸承區域321。渦輪軸309被安裝在與高壓分渦輪機300 相鄰的另一軸承3M上。在該軸承324的區域內，高壓分渦輪機300具有軸密封345。通過兩個其它的軸密封345將渦輪軸309相對于中壓分渦輪機303的外殼315密封。在高壓蒸汽流入區域348和蒸汽出口區域351之間，在高壓分渦輪機300中渦輪軸309具有高壓動葉片357。這種高壓動葉片357與相關的動葉片(未詳細示出)一起構成第一葉片區域 360。中壓分渦輪機303具有中心蒸汽流入區域333。分配到蒸汽流入區域333，渦輪軸 309具有徑向對稱的軸屏蔽363，蓋板，一方面將蒸汽流分配到中壓分渦輪機303的雙流中， 另一方面抑制熱蒸汽與渦輪軸309的直接接觸。在中壓分渦輪機303中，渦輪軸309包含具有中壓動葉片354的第二葉片區域366。通過第二葉片區域366的熱蒸汽從中壓分渦輪機303的流出連接件369流到布置在流動方向下游的未詳細描述的低壓分渦輪機。渦輪軸309例如由兩個分渦輪軸309a和309b共同構成，它們在軸承318區域內牢固地互相連接。每個分渦輪軸309a、309b具有沿著旋轉軸306形成為中心孔37 的冷卻管線372。冷卻管線372經由具有放射狀孔37 的流入管線375接連至蒸汽出口區域 351。中壓分渦輪機303中，冷卻劑管線372與未詳細描述的空腔在軸屏蔽下連接。流入管線375被設計成放射狀孔37 ，由此可以使“冷”蒸汽從高壓分渦輪機300流入中心孔 37加。經由特別也設計為放射狀孔37 的流出管372，蒸汽通過軸承區域321到達中壓分渦輪機303，然后到達蒸汽流入區域333中渦輪軸309的側表面330。流過冷卻管線的蒸汽具有比蒸汽流入區域333中流入的過熱蒸汽顯著更低的溫度，從而有效地保證中壓分渦輪機303中的第一動葉片序列342的冷卻，以及動葉片序列342區域中側表面330的冷卻。
權利要求
1.一種鐵基合金，包含(以重量％計) 碳(C) 0. 13 至 0. 22，鉻(Cr) 9. 0 至 9. 8， 鉬(Mo) :1.0 至 2.0，特別是 1.4 至 1.6， 鎳(Ni) 0. 3至0. 8，特別是0. 3至0. 7 釩(V) 0. 25 至 0. 35，特別是 0. 25 至 0. 3， 鋁(Al) 0. 005 至 0. 01， 鈮(Nb) :0· 04 至 0. 06，硼(B) :20ppm 至 70ppm，特別是:35ppm 至 55ppm， 氮(N) :150ppm 至 500ppm， 鈷(Co) :0至1.5，特別是至1.3， 錳(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， 錫(Sn)最多 0.015， 銻(Sb)最多 0. 015， 銅(Cu)最多0. 1， 鐵(Fe)。
2.根據權利要求1的合金，其包含最多0.18重量％的碳(C)。
3.根據權利要求1的合金，其包含最多0.15重量％的碳(C)。
4.根據權利要求1的合金，其包含至少0.18重量％的碳(C)。
5.根據權利要求1或2的合金，其包含至少0.15重量％的碳(C)。
6.根據權利要求1、2、3、4或5的合金，其包含至少9.3重量％的鉻(Cr)。
7.根據權利要求1、2、3、4、5或6的合金，其包含最多9.4重量％的鉻(Cr)。
8.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7的合金，其包含至少0.5重量％的鎳(Ni)。
9.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7的合金，其包含最多0.4重量％的鎳(Ni)。
10.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的合金，其包含至少350ppm的氮(N)。
11.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的合金，其包含最多300ppm的氮(N)。
12.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的合金，其包含鈷(Co)，特別是至少 0. 1重量％，更特別是至少0. 8重量％的鈷(Co)。
13.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的合金，其包含特別是至少0.9重量％ 的鈷(Co)。
14.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13的合金，其包含最多1.3重量％ 的鈷(Co)。
15.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的合金，其不包含鈷(Co)。
16.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14 或 15 的合金，其包含錳(Mn)， 特別是至少0. 05重量％的錳(Mn)。
17.根據前述權利要求1至15中一項或更多項的合金，其不包含錳。
18.根據前述權利要求1至17中一項或更多項的合金，其包含硅(Si)，特別是至少 0.01重量％的硅(Si)。
19.根據前述權利要求1至17中一項或更多項的合金，其不包含硅。
20.根據前述權利要求1至19中一項或更多項的合金，其包含磷(P)，特別是至少 0. 001重量％的磷(P)0
21.根據前述權利要求1至19中一項或更多項的合金，其不包含磷(P)。
22.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其包含硫(S)，特別是至少0.001重量％的硫(S)0
23.根據前述權利要求1至21中一項或更多項的合金，其不包含硫。
24.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其不包含鎢(W)，特別是小于0.1重量％，尤其是0.01重量％的鎢(W)。
25.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其不包含鈦(Ti)。
26.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其包含銅(Cu)，特別是至少0.01重量％，尤其是至少0. 05重量％的銅(Cu)。
27.根據前述權利要求1至25中一項或更多項的合金，其不包含銅。
28.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其不包含鋯(Zr)。
29.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其不包含鉿(Hf)。
30.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其由下列元素組成鐵0 )、碳(C)、鉻 (Cr)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、釩(V)、鋁(Al)、鈮(Nb)、硼(B)、氮(N)和任選鈷(Co)、硅(Si)、錳 (Mn)、磷(P)、硫(S)、砷(As)、錫(Sn)、銻(Sb)和 / 或銅(Cu)。
31.根據前述權利要求中一項或更多項的合金，其由下列元素組成鐵0 )、碳(C)、鉻 (Cr)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、釩(V)、鋁(Al)、鈮(Nb)、硼(B)、氮(N)、鈷(Co)和任選硅(Si)、錳 (Mn)、磷(P)、硫(S)、砷(As)、錫(Sn)、銻(Sb)和 / 或銅(Cu)。
32.由根據權利要求1至31中一項或更多項的合金制成的部件。
33.一種通過鑄造法來生產部件的方法，其中鑄造根據權利要求1至31中一項或更多項的合金。
全文摘要
本發明涉及使用溫度從500℃升至550℃的新型鐵素體馬氏體合金，在此過程中強度保持不變或者甚至最大化，且特別是在低溫下的韌性相對于公知的鐵基合金保持不變。
文檔編號C22C38/30GK102428197SQ200980159364
公開日2012年4月25日 申請日期2009年5月22日 優先權日2009年5月22日
發明者卡斯滕·科爾克, 托爾斯滕·魯道夫, 托爾斯滕-烏爾夫·克恩 申請人:西門子公司