CN110520551A - 具有增强的高温抗氧化性的镍和铬基铁合金 - Google Patents

具有增强的高温抗氧化性的镍和铬基铁合金 Download PDF

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Abstract

富含镍和铬的高耐热奥氏体铁基合金。该合金表现出改进的细树枝状碳化物结构，并且能够承受重复的热伸长和应变，这对于暴露于废气流的废气涡轮增压器部件例如涡轮机壳体是特别重要的。该合金还确保了非常好的热‑机械疲劳(TMF)加载性能。显著降低了部件的热开裂问题。合金受镍、铌、铈、钒元素关系的影响。本发明进一步涉及一种用于防止裂纹形成并且用于使涡轮增压器涡轮机壳体中的氧化最小化的方法。

Description

具有增强的高温抗氧化性的镍和铬基铁合金
发明背景
技术领域
本发明涉及富含镍和铬的高耐热奥氏体铁基合金。该合金表现出改进的细树枝状碳化物结构，并且能够承受重复的热伸长和应变，这对于暴露于废气流的废气涡轮增压器部件例如涡轮机壳体特别重要。该合金还保证了非常好的热-机械疲劳(TMF)加载性能。部件的热开裂问题受到决定性影响。本发明合金受元素镍、铌、铈和钒之间关系的影响。本发明进一步涉及一种用于防止裂纹形成并且用于使涡轮增压器涡轮机壳体中的氧化最小化的方法。
背景技术
废气涡轮增压器从发动机废气中提取能量以驱动压缩机以增加每个工作冲程的可燃混合物的通过量，从而在较小的发动机中实现较大排量发动机的性能。对涡轮增压器的材料提出了非常高的要求。这些材料必须表现出耐腐蚀性、抗氧化性、抗裂性，并且必须保持尺寸稳定性，并且尤其表现出良好的热-机械疲劳(TMF)加载性能，甚至在高达约1100℃的非常高的温度下。
由于不均匀的温度分布，强大的热-机械力作用在涡轮机壳体上。涡轮机壳体内的热场在角度和径向上是不均匀的。在角度意义上，涡轮机壳体的最热部分位于涡轮机底座处，在此处废气进入涡轮机壳体，并且温度随着蜗壳朝向舌部减小而冷却。在径向意义上，温度随着排气从蜗壳的顶部朝向车轮流动而增加。从图形上看，涡轮机壳体像蜗牛壳体一样盘绕。从结构上看，涡轮机壳体的几何形状和壁厚变化很大。由于这些设计和热差异，热力倾向于使蜗牛壳体试图展开，并且如果蜗壳以任何方式受到约束，则倾向于扭曲。在分开的蜗壳涡轮机壳体的情况下，该分隔壁与这些侧壁一起限制该蜗壳展开。分隔壁在其最大直径处受到约束，因为它连接到蜗壳壁上，但在其内径处不受约束，在该内径处它也逐渐变细。该锥形区域特别容易受到来自热应力的拉伸载荷的影响，热应力本身表现为通常的径向裂纹。此外，因为分隔壁具有比其他大致平行的壁更低的热质量，所以分隔壁既加热又冷却得更快；这在分隔壁中产生了更大的低循环疲劳，并因此增加了破裂的倾向。此外，如图1所示，在涡轮蜗壳被用于保持脉冲分离的至少一个分隔壁分隔的情况下，暴露于废气流的内表面积显著增加。脉冲分离还增加了通过涡轮机壳体的流动的不稳定性。当压力脉冲穿过蜗壳时，振动应力可能导致任何表面氧化层自由断裂，这可能导致对涡轮机叶轮的损坏。由于这些原因，较高程度的抗氧化性将是有益的。
在转让给本受让人的美国专利申请20150023788中公开了对该问题的一种解决方案，其中涡轮增压器涡轮机分隔壁在涡轮机壳体中破裂的倾向通过使分隔壁的质量更接近于所述分隔壁与流经该分隔壁的排气之间的瞬态热传递而匹配来最小化。这通过提供具有基本上由Log2曲线限定的横截面形状的所述分隔壁来实现。然而，该解决方案仅适用于分隔壁内径的区域。破裂能够发生在涡轮机壳体中的任何地方。有必要从整体上提高涡轮机壳体的TMF加载性能。
US 9,359,938(Schall)教导了一种具有碳化物结构的奥氏体铁基材料，其特征在于非常好的耐摩擦磨损性。该合金包含元素碳(C)0.1-0.5重量％、铬(Cr)20-28重量％、锰(Mn)至多1.3重量％、硅(Si)0.5-1.8重量％、铌(Nb)0.5-2.0重量％、钨(W)0.8-4.0重量％、钒(V)0-1.8重量％、镍(Ni)20-28重量％，其余为铁(Fe)。然而，热-机械疲劳(TMF)加载性能还需要进一步提高。
