CN101400812A

CN101400812A - 含钴铸铁和构件

Info

Publication number: CN101400812A
Application number: CNA2007800032053A
Authority: CN
Inventors: S·詹森; 盛世伦
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2007-01-03
Publication date: 2009-04-01
Also published as: EP1974068B1; EP1808504A1; WO2007082788A1; US20100178192A1; EP1974068A1

Abstract

已知的铸铁合金在温度方面具有使用局限。通过使用钴调整出最为理想的铁素体结构，从而凭借具有硅2.0－4.5重量％，钴0.5－5重量％，碳2.5－4重量％，钼≤1重量％，锰≤0.25重量％，镍≤0.3重量％，余量的铁的合金——其中，硅、钴和钼的份额为小于7.5重量％，所述使用界限被推移至高温。

Description

含钴铸铁和构件

本发明涉及一种如权利要求1的含钴铸铁和一种如权利要求30的构件。

已知的和应用中的铸铁合金(所谓的GJS球形铸造合金(

))主要使用硅和钼来提高蠕变强度、耐表面氧化性(Zunderfestigkeit)和时间稳定性(Zeitstandfestigkeit)。但是在此随着时间推移所述元素导致显著的韧性降低。

此外，钼表现出非常大的偏析倾向。

因此，本发明的任务在于提供一种合金和一种构件，所述合金和构件克服上面提到的缺点和具有在使用寿命期间更好的机械强度。

本发明的任务通过如权利要求1的合金和如权利要求30的构件来解决。

其它有益的措施列于从属权利要求中，且所述措施以有益的方式和方法任意互相结合。

本发明在于，钴可以部分地或全部地取代钼。由此，可以克服目前GJS合金具有的使用局限。根据本发明的合金针对应用领域，在450℃-550℃的温度范围内具有高延展率和具有如下组成(以重量％计)：

硅 2.0％—4.5％

钴 0.5％—5％

碳 2.0％—4.5％，特别是2.5％—4％，

钼 ≤1.5％，特别是≤1.0％，

锰 ≤0.5％，特别是≤0.25％，

镍 ≤0.5％，特别是≤0.3％，

余量的铁。

视为有益的是，硅、钴和钼的份额≤7.5重量％。

合金中钴的份额优选在0.5重量％到1.5重量％之间。

当钴的含量在0.5重量％，1.0重量％，1.5重量％以及2.0重量％时，对于所述合金均能实现有益的机械值。

所述合金可以具有其他元素。但所述合金优选由铁，硅，钴和碳组成。

当所述合金由铁，硅，钴，碳和锰组成时，也可以获得特别的优点。其他的优点由如下合金产生，即所述合金由铁，硅，钴，碳以及任选的钼、锰和/或镍掺杂物组成。

可能的情况下在合金中会存在不期望的杂质，其最大值为

磷 0.007重量％

硫 0.008重量％

镁 0.049重量％。

此外在所述合金中优选除常规杂质外不含铬(Cr)。

同样在所述合金中优选除常规杂质外不含镁(Mg)。

借助下列附图对本发明的实施例详细说明。

其中示出：

图1 显微照片

图2 机械特征数值

图3 汽轮机

图4 燃气轮机

图1示出几乎理想的带有由具有大约2重量％的钴的合金制成的球墨的铁素体结构(已经腐蚀)：

碳 3.67重量％

硅 2.41重量％

锰 0.029重量％

钴 1.94重量％

铁余量。

图2示出钴对所述合金的机械特性的影响，所述合金在下表中(以重量％表示)说明。

钴	0	0.54	1.04	1.94
钴	0	0.54	1.04	1.94	碳	3.63	3.61	3.68	3.67
硅	2.45	2.44	2.47	2.41	碳	3.63	3.61	3.68	3.67
硅	2.45	2.44	2.47	2.41	锰	0.067	0.036	0.03	0.029
磷	0.007	0.006	0.007	0.007	锰	0.067	0.036	0.03	0.029
磷	0.007	0.006	0.007	0.007	硫	0.009	0.006	0.008	0.008
镁	0.044	0.04	0.05	0.049	硫	0.009	0.006	0.008	0.008

