CN101476084B - 高温合金 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁基高温合金，其特征在于以下化学组成(以重量％计)：20Cr，4-8Al，Ta和Mo的至少之一，它们之和为4-8，0-0.2Zr，0.02-0.05B，0.1-0.2Y，0-0.5Si，余量Fe。所述合金可成本有利地制得并且其相对于现有技术的特征在于直至1000℃的温度下的卓越的耐氧化性和良好的机械性能。

Description

高温合金
技术领域
本发明涉及材料技术领域。其涉及一种铁基高温合金(Hochtemperaturlegierung)，所述合金含有约20重量％的Cr和百分之几重量(mehrere Gew.-％)的Al以及少量的其他成分，并且其在不超过1000℃的使用温度下具有好的机械性能和非常好的抗氧化性。
背景技术
一段时间以来，公开了一种铁基ODS(氧化物弥散强化、oxiddispersionsverfestigte)材料，例如铁氧体(ferritisch)的ODS-FeCrAl-合金。由于其在高温下突出的机械性能而优选用于热和机械方面有着最高负荷的构件，例如用于燃气涡轮机叶片。
申请人采用这种材料用于防护热电偶(Thermoelement)的管，例如将其用于带有连续燃烧的燃气涡轮机中以控制温度并且在那里经受极端高温和氧化气氛。
对于已知的铁基的铁氧体ODS-合金而言，表1中描述了标称化学组成(以重量％表示)：
表1：已知的ODS-FeCrAlTi-合金的标称组成
Figure G200810191137401D00011
这种金属材料的使用温度达到至约1350℃。其具有对于陶瓷材料而言更典型的性能特点。
所述材料在很高温度下具有很高的持久强度并且通过形成了Al2O3防护膜还具有突出的高温耐氧化性，以及具有对于硫化作用和蒸汽氧化作用具有很高的抗性。其具有非常突出的取决于方向的性能(
Figure G200810191137401D00012
Eigenschaften)。例如，在管中，横向的蠕变强度只是纵向上的蠕变强度的约50％。
这种ODS-合金的制备以粉末冶金方式采用机械合金化粉末混合物进行，所述粉末混合物以已知的方式，例如通过挤压(Strangpressen)或通过热等静压(heissisostatisches Press)而压实而成。随后，将压坯强烈地塑性变形，主要是通过加热辊进行，并使其经历重结晶退火处理。这种制备方式，还有所述的材料组成都特别意味着，这类合金是非常昂贵的。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的上述缺陷。本发明的任务在于开发一种适于上述用途的材料，且所述材料相比于现有技术中已知的材料PM 2000更为价格有利，但是具有至少是同样良好的抗氧化性。此外，本发明的材料还是能良好热成型的并且相比于例如已知的用于热电偶的合金KANTHAL APM，具有尽可能改善的机械性能。
根据本发明，所述任务可通过使FeCrAl-合金型高温合金具有以下化学组成(以重量％计)而实现：
20Cr，
4-8Al，
来自Ta和Mo的至少一种元素，它们之和为4-8，
0-0.2Zr，
0.02-0.05B，
0.1-0.2Y，
0-0.5Si，
余量的Fe。
所述合金优选含有5至6重量％的Al，特别优选5.5至6重量％的Al。由此在材料表面上形成良好的Al2O3-防护膜，所述膜提高高温耐氧化性。
此外优选的范围是0-8重量％的Mo和0-4重量％的Ta，其中(Mo+Ta)的总和＝4-8重量％，并且其中只有当不存在Ta时，根据独立权利要求1才有例如最大值8％的Mo。特别优选，本发明的材料具有2-4重量％的Mo和/或2-4重量％的Ta。
若(Ta+Mo)含量小于所述值，则耐高温性强烈下降，若所述含量更高，则抗氧化性会不期望地降低并且所述材料还是过于昂贵的。
有益的，还添加0.25重量％、最大0.5重量％的Si，因为由此能进一步加强抗氧化性。
此外，优选在本发明的材料中存在0.2重量％的Zr和0.1重量％的Y。
现已惊奇地发现，不必如现有技术中已知的和上述的合金中的情形那样，添加钛。Ti和Cr起到混晶增强体(Mischkristall-Veffestiger)的作用。Mo在2-8重量％的范围内具有相似的作用，但是比Ti廉价得多。另外，当与Zr一起添加时，就如本发明的优选实施方案中那样，Mo导致更好的抗拉强度和持久强度。
Ta、Zr和B是起到析出-增强体的作用的元素。这些成分与其他组分，特别是Cr和Mo(如果后者存在的话)的协同作用导致良好的强度值，而Al、Y和Zr则提高耐氧化性。Cr积极影响着延展性。
附图说明
附图中描述了本发明的实施例。
附图为：
图1在1100℃/12h下PM 2000和所选择的本发明材料的氧化行为；
图2在1000℃下于空气中经过1000小时的时间，PM 2000和所选择的本发明材料的氧化行为；
图3在室温至1000℃的范围内，PM 2000和Kanthal APM和所选择的本发明材料的抗拉强度；
图4在室温至1000℃的范围内，PM 2000和所选择的本发明材料的屈服点(Streckgrenze)，和
图5在室温至1000℃的范围内，PM 2000和所选择的本发明材料的断裂伸长。
具体实施方案
以下根据实施例和附图更详尽地阐述本发明。
在室温(RT)直至1000℃下测试现有技术中已知的ODS FeCrAl-对比合金PM 2000和Kanthal APM(组成参见表1)，以及在表2中所述的本发明合金的氧化行为以及机械性能。合金成分都以重量％表示：
表2：受试的本发明合金的组成
Figure G200810191137401D00041
本发明的合金通过电弧熔融所述的元素而制得并随后在900-800℃的温度下轧制，然后特别制得拉伸试样。
图1中对于所述合金描述了1100℃下，随时间的且经12个小时的重量变化。本发明的合金2008(特别是具有4％Mo和5.5％Al的)显示出如对比合金PM 2000的大致可比较的氧化行为并且在长的时效时间(Auslagerungszeit)时甚至还要更好(更小的重量变化)，而合金2009(特别是具有4％Mo和8％Al的)在这一方面是最差的并且在这些温度下不能达到PM 2000的值。原因在于相对高的铝含量，8重量％的Al是最大值，最佳的是5至6重量％的Al。
图2中对于所述合金描述了1000℃下空气中，随时间的经历1000个小时的重量变化。图中显示，两种本发明的合金2014和2013，但首先是合金2013，具有明显更好的氧化行为。在于1000℃下在空气中1000个小时时效处理(Auslagerung)之后，两种本发明的合金情况下，重量变化只有相比于已知合金PM2000的重量变化的三分之一(合金2013)至小于二分之一(合金2014)。显然，在相同比例下Mo和Ta的组合会特别好地影响1000℃下的氧化行为。特别是Ta在所述范围内提高了Al的活性并改善了抗氧化性。
图3至5中描述了在从室温至1000℃的温度范围下拉伸试验的结果。
图3中针对所述材料描述了拉伸强度与温度的关系。在室温下，受试材料的值相对靠近。本发明的一些材料(例如合金2007和2013)在室温下比现有技术已知的材料更硬，其他的则与已知的合金PM 2000和Kanthal APM几乎没有差别。
直至约400℃，取决于温度的拉伸强度值都保持近似恒定，然后该值如期地显著下降。在900至1000℃的温度范围内，受试的本发明的合金无例外地具有比Kanthal APM更高的拉伸强度和比PM 2000略微更低的拉伸强度。但是，若将其与1000℃下这些合金的突出的氧化行为(参见图2)相结合，则就是非常良好的性能组合。
图4中描述了屈服点与温度的关系。该趋势大致符合如图3的拉伸强度曲线。
图5中最后描述了断裂伸长率从室温到1000℃范围内与温度的关系。对于PM 2000，在室温至400℃的范围内，断裂伸长率值大致恒定，在600℃则是双倍于室温下的值的最大值，然后该断裂伸长率值随着温度的增加又下降，直至在1000℃下达到室温下数值的约一半。PM 2000在约600℃下的延展性的提高归因于材料的软化。
室温下，本发明合金的断裂伸长率低于PM 2000的值，而从约600℃起，它们毫无例外地更高。这种积极效果归因于材料成分在前述范围内的协同作用。
本发明的材料还可以良好地进行热轧，其具有良好的塑性可成型性。
它们可良好地用作热电偶的防护管，其中后者例如用于带有连续燃烧的燃气涡轮机中以控制温度并且在那里经受氧化气氛。
总之可确定，本发明的合金具有在1000℃下很高的抗氧化性。它们相比于现有技术中已知的合金Kanthal APM具有更好的机械性能。虽然本发明的合金的强度值在高温下比合金PM 2000略低，但是其延展性显著更好。在1000℃下，抗氧化性还为PM 2000的两倍高。因为本发明的合金还比PM 2000更廉价(更廉价的成分，更简便的制备)，所以对于上述应用领域而言它们都是能卓越地适于替代PM 2000的。