还需要改进涡轮机壳体的耐腐蚀性和抗氧化性；以及改进尺寸稳定性和高温强度；以及蠕变强度和断裂强度。
发明内容
该目的通过高耐热铁基合金来实现，该高耐热铁基合金在用于高达 1100℃的温度应用中时表现出高温抗氧化性和长寿命，具有包括改进的细树枝状碳化物结构的奥氏体基础结构。同时，诸如铬(Cr)、钒(V)、镍 (Ni)和铌(Nb)的元素确保良好的热性能。由于细碳化物沉淀NbC，微观结构通过粒状腐蚀稳定在晶粒中。所需的抗氧化性由元素铬(晶界处>25％的游离铬)、硅、铝和铈赋予。高温下动态容许伸长的特性特别适用于涡轮机壳体，尽管本发明不限于此。在本发明的合金中，这种性能由元素镍、铌、铈和钒赋予。同时，这些元素(Ni、Cer、Nb、V)也保证非常好的TMF性能。因此，部件上的热开裂问题受到决定性地减少。该材料组合物不含高达1080℃的σ相(脆化相)。同时，该合金提供了耐晶间腐蚀性。
氮在室温下是气体，并且在合金化领域中通常不用作合金化元素。根据常规知识，当包含氮作为合金元素时，其仅以少量包含。参照Babakr 等人，“铸铁-铬-镍(Fe-Cr-Ni)合金的σ相形成与脆性”，矿物材料特性工程杂志，2008年第7卷第2期127-145页(“SigmaPhaseFormation and Embrittlement of Cast Iron-Chromium-Nickel(Fe-Cr-Ni)Alloys”，Journal of Minerals&Materials Characterization&Engineering，Vol.7，No.2，pp127-145， 2008)，其完全不考虑氮作为因素。
高温材料的蠕变行为和蠕变性能的退化是主要实际相关的现象，经常限制了经设计在高温应力下长时间工作的部件和结构的寿命。美国专利9， 181，597(Hawk等人)教导了650℃抗蠕变合金，其总组成为(重量％)： 9.75-10.25铬、1.0-1.5钼、0.13-0.17碳、0.25-0.50锰、0.08-0.15硅、0.15-0.30 镍、0.15-0.25钒、0.05-0.08铌、0.015-0.035氮、0.25-0.75钨、1.35-1.65 钴、0.20-0.30钽、70ppm-110ppm硼，其余的为铁和潜在的附加元素。Hawk 等人教导了在碳存在下的氮与钒和铌结合以形成碳氮化物，其对于改善蠕变断裂强度是有效的并且热稳定。钒与碳和氮结合形成精细分散的沉淀物如V(C，N)，其在高温下长期稳定并有效改善长期蠕变断裂强度。铌，类似于钒，与碳和氮结合形成细小的沉淀物如Nb(C，N)，其有效地改善蠕变断裂强度。添加到钢中的氮将蠕变断裂强度提高到0.07重量％，之后效果减弱。此外，氮稳定奥氏体并大大减轻σ-铁素体的形成。高于0.01 重量％水平的氮促进这些效果。然而，将氮含量增加到大于0.08重量％的水平会通过形成粗氮化物颗粒和在锭凝固期间从气穴和空隙降低可成形性和可焊性，所述气穴和空隙随后在热加工期间打开，导致额外的缺陷。蠕变断裂强度相应地降低，延展性和韧性也相应地降低。因此，氮含量应限制在0.015-0.035重量％的范围内。
US6761854(Smith等人)教导了一种耐高温腐蚀的镍基合金。该合金可以含有至少0.01重量％的氮，每一种氮用于稳定氧化皮并有助于抗氧化性，但是高于0.1重量％的氮含量使合金的机械性能劣化。
与在根据本发明的合金中由于形成粗氮化物颗粒而使合金的机械性能劣化，蠕变断裂强度、延展性和韧性降低的常规知识相反，当氮含量高于0.1重量％时，本发明人出人意料地发现在包含指定量的以下指定元素的合金中加入0.1-0.2重量％的氮，改善了铁基合金的高温抗氧化性并改善了细树枝状碳化物结构，从而保证了非常好的TMF性能。因此，显著地减少了在高温环境中使用的诸如涡轮增压器壳体的部件中的热开裂问题。
