CN103710614A - 具有铌的铸铁和构件 - Google Patents
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Abstract
已知的铸铁合金关于温度具有应用局限性。合金具有（以重量%）：硅（Si）2.0%至4.5%,特别是2.3%至3.9%，碳（C）2.9%至4.0%，特别是3.2%至3.7%，铌（Nb）0.05%至0.7%，特别是0.05%至0.6%，更特别是0.1%至0.7%，钼（Mo）0.3%至1.5%，特别是0.4%至1.0%，更特别是0.5%。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有铌的铸铁和一种构件。
背景技术
已知的和正在使用的铸铁合金（所谓的GJS合金：具有球状石墨的铸铁）主要使用硅和钼用于提高抗蠕变性、抗鳞爆性和低周疲劳性能（LCF-Verhalten）。但是在此这些元素随着时间导致韧性的显著下降。
除此之外，钼显示出极其易于偏析的特性（Steigerungsneigung）。
发明内容
因此本发明的目的在于，提出一种合金和一种构件，所述合金和构件克服之前所提到的缺陷并且在使用时间期间具有更好的机械强度。
所述目的通过根据本发明所述的合金和根据本发明所述的构件来实现。
在下文中列出其它有利的措施，所述措施相互间任意地以优选的方式方法彼此组合。
本发明在于，能够用钴和/或铌部分地代替钼。因此能够克服具有迄今为止的GJS合金的应用局限性。
根据本发明的铁基合金对于在450℃至550℃的温度范围中的应用领域而言具有高的延伸率并且具有下述成分（单位：重量百分比）：
可选的
特别是其余的是铁。
有利的是，硅、钴、铌和钼的含量≤7.5重量%，特别是≤6.5重量%。钴和/或铌和钼的已经较低的含量改善了机械特性值。
铌在始终不变的高的LCF强度（低周疲劳强度）和良好的韧性的情况下改善了抗蠕变性。
铌通过细微分布的铌的碳化物的析出产生更高的高温强度，因此应用局限性向高温移动。
钴导致混晶凝固，所述混晶凝固在高温中和在较低的应力中对合金的特性有有利的影响。
通过将添加合金元素钼（优选0.4%至1.0%）对高温强度（在提高的温度范围中的Rp0.2和Rm）和疲劳性能（抗蠕变性）产生有利的影响。
优选钴在合金中的含量在0.5重量%至1.5重量%之间。对于合金而言，如果钴含量为0.1重量%至1.0重量%，那么分别实现有利的机械值。
通过镁实现球状地构成石墨，并且镁优选以至少0.03重量%存在，最大为0.07重量%。根据使用情况优选铬（Cr）以至少0.01重量%，但是最大0.05重量%存在，所述铬提高了抗氧化性。合金能够具有其它的元素。
如果需要的话在合金中存在下述元素的低的最低掺和（Mindest-Beimengen）：
所述最低掺和对球状石墨的可铸造性和/或对其构成有有利的影响，但是也不允许过高，因为否则的话负面的影响会占优势。
此外优选合金中不存在铬（Cr）。
附图说明
根据下述附图详细阐述本发明的实施例。
其示出：
图1示出蒸汽轮机，
图2示出燃气轮机。
具体实施方式
具有合金的构件显示出具有球状石墨的最佳的铁素体的组织。
表格示例性地示出根据本发明的铁基合金（单位：重量%），所述铁基合金具有改善的机械特性。
| C | Si | Mo | Co | Nb | Mg | Mn | P | S | Sb | |
| 1 | 3.2 | 3.5 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0.04 | 0.2 | 0.03 | 0.005 | 0.0009 |
| 2 | 3.3 | 3.6 | 0.5 | 0 | 0.1 | 0.05 | 0.2 | 0.03 | 0.005 | 0.0003 |
| 3 | 3.7 | 2.7 | 1.0 | 0.9 | 0.4 | 0.05 | 0.2 | 0.03 | 0.005 | 0.0004 |
| 4 | 3.5 | 2.4 | 1.0 | 0 | 0.5 | 0.06 | 0.3 | 0.03 | 0.004 | 0.0002 |
| 5 | 2.3 | 3.9 | 0.5 | 0 | 0.4 | 0.03 | 0.3 | 0.03 | 0.007 | 0.0030 |
| 6 | 3.3 | 3.4 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0.04 | 0.2 | 0.02 | 0.005 | 0.0030 |
| 7 | 3.3 | 3.4 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.04 | 0.2 | 0.02 | 0.005 | 0.0039 |
| 8 | 3.0 | 3.3 | 0.4 | 0 | 0.2 | 0.05 | 0.2 | 0.03 | 0.004 | 0.0014 |
