CN1789465A - 球墨铸铁合金和由其形成的涡轮机压缩机外壳元件 - Google Patents
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Abstract
一种球墨铸铁合金，其被改性含有限定量且显著提高合金的包括蠕变、断裂、拉伸和LCF性能等高温性能的钼。该合金基本由以下物质组成，以重量计，至少3％碳，不超过2.75％硅，0.4－0.8％钼，高达0.3％锰，高达0.1％铬，不超过0.08％磷，不超过0.01％硫，且佘量是铁和附带的杂质。该合金很好地适用于工业气体涡轮机的压缩机外壳，并特别地适于工作温度超过400℃的压缩机外壳。
Description
技术领域
本发明一般地涉及球墨铸铁(ductile iron)合金。更特别地，本发明涉及用钼改性以显示用于必须在超过现有球墨铸铁合金能力的温度下工作的涡轮机压缩机外壳元件所需性能的球墨铸铁合金。
背景技术
多种合金都曾经被考虑和应用于工业气体涡轮机的压缩机出口外壳(compressor discharge case)和压缩机外壳(compressor case)以及其它高温元件。压缩机出口外壳一般位于紧邻气体涡轮机压缩机的下游，而压缩机外壳还进一步处于下游并用涡轮部分的第一级与压缩机出口外壳连接。由于在压缩机和涡轮部分之间所维持的高压和升高的温度，适用于压缩机出口外壳和压缩机外壳(为了方便，这里简单地称为压缩机外壳)的合金需要良好的蠕变、断裂、拉伸、低循环疲劳(LCF)性能。
固为它们的强度、韧性和机械加工性，球墨铸铁(铸造粒状铁)合金被研究用于涡轮机械和其它场合的各种结构用途。作为一个特别的例子，铁素体延性合金ASTM A395/A395M-99已发现用作用于在升高的温度下使用的含压结构元件，包括用于工业气体涡轮机的压缩机外壳，的合金。ASTM A395/A395M-99合金被规定为具有如下重量组成：至少3％碳，高达约2.5％硅，和高达0.08％磷，其余为铁和附带的杂质。ASTM A395/A395M-99合金是用于制造General ElectricCompany生产的用于B、F和E级技术的气体涡轮机，如MS6001B、MS7001FA、MS7001FB和MS9001E气体涡轮机型式，的压缩机外壳的现有材料。在ASTM的技术规范基础上，由A395/A395M-99合金铸造的压缩机外壳应该能够耐受高达约650°F(约450℃)的运行温度。然而，由于气体涡轮机为提高其性能和效率而升级，压缩机外壳所必须维持的温度和载荷也升高。由于这种升级，作为压力比和点火温度升高的结果，要求额外的温度和应力能力。
为获得高运行温度下的更高强度，已知含有更大量的硅，如约4-6重量％，单独或与高达约2重量％钼组合的球墨铸铁合金。然而，已有报道这些合金可能在环境温度下显示降低的延展性、降低的可铸造性和降低的可机械加工性。
发明内容
本发明提供一种球墨铸铁合金，其被改性以含有限定量的钼来显著改善合金的高温性能，包括蠕变、断裂、拉伸和LCF性能。该合金基本由以下物质组成，以重量计，至少3％碳，不超过2.75％硅，0.4-0.8％钼，高达0.3％锰，高达0.1％铬，不超过0.08％磷，不超过0.01％硫，且余量是铁和附带的杂质。
该合金很好地适用于形成工业气体涡轮机，特别是其压缩机外壳经受400℃和更高的工作温度的气体涡轮机。由此，该合金超过了现有的ASTM A395/A395M-99合金的高温能力。
本发明的其它目的和优点将从下面的详细描述中得到更好的认识。
附图说明
图1和2是分别示出了在本发明范围内的含钼球墨铸铁合金与现有的延性(粒状)铸铁合金的0.1％蠕变寿命和低循环疲劳寿命的比较图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有工业气体涡轮机压缩机外壳所要求类型的优异的高温性能的球墨铸铁合金。本发明的合金优选含有处于下列大致比例的下列元素，以重量百分比计：至少3％碳，至多2.75％硅，0.4-0.8％钼，至多0.3％锰，至多0.1％铬，至多0.08％磷，至多0.01％硫，且余量是铁和附带的杂质。