附图说明
本发明通过示例而非限制的方式在附图中示出，其中相同的附图标记表示相似的部件，并且其中：
图1描绘了涡轮增压器组件的现有技术的分开的蜗壳涡轮机壳体的截面；
图2描绘了涡轮机壳体沿着截面线2-2的截面；
图3是在暴露于模拟废气的本发明合金上形成的氧化层的显微照片；
图4是在暴露于模拟废气的对比合金上形成的氧化层的显微照片。
具体实施方式
抗氧化性
在径向流动涡轮增压器涡轮机中，该废气流垂直于一条旋转轴线流入圆周蜗壳中，该圆周蜗壳形成变窄的螺旋，该变窄的螺旋经适配朝向该涡轮机叶轮并且围绕该旋转轴线向内转动该废气。蜗壳，有时被视为“蜗牛壳”，可以分类为开放的(单个蜗壳)或分开的(多个蜗壳)。
开放蜗壳在恒压涡轮增压中是有用的，其中来自发动机的排气歧管的脉冲被允许混合并且其中峰和谷平均，使得涡轮机叶轮由气体质量流速和温度下降驱动，从而向涡轮机叶轮提供相对稳定状态的排气。然而，恒压涡轮增压没有利用在每个压力脉冲的峰值处可用的瞬时动能。
为了利用在每个压力脉冲的峰值处可获得的瞬时动能，必须保持来自废气流中的干扰气缸的脉冲之间的间隔，一直从气缸出口端口到涡轮机叶轮。特别地，已知采用所谓的“脉冲分离”，其中发动机的气缸被分成多个子组，并且来自每个气缸子组的脉冲通过具有用于每个子组的独立排气通道而与其他子组的脉冲基本上隔离。当从压力脉动提取能量时，在较短时间内在脉冲分离涡轮机中达到较高的涡轮机压力比。通过增加的压力比，效率增加，改善了当高的、更有效的质量流穿过涡轮机时的所有重要的时间间隔。作为这种改善的排气能量利用的结果，改善了发动机的增压特性并且因此改善了扭矩特性，特别是在低发动机速度下。
为了保持从涡轮机底座到涡轮机叶轮的脉冲分离，涡轮机蜗壳必须使用至少一个分隔壁被分成两个或更多个流道。该涡轮机可以是经向分开的，称为双流，其中这两个通道经布置彼此相邻并且至少沿着一个弧形区段，每个通道在相等的(至少重叠的)半径处以螺旋形式包围该涡轮机叶轮。可替代地，分开的涡轮机可以是双流式的，其中在每种情况下布置两个通道给不同的弧形区段供料，为此原因，所述双流式涡轮机通常也被称为分段式涡轮机。涡轮机壳体可以是轴流式设计或任何设计。如本文所用，术语“双流”、“双流式”将可互换使用。
如图1所示，当蜗壳被至少一个分隔壁分成两个或更多个蜗壳时，蜗壳内部的总表面积显著增加。随着表面积增加，有更大的积尘面积。此外，随着由腐蚀性废气引起的表面积增加，暴露于氧化事件也增加。虽然脉冲分离增加了可用能量，但它也增加了通过涡轮机壳体的流动的不稳定性。当脉冲穿过蜗壳时，振动应力可能导致烟尘或水垢或在蜗壳壁上的任何氧化层自由断裂。这些自由氧化物可能损坏涡轮机叶轮的叶片。因此重要的是防止蜗壳内壁的氧化。本发明提供一种用于排气涡轮增压器涡轮机壳体的高抗氧化氧化物。
裂纹预防
如图1所示，通过使用分隔壁(2)可以在涡轮机壳体蜗壳(1)中保持流动隔离。分隔壁(2)具有顶端(3)和根部(4)，并且将流分成第一流道(8)和第二流道(9)。蜗壳(1)具有顶部(5)、第一侧壁(6)和第二侧壁(7)。
如图2所示，在角度方向上，涡轮机壳体(11)的最热部分位于涡轮机底座(10)处，废气在此处进入涡轮机壳体。当流道(9)朝向舌部(12) 减小时，排气的温度冷却。在径向意义上，温度从蜗壳的顶部(17)朝向涡轮机叶轮(13)增加。从图形上看，涡轮机壳体(11)像蜗牛壳体一样盘绕。从结构上看，涡轮机壳体的几何形状和壁厚变化很大。由于这些形状、质量和热差异，热力倾向于使螺壳试图展开，并且如果蜗壳以任何方式受到约束，则倾向于扭曲。在分开的蜗壳涡轮机壳体的情况下，分隔壁 (2)与侧壁(6、7)一起约束蜗壳不展开。分隔壁2在其连接到蜗壳顶部5的最大直径处受到约束，而在其内径处，即尖端3处，分隔壁2也逐渐变细，是不受约束的。该锥形区域特别容易受到来自热应力的拉伸载荷的影响，随着时间的推移，其本身表现为通常的径向裂纹(20)。此外，因为分隔壁(2)具有比其他大致平行的壁(6、7)更低的热质量，所以分隔壁(2)更快速地加热和冷却；这在分隔壁中产生了更大的低循环疲劳，并因此增加了开裂的倾向。