对于主要合金元素而言其它的例子是：
| C | Si | Mo | Nb | Co | |
| 9 | 3.56 | 2.50 | 0.50 | 0.10 | 0.00 |
| 10 | 3.56 | 2.50 | 1.00 | 0.10 | 0.00 |
| 11 | 3.56 | 2.50 | 0.50 | 0.50 | 0.00 |
| 12 | 3.56 | 2.50 | 1.00 | 0.50 | 0.00 |
| 13 | 3.56 | 2.50 | 0.50 | 0.10 | 1.00 |
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优选合金不包含钒（V）和/或钛（Ti）和/或钽（Ta）和/或铜（Cu）。
C和Si的比例应产生近共晶成分，也就是说相应于在4.1%和4.4%之间的碳当量CE
在图1中描述了具有沿着转动轴线306延伸的涡轮轴309的蒸汽轮机300，303。
蒸汽轮机具有高压-部分涡轮300和分别具有内壳体312和围绕这个内壳体的外壳体315的中压-部分涡轮303。高压-部分涡轮300例如设计为罐形。中压-部分涡轮303例如设计为是双流式的。同样可能的是，中压-部分涡轮303设计为是单流式的。
沿着转动轴线306在高压-部分涡轮300和中压-部分涡轮303之间设置有轴承318，其中涡轮轴309在轴承318中具有轴承区域321。涡轮机轴309被支承在高压-部分涡轮300旁的另一个轴承324上。在这个轴承324的区域中，高压-部分涡轮300具有轴密封件345。涡轮轴309相对于中压-部分涡轮303的外壳体315通过另两个轴密封件345密封。在高压-蒸汽入流区域348和蒸汽离开区域351之间，涡轮轴309在高压-部分涡轮300中具有高压-转子叶片组357。这种高压-转子叶片组357通过相关联的未详细描述的转子叶片描述了第一叶片组区域360。
中压-部分涡轮303具有中心的蒸汽入流区域333。与蒸汽入流区域333相关联地，涡轮轴309具有径向对称的轴遮盖件363、盖板，一方面用于将蒸汽流划分成中压-部分涡轮303的两个流，以及另一方面用于防止热的蒸汽直接与涡轮轴309接触。涡轮轴309在中压-部分涡轮303中具有第二叶片组区域366，所述第二叶片组区域具有中压转子叶片354。流经第二叶片组区域366的热的蒸汽从中压-部分涡轮303流出，离开流出接管369流到接在流体地处于下游的未描述的低压-部分涡轮处。
涡轮轴309例如由两个部分涡轮轴309a和309b组成，所述部分涡轮轴在轴承318的区域中彼此牢固地连接。每个分涡轮轴309a、309b具有作为中心孔372a沿着转动轴线306构成的冷却管路372。冷却管路372与蒸汽离开区域351经由具有径向孔375a的入流管路375连接。在中压-部分涡轮303中，冷却介质管路372与未详细描述的在轴遮盖件下方的空腔连接。入流管路375设计为径向孔375a，因此“较冷的”蒸汽能够从高压-部分涡轮300流入中心孔372a中。经由特别地也构成为径向定向的孔375a的流出管路372，蒸汽穿过轴承区域321到达中压-部分涡轮303中并且在该处到达蒸汽入流区域333中的涡轮轴309的外表面330上。流经冷却管路的蒸汽与流入蒸汽入流区域333中的中间过热的蒸汽相比具有明显更低的温度，以至于确保了对中压-部分涡轮303的第一转子叶片排342的有效的冷却以及对这个转子叶片排342的区域中的外表面330的有效的冷却。
图2在纵向的局部剖面中示例性地示出燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有围绕转动轴线102旋转地安装的、具有轴101的转子103，所述转子也被称为涡轮机转子。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、例如环面状的燃烧室110，特别是具有多个共轴地设置的燃烧器107的环形燃烧室、涡轮机108和排气壳体109。
环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通。在该处例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。
每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
导向叶片130在此固定在定子143的内壳体138上，反之，排125的转子叶片120例如借助于涡轮盘133被安放在转子103上。发电机或者做功机械（未示出）耦接于转子103。
在燃气轮机100运行期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部上提供的压缩气体被引至燃烧器107并且在该处与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103，并且该转子驱动耦接在其上的做功机械。
