DE102020213539A1 - Legierung, Rohteil, Bauteil aus Austenit sowie ein Verfahren - Google Patents
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Abstract
Durch die neue Legierung können Austenite bei höheren Temperaturen verwendet werden, wobei auch neue Wärmebehandlungen angewendet werden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Legierung eines Austenits, ein Rohteil, das insbesondere durch Schmiedung hergestellt wird und für Bauteile in Hochtemperaturanwendungen geeignet ist sowie ein Verfahren.
- Je nach Anwendungsbedingung werden Schmiedescheiben für Rotoren von Turbinen, insbesondere von Gasturbinen, bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt. So wird NiCrMoV für Verdichterscheiben oder CrMoWVNbN für die Turbinenscheiben verwendet.
Ausschlaggebend für die Wahl des Schmiedematerials sind die Anwendungsbedingungen und die Designanforderungen.
Für die Auswahl des Schmiedewerkstoffes gilt es immer ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleiten, um die Designanforderungen einzuhalten. - Für höhere Einsatztemperaturen gibt es aktuell keine Lösung mit Austenitstählen.
- Aktuell wird überlegt auf Nickelscheiben überzugehen. Mit diesen sollten Einsatztemperaturen >923K möglich sein.
- Leider haben solche Bauteile folgende Nachteile, nämlich:
- - sehr hohe Kosten im Vergleich zur Scheibe aus Stahl,
- - längere Bearbeitungszeiten in der Fertigung.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Rohteil gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil gemäß Anspruch 3 und ein Verfahren nach Anspruch 9.
- In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können.
- Die A286-Standard-Legierung wurde bei der Dampfturbine zur Verwendung für Schaufeln seit langem evaluiert. Dabei zeigte sich, dass der Werkstoff A286-Standard an sich ein Einsatzpotential bis 923K aufweist.
Leider ist aber die Festigkeit zu gering. - Neuere Überlegungen zeigen, dass durch eine Adaptierung der Chemie, insbesondere durch eine Erhöhung des Mangananteils (Mn), des Titangehalts (Ti) und/oder Molybdängehalts sowie Reduktion des Siliziumanteils (Si) die benötigte Festigkeit möglich ist.
- Mit dem Rohteil werden unterschiedliche Wärmebehandlungen durchgeführt, mit Bezug zum Festigkeits-Zähigkeitsgleichgewicht und der Kerbempfindlichkeit.
- Folgende Wärmebehandlungen (HT) werden erfindungsgemäß durchgeführt:
- Glühen = Annealing [AN] sowie verschiedene Auslagerungen als Wärmebehandlungen (Aging [AG]) für Austenite im Allgemeinen und speziell für den Gegenstand der erfindungsgemäßen Legierung:
- Als Wärmebehandlung stehen folgende Varianten zur Verfügung:
- • Lösungslösung bei 1253K und bei nur einer Auslagerung bei 993K;
- • bei der zweiten Variante ausgehend von der ersten Variante liegt zusätzlich eine zweite Auslagerung bei 953K;
- • bei der dritten Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1253K, die erste Auslagerung bei 1033K und die zweite Auslagerung bei 993K;
- • bei der vierten Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1253K, die erste Auslagerung bei 993K und die zweite Auslagerung bei 1033K und die dritte Auslagerung bei 953KC,
- • bei der fünften Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1253K, die erste Auslagerung bei 1033K, die zweite Auslagerung bei 993K und die dritte Auslagerung bei 953K,
- • bei der sechsten Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1293K, die erste Auslagerung bei 1033K und die zweite Auslagerung bei 923K.
- Neben der Anwendung als Schmiedescheibe in der Gasturbine sind weitere Anwendungen denkbar, dazu zählen:
- - Gasturbinenschaufel,
- - Gasturbinenringe,
- - Dampfturbinenschaufel oder
- - als Dampfturbinenschmiedeteil.
- Die Vorteile sind:
- - Erweiterung des Einsatzbereiches preiswerter Eisenbasislegierungen im Vergleich zu teuren Nickelbasiswerkstoffen
- - schnellere Bearbeitbarkeit der Rotorbauteile auf Eisenbasis im Vergleich zu Nickelbasiswerkstoffen
- - Erfahrungen aus der Konstruktion, Fertigung und Herstellung der hochlegierten Eisenbasislegierungen können größtenteils übernommen werden. Das hilft bei allen probabilistischen Ansätzen
- - Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Performancesteigerung der Maschine, ohne dass externe Kühlung notwendig ist.
- Folgende Zusammensetzung hat der austenitische Stahl:
- Legierung aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%):
- Aus einer solchen Legierung wird ein Rohteil nach dem Stand der Technik gegossen und nach dem Stand der Technik geschmiedet.