本发明的合金的特征在于一组性能，使其特别适用于暴露于非常高的温度、不均匀的温度分布、腐蚀性气氛和重复热循环的部件。一个具体应用是刚刚讨论的涡轮增压器壳体。该合金耐受由柴油机或奥托发动机产生的废气，并且可以用于具有和不具有歧管的涡轮机壳体中。该合金是可铸造的并且表现出高温抗氧化性和TMF抗性以及高达1100℃的尺寸稳定性。
材料组合物的微结构显示具有碳化物形成的精细网络的奥氏体基本结构。耐磨性由碳化物结构提供。而且，在晶粒结构中稀土的相排斥在基体中产生原子结合链。因此，显著降低了晶格滑动，从而提高了LCF和 TMF性能。也就是说，在纯金属中，金属的晶格由被电子海包围的离子(非原子)组成。来自原始金属原子的外部电子(-)自由地在所形成的正金属离子(+)之间四处移动。来自金属原子外壳的这些“自由”或“离域”电子是将粒子保持在一起的“电子胶”。在这些自由电子(移动电子或离域电子“海”)(-)和形成巨晶格的“固定”正金属离子(+)之间存在强的电吸引力，并且这是金属键。当暴露于应力时，晶格层可以在彼此之上滑动，并且当移动电子保持与晶格的离子接触时保持键合，提供柔韧性和延展性。合金通常不被认为是化合物(尽管所有原子化学键合在一起)，但被描述为金属加上至少一种其他材料的物理混合，所述其他材料可以是金属(例如铬、镍)或非金属(碳、氮)。(用红色圆圈表示)。其他原子 (更小或更大)的存在破坏了层的对称性，并且这种变形降低了一层与另一层金属原子相邻滑动的“滑动能力”，从而形成了一种更坚固、更难延展的金属，但是更适合于大多数用途。钢中的碳形成碳化物-特别是Fe-渗碳体(Fe3C)的碳化物。碳化物本身坚硬，但分散在钢中，它们通过弥散强化来强化合金，如上所述，弥散强化防止位错的滑移和原子在晶格中的滑动/滑移。在晶界强化中，晶界充当阻止位错进一步传播的钉扎点。由于相邻晶粒的晶格结构的取向不同，位错改变方向并移入相邻晶粒需要更多的能量。晶界也比晶粒内部无序得多，这也防止位错在连续滑移平面中移动。阻碍这种位错运动。晶界强化的另一种形式是通过添加碳和碳化物形成物(例如Cr、Mo、W、Nb、Ta、Ti或Hf)来实现的，这驱使碳化物在晶界处沉淀并由此减少晶界滑动。在所施加的应力下，现有位错和位错将移动通过晶格直到遇到晶界，其中不同晶粒之间的大原子失配产生排斥应力场以对抗连续位错运动。当更多的位错传播到该边界时，由于位错簇不能移动通过边界，所以出现位错“堆积”。当位错产生排斥应力场时，每个连续位错将对与晶界入射的位错施加排斥力。这些排斥力用作驱动力以减小穿过边界扩散的能量势垒，使得额外的堆积导致穿过晶界的位错扩散，从而允许材料中的进一步变形。减小晶粒尺寸减小了边界处可能堆积的量，增加了移动位错穿过晶粒边界所需的施加应力的量。移动位错所需的施加应力越高，屈服强度越高。因此，在晶粒尺寸和屈服强度之间存在反比关系。显然，对这种强化方式存在限制，因为不存在无限强的材料。晶粒尺寸可以在大约100μm(大晶粒)至1μm(小晶粒)的范围内。低于此，位错的尺寸开始接近晶粒的尺寸。在大约10nm的晶粒尺寸下，只有一个或两个位错可配合在晶粒内。该方案避免了位错堆积，反而导致晶界扩散。晶格通过晶界滑动解决了所施加的应力，造成材料的屈服强度降低。
将氮含量增加到大于0.08重量％的水平会通过形成粗氮化物颗粒而降低可成形性。蠕变断裂强度相应地降低，延展性和韧性也相应地降低。
根据本发明的合金是化学改性的、高耐热的奥氏体合金，旨在用于高达1100℃的温度应用。该合金具有高的抗高温氧化性，并表现出改善的细树枝状碳化物结构。诸如铬(Cr)、钒(V)、镍(Ni)和铌(Nb)的元素确保良好的热性能。由于细小的碳化物沉淀如NbC，晶粒微结构被稳定以抵抗IK腐蚀。所需的抗氧化性由元素铬(晶界处>25％的游离铬)、硅、铝和铈赋予。当合金用于形成涡轮机壳体时，在上述部件温度下动态容许伸长的特性特别重要。这种性能由元素镍、铌、铈和钒保证。同时，这些元素(Ni、Cer、Nb、V)也保证非常好的TMF性能。因此，部件上的热开裂问题受到决定性地减少。