断裂伸长率R_p0.2由271N/mm²升高到284N/mm²

抗拉强度R_m由403N/mm²升高到412N/mm²。

断裂伸长率A5由15.5％升高到21.9％。

同时断面收缩率Z由13.8％升高到29.5％。

低份额的钴(0.5重量％到1.0重量％或1.0重量％到1.5重量％)既已改善了机械特征数值。

在图3中示出具有沿着旋转轴306延伸的涡轮机轴309的汽轮机300，303。

所述汽轮机具有高压分涡轮机300和中压分涡轮机303，上述二者分别具有内壳体312和环绕该内壳体的外壳体315。所述高压分涡轮机300例如实施为罐构造的方式。所述中压分涡轮机303例如实施为双流式(zweiflutig)。同样可以将所述中压分涡轮机303实施为单流式(einflutig)。

沿着旋转轴306，轴承318被设置在高压分涡轮机300和中压分涡轮机303之间，其中涡轮机轴309在轴承318中具有轴承区321。所述涡轮机轴309被放置在挨着所述高压分涡轮机300的另一个轴承324上。所述高压分涡轮机300在所述轴承324的区域内具有轴密封圈345。所述涡轮机轴309通过另外两个轴密封圈345对所述中压分涡轮机303的外壳体315密封。所述高压分涡轮机300中的涡轮机轴309在高压蒸汽流入区域348和蒸汽流出区域351之间具有高压转动叶片357。所述高压转动叶片357与附属的、未详细示出的转子叶片一起构成第一桨叶区域360。

所述中压分涡轮机303具有中心蒸汽流入区域333。从属于所述蒸汽流入区域333地，所述涡轮机轴309具有径向对称的轴遮护件363，即盖板，一方面用来把蒸汽流分为中压分涡轮机303的两股气流以及另一方面用来阻止热的蒸汽与涡轮机轴309的直接接触。所述涡轮机轴309在中压分涡轮机303中具有带有中压转动叶片354的第二桨叶区域366。流过第二桨叶区域366的热蒸汽从中压分涡轮机303流出，由流出套口369流向根据流体技术串联的未被示出的低压分涡轮机。

所述涡轮机轴309例如由两个分涡轮机轴309a和309b组装而成，上述二者在轴承318的区域内相互固定联接。每个分涡轮机轴309a、309b具有被构成为沿着所述旋转轴306的中心孔372a形式的冷却导管372。所述冷却导管372通过具有径向孔375a的流入导管375与蒸汽流出区域351相连接。在中压分涡轮机303中，冷却导管372与在轴遮护件下的一个未详细示出的中空腔相连。所述流入导管375被实施为径向的孔375a的形式，由此，“冷”蒸汽可以由高压分涡轮机300流入中心孔372a中。通过特别是也被构成为径向的孔375a的流出导管372，蒸汽穿过轴承区域321进入中压分涡轮机303并在那里到达蒸汽流入区域333中的涡轮机轴309的罩壳表面330上。所述流过冷却导管的蒸汽具有比起流入蒸汽流入区域333的中间过热蒸汽显著较低的温度，从而保证了在所述转动叶片组342区域中有效冷却中压分涡轮机303的第一转动叶片组342以及有效冷却罩壳表面330。

图4在纵向剖面图中举例示出燃气轮机100。

所述燃气轮机100在内部具有围绕所述旋转轴102旋转放置的带轴101的转子103，所述转子也称为涡轮机转子(

)。

沿着所述转子103之后依次是抽吸壳体104，压缩器105，例如环面的燃烧室110，特别是环形燃烧室，其具有多个共轴设置的燃烧器107，涡轮机108和排气壳体109。

环形燃烧室110与例如环形的热气通道111连通。在那里，例如四个依次相连的涡轮级112构成涡轮机108。

每个涡轮级112例如由两个叶片环构成。在工作介质113的流动方向上，在导向叶片组115的热气通道111内装有由叶片120构成的组125。

在此，所述导向叶片130被固定在定子143的内壳体138上，反之，所述组125的转动叶片120例如借助涡轮机盘133安装在定子103上。

在定子103上连接有发电机或工作机器(未示出)。

当所述燃气轮机100运转时，空气135从压缩器105通过抽吸壳体104被吸入并压缩。将在压缩器105的涡轮机侧端上被供入的压缩空气导入至燃烧器107并在那里与燃料混合。接着所述混合物在燃烧室110中燃烧，形成工作介质113。所述工作介质113从那里沿着热气通道111经过导向叶片130和转动叶片120流出。在转动叶片120处，所述工作介质113释放压力输出动量，从而使得转动叶片120驱动转子103和与所述转子103驱动其连接的工作机器。

当所述燃气轮机100运转时，经受热工作介质113的构件处于热应力下。除了外加衬环形燃烧室110的隔热件之外，沿着工作介质113的流动方向看去的第一涡轮级112的导向叶片130和转动叶片120是承受最大的热应力。

