专利名称：铁素体马氏体铁基合金，部件和方法
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 Bl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ο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
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⑶: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，
娃(Si)0 至 0. 1，
磷⑵0 至 0. 005，
硫⑶0 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°C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(DurchvergUtbarkeit)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勻性、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⑶乂代表乂队乂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-Y-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3M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37 的冷却管线372。冷却管线372经由具有放射状孔37 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37 ，由此可以使“冷”蒸汽从高压分涡轮机300流入中心孔 37加。经由特别也设计为放射状孔37 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。
权利要求
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，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)。
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或2的合金，其包含至少0.15重量％的碳(C)。
6.根据权利要求1、2、3、4或5的合金，其包含至少9.3重量％的铬(Cr)。
7.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)。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7的合金，其包含至少0.5重量％的镍(Ni)。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7的合金，其包含最多0.4重量％的镍(Ni)。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的合金，其包含至少350ppm的氮(N)。
11.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的合金，其包含最多300ppm的氮(N)。
12.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的合金，其包含钴(Co)，特别是至少 0. 1重量％，更特别是至少0. 8重量％的钴(Co)。
13.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的合金，其包含特别是至少0.9重量％ 的钴(Co)。
14.根据权利要求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％ 的钴(Co)。
15.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或11的合金，其不包含钴(Co)。
16.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14 或 15 的合金，其包含锰(Mn)， 特别是至少0. 05重量％的锰(Mn)。
17.根据前述权利要求1至15中一项或更多项的合金，其不包含锰。
18.根据前述权利要求1至17中一项或更多项的合金，其包含硅(Si)，特别是至少 0.01重量％的硅(Si)。
19.根据前述权利要求1至17中一项或更多项的合金，其不包含硅。
20.根据前述权利要求1至19中一项或更多项的合金，其包含磷(P)，特别是至少 0. 001重量％的磷(P)0
21.根据前述权利要求1至19中一项或更多项的合金，其不包含磷(P)。
22.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其包含硫(S)，特别是至少0.001重量％的硫(S)0
23.根据前述权利要求1至21中一项或更多项的合金，其不包含硫。
24.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其不包含钨(W)，特别是小于0.1重量％，尤其是0.01重量％的钨(W)。
25.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其不包含钛(Ti)。
26.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其包含铜(Cu)，特别是至少0.01重量％，尤其是至少0. 05重量％的铜(Cu)。
27.根据前述权利要求1至25中一项或更多项的合金，其不包含铜。
28.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其不包含锆(Zr)。
29.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其不包含铪(Hf)。
30.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其由下列元素组成铁0 )、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)。
31.根据前述权利要求中一项或更多项的合金，其由下列元素组成铁0 )、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)。
32.由根据权利要求1至31中一项或更多项的合金制成的部件。
33.一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31中一项或更多项的合金。
全文摘要
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。
文档编号C22C38/30GK102428197SQ200980159364
公开日2012年4月25日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者卡斯滕·科尔克, 托尔斯滕·鲁道夫, 托尔斯滕-乌尔夫·克恩 申请人:西门子公司