该合金中含有以下化学元素：
碳(C)由于形成碳化物而赋予较高的强度，并且还用于产生较高的耐热性。
铬(Cr)赋予热拉伸强度和抗垢性的增加。同时，铬是一种强碳化物形成剂，M23C6型，反映了其在磨损性能方面的优势。此外，在暴露于非常高的废气温度时形成有价值的Cr2O3面涂层，该面涂层形成非常好的抗滑动磨损性。
锰(Mn)进一步扩大了材料的γ范围。锰的加入提高了屈服强度和拉伸强度。同时，提高了高温下的耐磨性。
铌(Nb)和钒(V)在此用作MC型碳化物形成物。这些元件是铁素体形成元素，因此减小了γ范围。此外，提高了热强度和蠕变强度。
硅(Si)降低铸造过程中熔体的粘度。此外，该元素引起脱氧，这通过合金化显著提高了耐热气体腐蚀性。
镍(Ni)改进延展性和耐热性。为了赋予对由于温度变化引起的裂纹的抗性，较高的镍含量是必需的。
硼(B)对浇注性具有积极的影响，并且还减少了微腔区域中的铸造缺陷。这种不连续性又造成扭曲和振动断裂以及裂纹从内(涡轮机壳体螺旋通道)前进到外皮的事实。
铈(Ce)在熔体中具有较强的降氧作用，提高了耐热钢的抗垢性能。此外，该元素确保操作期间的热开裂倾向显著降低。
氮(N)形成氮化物并扩大该合金的奥氏体范围，同时降低氧诱导的腐蚀和氧化速率。这尤其减少了高温腐蚀侵蚀。在碳存在下的氮与钒和铌结合形成碳氮化物，其有效地改善蠕变断裂强度并且热稳定极佳。此外，氮稳定奥氏体并大大减轻σ-铁素体的形成。将本发明合金中的氮含量增加到大于0.25重量％的水平会通过形成粗氮化物颗粒而降低可成形性。蠕变断裂强度可以相应地降低，延展性和韧性也可以相应地降低。因此，加入 0.05-0.25重量％，优选0.1-0.2重量％的氮，改善了高温抗氧化性并改善了铁基合金的细树枝状碳化物结构。碳和氮、钒、铌和钽一起产生MX碳化物以减缓位错运动。
铝(Al)另外增加抗氧化性并且因此是最小化氧化物层厚度(<40μm) 的重要因素。这显著地降低了对裂纹的敏感性，该裂纹基于不同的热膨胀系数(氧化物层-基材料)具有损伤效应。
该材料组合物不含高达1080℃的σ相(脆化相)。同时，该合金提供了耐晶间腐蚀性。
试验已经证明，本发明的合金适合作为高温合金用于例如具有1100℃的气体入口温度并且具有针对以下影响的增加的电阻的涡轮机壳体的应用中：
耐热冲击性：在排气入口通道无温度引起的裂纹>牵引通道中壁厚的 60％。
抗氧化性：<60μm。
在涡轮机壳体中无连续裂纹：高达1080℃。
冷却水渗透：对热裂纹和高温腐蚀的可接受影响
测试介质：奥托发动机废气(包括乙醇E100)
动态可接受的扩展行为：>10％<25％
沿着深度<40μm的晶界的树枝状氧化的还原：高达1100℃。
验证了TMF性能(在ATL燃烧室上的热冲击测试之后，即使在300h，负载规格OEM之后也要确保完美的热力学释放性能)：高达1080℃。
低周疲劳性能：
在1000℃>105MPa下的热拉伸强度
在1000℃>70MPa的热拉伸极限
由于这是奥氏体材料，因此必须特别注意高温氧化，因此希望在 1050℃的组分温度下实现最大60μm的氧化速率。
该材料组合物的验证测试系列包括以下系列：
-在模拟奥托废气(1010℃)中的抗氧化性测试
-在马达处的热冲击：300h，无连续(贯穿)裂纹，或裂纹最大深度 1.5mm。舌部区域排除。
-炉中的热气腐蚀试验：350h-1050℃-氧化速率：<60μm
-根据DIN EN ISO3651-2(原DIN50917)的Strauss测试
-高达1000℃的蠕变和断裂测试。
材料的化学分析：C：0.3-0.6％；Ni：27.5-30％；Cr：24-27％；Mn：最大2％；Si：1.5-2.4％；Nb：0.7-1％；Cer：最大0.40％；V：0.4-0.6％； Al：最大0.7％；N：0.1-0.2％；B：最大0.05％；剩余为铁。
材料的机械性能：