为了承受那里主导的温度，可以借助冷却剂将其冷却。

同样，所述构件的基材可以具有取向结构，也就是说，是单晶的(SX-结构)或者只具有纵向取向的粒子(

)(DS-结构)。

作为所述构件的材料，特别是用于涡轮叶片120，130和燃烧室110的材料，使用例如基于铁、镍或者钴的超级合金。

这样的超级合金公开于例如EP 1 204 776 B1，EP 1306 454，EP1 319 729 A1，WO 99/67435或WO 00/44949中；上述文件所涉及合金的化学组成方面的内容是本说明公开内容的一部分。

同样，所述叶片120，130可以具有抗腐蚀涂层(MCrAlX；M为下组中至少一种元素，即铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，X为活泼元素并表示钇(Y)和/或硅，钪(Sc)和/或至少一种稀土元素或铪)。这样的合金公开于例如EP0486489B1，EP0786017 B1，EP 0 412 397 B1或EP1 306 454 A1，上述文件所涉及的化学组成方面的内容也应是本说明公开内容的一部分。

在所述MCrAlX上还可以存在阻热层，并且由例如ZrO₂，Y₂O₃-ZrO₂组成，也就是说，所述阻热层是未稳定化的，或者部分或完全地通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁来稳定的。

通过适当的镀层方法，例如电子束蒸发法(EB-PVD)，在阻热层中产生棒状的粒子。

所述导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳138的导向叶片根(此处未示出)和相对于所述导向叶片根的导向叶片头。所述导向叶片头朝向转子103并固定在定子143的固定环140上。

Claims

1.合金，含有(以重量％计)：

硅 2.0％—4.5％

钴 0.5％—5％

碳 2.0％—4.5％，特别是2.5％—4％，

钼 ≤1.5％，特别是≤1.0％，

锰 ≤0.5％，特别是≤0.25％，

镍 ≤0.5％，特别是≤0.3％，

余量的铁。

2.根据权利要求1所述的合金，其中硅、钴和钼的份额小于7.5重量％。

3.根据权利要求1或2的合金，含有0.5重量％到2.0重量％的钴。

4.根据权利要求1或2所述的合金，含有0.5重量％到1.5重量％的钴。

5.根据权利要求1或2所述的合金，含有0.5重量％到1.0重量％的钴。

6.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.0重量％到2.0重量％的钴。

7.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.0重量％到1.5重量％的钴。

8.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.5重量％到2.0重量％的钴。

9.根据权利要求1或2的合金，含有0.5重量％的钴。

10.根据权利要求1或2所述的合金，含有1重量％的钴。

11.根据权利要求1或2所述的合金，含有1.5重量％的钴。

12.根据权利要求1或2所述的合金，含有2.0重量％的钴。

13.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金含有钼。

14.根据前述权利要求1到12中一项或多项所述的合金，所述合金不含钼。

15.根据前述权利要求的一项或多项所述的合金，所述合金含有锰。

16.根据权利要求15所述的合金，所述合金的锰含量≤0.07重量％。

17.根据权利要求15所述的合金，所述合金的锰含量≤0.03重量％。

18.根据前述权利要求1到14一项或多项所述的合金，所述合金不含锰。

19.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金含有镍。

20.根据前述权利要求1到18一项或多项所述的合金，所述合金不含镍。

21.根据前述权利要求中一项或多项所述的合金，所述合金含有2.0重量％-3.0重量％硅。

22.根据权利要求21所述的合金，所述合金含有2.5重量％的硅。

23.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金含有3.5重量％-4.0重量％的碳，特别是3.7重量％的碳。

24.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金含有最大为0.007重量％的磷。

25.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金含有最大为0.008重量％的硫(S)。

26.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金含有最大为0.05重量％的镁。

27.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金不含铬(Cr)。

28.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，所述合金不含镁(Mg)。

29.根据前述权利要求中的一项或多项所述的合金，由铁、硅、钴和碳组成。

30.根据前述权利要求1到28中的一项或多项所述的合金，由铁、硅、钴、碳和锰组成。

31.根据前述权利要求1到28中的一项或多项所述的合金，由铁、硅、钴、碳和任选的锰、钼和/或镍组成。

32.构件，由根据权利要求1到31中的一项或多项的合金组成。

33.根据权利要求32的合金，所述构件为壳体部件。

34.根据权利要求32或33的构件，所述构件为蒸汽轮机(300，303)或燃气轮机(100)的构件。

35.根据权利要求32、33或34的构件，所述构件具有基于铁或钢的基材。