Claims (11)

1.铁基高温合金，其特征在于以下化学组成，以重量％计：
20Cr，
4-8Al，
Ta和Mo的至少一种元素，其中(Ta+Mo)之和为4-8，
0-0.2Zr，
0.02-0.05B，
0.1-0.2Y，
0.25或0.5Si，
余量的Fe。
2.如权利要求1所述的高温合金，其特征在于5至6重量％的Al。
3.如权利要求2所述的高温合金，其特征在于5.5至6重量％的Al。
4.如权利要求1至3之一所述的高温合金，其特征在于0至8重量％的Mo和/或0至4重量％的Ta，其中(Mo+Ta)之和均在4至8重量％的范围内。
5.如权利要求4所述的高温合金，其特征在于2重量％的Mo和2重量％的Ta。
6.如权利要求4所述的高温合金，其特征在于4重量％的Mo和/或4重量％的Ta。
7.如权利要求1至6之一所述的高温合金，其特征在于0.2重量％的Zr。
8.如权利要求1至7之一所述的高温合金，其特征在于0.05重量％的B。
9.如权利要求1至8之一所述的高温合金，其特征在于0.1重量％的Y。
10.制备如权利要求1至9之一所述的高温合金的方法，其特征在于，借助于电弧将与所述合金组成对应的元素熔融并随后在900-800℃下轧制。
11.如权利要求1至9之一所述的高温合金用于热电偶防护管的用途。
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