-Rm：>420MPa
-Rp0.2：>220MPa
-伸长：>6％
-硬度：180-265HB
-伸长系数：16.5-18.5-1/K(20-900℃)
-700℃的热阻：
-Rm>345MPa
-Rp0.2>180MPa800℃下的Warm强度：
-Rm>270MPa
-Rp0.2>140MPa900℃下的Warm强度：
-Rnn>180MPa
-Rp0.2>125MPa
1000℃的耐热性：
-Rm>105MPa
-Rp0.2>70MPa1050℃的高温强度：-Rnn>78MPa
-Rp0.2>45MPa热处理：
-在1050℃/4-6小时老化-空气冷却(产生二次沉淀)
在不受任何特定理论的约束的情况下，据信，当Rm>105MPa时，因为当材料在宏观上不易于拉开时，不可能发生裂纹和脆化。
焊接工艺：
使用TIG等离子体以及EB方法焊接材料。生产方法：
-砂型铸造
-精密铸造。
虽然不限于本发明的任何特定理论，但据信本发明的效果可归因于以下：
1.)组分的耐循环氧化性防止了高温腐蚀(具有通过晶粒结构的跨晶体开裂)。这通过新材料的化学组成来避免，特别是通过元素Cr+Si+B+N 的组合的作用模式来避免。
2.)该高温合金的蠕变行为是通过碳化物产生剂Cr-V-Nb，氮化物形成剂N和细树枝状结构的相互作用以及通过ASTM调节的2-4μm的晶粒尺寸而产生的。
3.)耐温性变化，即热-机械疲劳(TMF)加载性能，主要由元素Cr+V+Nb 的强度和镍的比例决定，根据总化学组成调整，重量％比为0.9：1。作为这种稳定性的另一个决定因素，基质中精细限定的氮化物形成以及非常小的弥散-沉淀相(通过硼)位于晶界处，其形成强原子键并因此对抗早期晶格滑移。
实施例和比较例
材料的化学分析，以重量％计：
元件实施例比较例
实施例的机械测试产生以下结果：
测试的本发明实施例的合金组成如上所述。分析了接近市售的合金，结果如上所述。该实施例是铸盘的形式。以铸棒的形式和单独以MIM盘的形式制备比较例。切割样品并将切割表面用1200粒度抛光，并在超声浴中用乙醇清洁。干燥后，称重样品并置于烘箱中。将样品在模拟奥托排气下经受1010℃的等温条件350小时。加热和冷却在氩气中进行。在暴露之后，再次称重样品，并确定重量为4.86g且在氧化之前具有5cm2暴露表面积的实施例合金损失0.162676628重量％，而重量为1.88g且具有 2.2cm2暴露表面积的铸棒形式的比较例合金增加0.218557732重量％。测试了重量为2.16克并且暴露表面积增加了0.088940359重量％的3.2cm2的 MIM盘形式的单独比较例。由于氧化仅发生在样品的非常表面的层中，重量的这种微小差异实际上是相当显著的。盘的未抛光平坦表面的氧化层的显微照片如图3所示。在图3中示出了具有比较例的合金的铸造棒的未抛光圆周表面的氧化层的显微照片。
可以铸造该合金以形成涡轮增压器涡轮机壳体。铸造之后，可以对壳体进行“表面硬化”-渗碳，渗氮，碳氮共渗和/或渗硼，以便进一步硬化壳体的外部，可以通过形成较硬的相来硬化金属。

Claims (7)

1.一种铁基合金，所述铁基合金具有包括碳化物结构的奥氏体基础结构，所述碳化物结构由以下元素组成；
C：0.3-0.6重量％，
Cr：24至27重量％，
Mn：至多并包括2.0重量％，
Si：1.5至2.4重量％，
Nb：0.7至1.0重量％，
Ni：27.5至30重量％，
V：0.4-0.6重量％，
N：0.05-0.25重量％，
Ce：至多0.4
Mn：至多2.0
Al：至多0.7
B：至多0.05
Fe：余量至100重量％。
2.根据权利要求1所述的铁基合金，其中氮含量为0.08-0.12重量％。
3.根据权利要求1所述的铁基合金，其中氮含量为0.1-0.2重量％。
4.一种铁基合金，所述铁基合金具有包括碳化物结构的奥氏体基础结构，所述碳化物结构由以下元素组成；
C：0.3-0.6重量％，
Cr：24至27重量％，
Mn：至多并包括2.0重量％，