碳、硅和钼的含量主要用以获得合金所需的高温性能。硅的作用一般是为了提高基体铁的强度、硬度、硬化能力和耐腐蚀性。从降低的室温延展性、降低的可铸造性和降低的可机械加工性的观点看，作为铸造压缩机外壳的用途，超过2.75重量％的硅水平是不合需要的。ASTM A395/A395M-99技术规范允许为磷的最高规定含量以下每降低0.01％磷而在2.5％以上增加0.08％硅，直到最高的2.75％(所有的百分数都以重量计)。与此一致，虽然本发明的合金允许直到2.75重量％的硅含量，但对于其磷含量接近0.08重量％的合金，更严格的硅含量上限是2.5重量％。如现有的球墨铸铁合金那样，合金的碳含量在冷却过程中分离为球状石墨，主要是硅存在的结果。球状石墨赋予了如高强度和韧性等球墨铸铁已知的所需要的性能。本发明所采用的钼的限制范围被认为是为了提高硬化、改善耐腐蚀性、高温强度和蠕变抗力。
铬可以上述量被加入以通过促进碳化物的形成来提高合金的强度，赋予耐腐蚀性，并在高温稳定合金的微结构。锰用于除去硫，硫是优选在合金中不存在的，但通常作为杂质不可避免地存在。磷也是被保持在尽可能低的水平的杂质。
为优化机械性能，该合金应经过热处理以除去碳化物和/或稳定珠光体。在其中合金被铸造以形成压缩机外壳的优选实施方案中，该合金根据用于ASTM A395/A395M-99合金的现有实践进行铸造，然后该铸件优选在至少约1340°F(约725℃)的温度退火，对每英寸最大铸件厚度为约1小时，但不少于5小时。
具有以下表1给出的化学组成的不同样品被熔化并根据现在出版的ASTM A395/A395M-99规范进行铸造，这里引入其涉及ASTMA395/A395M-99合金加工的公开内容作为参考。TC是总碳量。镁以被认为是允许的杂质水平量在合金中存在。
表1
| 合金 | TC | Si | Mo | Mn | Mg | P | S |
| 熔体1熔体2熔体3 | 3.623.643.55 | 2.622.502.66 | 0.410.430.43 | 0.110.110.09 | 0.0550.0560.053 | 0.0160.0170.016 | 0.0100.0080.010 |
每一铸造样品经历了这样的热处理循环，包括在约760℃的温度均热约16小时，随后缓慢冷却到室温。热处理之后，一些样品经历了在约550°F(约290℃)、约650°F(约345℃)、约750°F(约400℃)、约850°F(约454℃)或约950°F(约510℃)的蠕变测试。图1是对在750°F测试的样品绘出的0.1％蠕变曲线，并证明在相同的测试条件下该合金(“钼球墨铸铁”)的蠕变性能至少比现有的ASTM A395/A395M-99合金(“粒状铁”)的高20倍。其它样品经历了低循环疲劳(LCF)测试，结果在图2中绘出，并证明在相同的测试条件下该合金(“钼球墨铸铁”)的LCF性能至少比现有的ASTM A395/A395M-99合金(“粒状铁”)的高10倍。鉴于具有本发明范围之内的化学组成的样品所展示的提高的蠕变和LCF性能，可作如下结论：它们的合金作为处于General Electric生产的E级气体涡轮机，如MS9001E型的工作环境，以及具有由于升高的压力比和点火温度而要求额外的温度和应力能力的元件的其它气体涡轮机的铸造压缩机外壳将表现良好。
虽然本发明已经以优选实施方案的形式被描述，但明显地本领域的技术人员可采用其它形式。因此，本发明的范围仅由下列权利要求限定。
Claims (9)
1.一种球墨铸铁合金，该合金基本由以下物质组成，以重量计，至少3％碳，不超过2.75％硅，0.4-0.8％钼，高达0.3％锰，高达0.1％铬，不超过0.08％磷，不超过0.01％硫，且余量是铁和附带的杂质。
2.根据权利要求1的球墨铸铁合金，其特征在于该合金处于铸件的形式。
3.根据权利要求2的球墨铸铁合金，其特征在于该铸件是工业气体涡轮机的压缩机外壳。
4.根据权利要求3的球墨铸铁合金，其特征在于该压缩机外壳具有至少400℃的上限工作温度。
5.根据权利要求4的球墨铸铁合金，其特征在于该压缩机外壳被安装于工业气体涡轮机上。
6.根据权利要求1-5任何一项的球墨铸铁合金，其特征在于该合金包含有意加入的超过附带杂质量的锰。
7.根据权利要求1-6任何一项的球墨铸铁合金，其特征在于该合金包含有意加入的超过附带杂质量的铬。
8.根据权利要求1-7任何一项的球墨铸铁合金，其特征在于该合金的组成为，以重量计，至少3％碳，不超过2.75％硅，0.4-0.8％钼，高达0.3％锰，高达0.1％铬，不超过0.08％磷，不超过0.01％硫，且余量是铁和附带的杂质。
9.根据权利要求1-5任何一项的球墨铸铁合金，其特征在于该合金包含，以重量计，约3.6％碳，约2.6％硅，约0.4％钼，约0.1％锰，约0.05％镁，不超过0.02％磷，不超过0.01％硫，且余量是铁和附带的杂质。
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