暴露于热工质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了加衬于环形燃烧室110的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，可借助冷却剂来冷却第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片。
同样，构件的基质可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的（SX结构）或仅具有纵向定向的晶粒（DS结构）。例如，铁基、镍基或钴基超合金用作构件的材料，特别是用作涡轮叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这样的超合金。
叶片120、130同样能够具有防腐蚀的涂层（MCrAlX；M是铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）中的至少一种元素，X是活性元素并且代表钇（Y）和/或硅、钪（Sc）和/或至少一种稀土元素或铪）。这样的合金从EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或者EP1306454A1中已知。
在MCrAlX上还可以有隔热层，并且例如由ZrO2,Y2O3-ZrO2组成，也就是说隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积（EB-PVD）的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。
导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部（在这里未示出）和与所述导向叶片根部相对置的导向叶片头部。导向叶片头部朝向转子103并且固定在定子143的固定环140上。
Claims (17)
1.一种铁基合金，具有（单位：重量%）：
可选的
特别是其余的是铁。
2.根据权利要求1所述的合金，
所述合金包含0.05重量%至0.2重量%的铌（Nb），
特别是0.1重量%的铌。
3.根据权利要求1所述的合金，
所述合金包含0.4重量%至0.6重量%的铌（Nb），
特别是0.5重量%的铌。
4.根据权利要求1、2或3的一项或多项所述的合金，
包含0.4重量%至0.6重量%的钴（Co），
特别是0.5重量%的钴（Co）。
5.根据权利要求1、2或3的一项或多项所述的合金，
包含0.9重量%至1.1重量%的钴（Co），
特别是1.0重量%的钴（Co）。
6.根据上述权利要求的一项或多项所述的合金，
所述合金的硅（Si）、钴（Co）、钼（Mo）和铌（Nb）的含量小于6.5重量%，
特别是小于6.0重量%，
更特别是为至少3.5重量%。
7.根据上述权利要求的一项或多项所述的合金，
所述合金的钼（Mo）和铌（Nb）的含量不超过1.5重量%，
特别是为至少0.6重量%。
8.根据上述权利要求1至7的一项或多项所述的合金，
所述合金包含2.0重量%至3.0重量%的硅（Si），
特别是2.3重量%至2.7重量%的硅（Si），
更特别是2.5重量%的硅（Si）。
9.根据上述权利要求1至7的一项或多项所述的合金，
所述合金包含3.0重量%至4.5重量%的硅（Si），
特别是包含3.3重量%至3.5重量%的硅（Si）。
10.根据上述权利要求1至7的一项或多项所述的合金，
所述合金包含3.15重量%至3.40重量%的硅（Si），
特别是包含3.25重量%的硅。
11.根据上述权利要求1至7的一项或多项所述的合金，
所述合金包含3.9重量%至4.1重量%的硅（Si），
特别是包含4.0重量%的硅（Si）。
12.根据上述权利要求的一项或多项所述的合金，
所述合金不包含镍（Ni）和/或不包含铬（Cr）除了可能的污染，和/或不包含钴（Co）。
13.根据上述权利要求的一项或多项所述的合金，
所述合金包含至少0.01重量%的镍（Ni），
特别是包含至少0.05重量%的镍（Ni）。
14.根据上述权利要求的一项或多项所述的合金，
所述合金包含3.2重量%至3.4重量%的碳（C），
特别是包含3.3重量%的碳。
15.根据上述权利要求1至13的一项或多项所述的合金，
所述合金包含3.4重量%至3.7重量%的碳（C），
特别是包含3.55重量%的碳。
16.根据上述权利要求的一项或多项所述的合金，
所述合金对于碳（C）、硅（Si）和磷（P）具有从4.1%到4.4%的碳当量，
17.一种构件，
特别地由根据权利要求1至16的一项或多项所述的合金构成，
所述构件特别是壳体部件，
特别是蒸汽轮机（300，303）的或者燃气轮机（100）的壳体部件。
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