Si：1.5至2.4重量％，
Nb：0.7至1.0重量％，
Ni：27.5至30重量％，
V：0.4-0.6重量％，
N：0.08-2.0重量％，
Ce：至多0.4
Mn：至多2.0
Al：至多0.7
B：至多0.05
Fe：余量至100重量％。
5.根据权利要求1所述的铁基合金，其中，铁基合金基本上不含σ相。
6.一种具有排气涡轮的排气涡轮增压器，所述排气涡轮的壳体由权利要求1所述的铁基合金构成。
7.一种增加涡轮增压器涡轮机壳体中的抗氧化性并且减少裂纹形成的方法，所述方法包括
铸造包含根据权利要求1所述的合金的涡轮机壳体，以及
将铸造涡轮机壳体组装到涡轮增压器上。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102159799B1 (ko) 2020-06-16 2020-09-24 이종형 투명 치아 교정장치
CN114107804A (zh) * 2021-10-22 2022-03-01 中国科学院金属研究所 一种涡轮增压器壳体用抗氧化、耐疲劳cnre稀土耐热钢及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1434146A (zh) * 2002-01-23 2003-08-06 博哈里尔特种钢两合公司 用于热载荷构件的提高了硬度的反应惰性的材料
CN103827463A (zh) * 2011-10-20 2014-05-28 博格华纳公司 涡轮增压器以及用于该涡轮增压器的部件
FR3015527A1 (fr) * 2013-12-23 2015-06-26 Air Liquide Alliage avec microstructure stable pour tubes de reformage
WO2016052750A1 (ja) * 2014-10-03 2016-04-07 日立金属株式会社 熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6761854B1 (en) 1998-09-04 2004-07-13 Huntington Alloys Corporation Advanced high temperature corrosion resistant alloy
US20150023788A1 (en) 2012-02-28 2015-01-22 Borgwarner Inc. Flow thermal stress turbocharger turbine housing divider wall
US9181597B1 (en) 2013-04-23 2015-11-10 U.S. Department Of Energy Creep resistant high temperature martensitic steel

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1434146A (zh) * 2002-01-23 2003-08-06 博哈里尔特种钢两合公司 用于热载荷构件的提高了硬度的反应惰性的材料
CN103827463A (zh) * 2011-10-20 2014-05-28 博格华纳公司 涡轮增压器以及用于该涡轮增压器的部件
FR3015527A1 (fr) * 2013-12-23 2015-06-26 Air Liquide Alliage avec microstructure stable pour tubes de reformage
WO2016052750A1 (ja) * 2014-10-03 2016-04-07 日立金属株式会社 熱疲労特性に優れたオーステナイト系耐熱鋳鋼及びそれからなる排気系部品

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