Nr. | AN | 1. AG | 2. AG | 3. AG |
1 | 1253K | 993K | -- | -- |
2 | 1253K | 993K | 953K | -- |
3 | 1253K | 1033K | 993K | -- |
4 | 1253K | 993K | 1033K | 953K |
5 | 1253K | 1033K | 993K | 953K |
6 | 1293K | 1033K | 923K | -- |
Kohlenstoff (C) | 0,03% - 0,08% |
Silizium (Si) | 0,20% - 0,40% |
Mangan (Mn) | 1,60% - 2,00% |
Chrom (Cr) | 13,5% - 16,0% |
Molybdän (Mo) | 2,00% - 2,50% |
Nickel (Ni) | 24,0% - 27,0% |
Vanadium (V) | 0,25% - 0,35% |
Aluminium (Al) | 0,40% - 0,60% |
Titan (Ti) | 2,00% - 2,30% |
Niob (Nb) | 1,00% - 1,20% |
Wolfram (W) | 1,80% - 2,20% |
Bor (B) optional | 0,004% - 0,006% |
Phosphor (P) | bis 0,025% |
Schwefel (S) | bis 0,015% |
Arsen (As) | bis 0,008% |
Zinn (Sn) | bis 0,008% |
Antimon (Sb) | bis 0,002% |
Stickstoff (N) Rest Eisen. | bis 0,005% |
Claims (17)
- Legierung, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%):
Kohlenstoff (C) 0,02% - 0,08% Silizium (Si) 0,20% - 0,40% Mangan (Mn) 1,60% - 2,00% Chrom (Cr) 13,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 2,00% - 2,50% Nickel (Ni) 24,0% - 27,0% Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Aluminium (Al) 0,40% - 0,60% Titan (Ti) 2,00% - 2,50% Niob (Nb) 1,00% - 1,20% Wolfram (W) 1,80% - 2,20% Bor (B) optional: 0,004% - 0,006% Arsen (As) bis 0,008% Zinn (Sn) bis 0,008% Antimon (Sb) bis 0,002% Stickstoff (N) bis 0,005% Phosphor (P) bis 0,025% Schwefel (S) Rest Eisen bis 0,015% und unvermeidbare Verunreinigungen. - Rohteil, insbesondere als Schmiedeteil, aufweisend eine eisenbasierte Legierung, die eisenbasierte Legierung weist auf (in Gew.%):
Kohlenstoff (C) 0,02% - 0,08% Silizium (Si) 0,20% - 0,40% Mangan (Mn) 1,60% - 2,00% Chrom (Cr) 13,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 2,00% - 2,50% Nickel (Ni) 24,0% - 27,0% Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Aluminium (Al) 0,40% - 0,60% Titan (Ti) 2,00% - 2,50% Niob (Nb) 1,00% - 1,20% Wolfram (W) 1,80% - 2,20% Bor (B) optional: 0,004% - 0,006% Arsen (As) bis 0,008% Zinn (Sn) bis 0,008% Antimon (Sb) bis 0,002% Stickstoff (N) bis 0,005% Phosphor (P) bis 0,025% Schwefel (S) bis 0,015% - Bauteil, aufweisend eine eisenbasierte Legierung, die eisenbasierte Legierung weist auf (in Gew.%):
Kohlenstoff (C) 0,02% - 0,08% Silizium (Si) 0,20% - 0,40% Mangan (Mn) 1,60% - 2,00% Chrom (Cr) 13,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 2,00% - 2,50% Nickel (Ni) 24,0% - 27,0% Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Aluminium (Al) 0,40% - 0,60% Titan (Ti) 2,00% - 2,50% Niob (Nb) 1,00% - 1,20% Wolfram (W) 1,80% - 2,20% Bor (B) optional: 0,004% - 0,006% Arsen (As) bis 0,008% Zinn (Sn) bis 0,008% Antimon (Sb) bis 0,002% Stickstoff (N) bis 0,005% Phosphor (P) bis 0,025% Schwefel (S) bis 0,015% - Legierung, Rohteil oder Bauteil nach
Anspruch 1 ,2 oder3 , aufweisend 0,02Gew.% Kohlenstoff (C). - Legierung, Rohteil oder Bauteil nach
Anspruch 1 ,2 oder3 , aufweisend 0,03Gew.% - 0,08Gew.% (Kohlenstoff (C). - Legierung, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 ,2 oder3 , aufweisend 2,5Gew.% Titan (Ti). - Legierung, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 ,2 ,3 ,4 oder5 , aufweisend 2,0Gew.% - 2,3Gew.% Titan (Ti). - Bauteil nach einem oder mehreren der
Ansprüche 3 ,4 ,5 ,6 oder7 , darstellend eine Rotorscheibe oder Turbinenschaufel oder, Turbinenring, insbesondere jeweils einer Gasturbine oder Dampfturbinenschaufel oder Dampfturbinenschmiedeteil und insbesondere mit einer Wärmebehandlung nach einem oder mehreren derAnsprüche 9 bis14 . - Verfahren zur Wärmebehandlung eines Austenits, insbesondere eines Rohteils oder Bauteils nach einem oder mehreren
Ansprüche 2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 oder8 , aufweisend: eine Lösungsglühung bei mindestens 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 993K, optional einer zweite Auslagerung bei mindestens 923K, insbesondere mindestens 30K unterhalb der Temperatur der ersten Auslagerung, optional eine dritte Auslagerung bei mindestens 953K, die mindestens 30K unterhalb der Temperatur der zweiten Auslagerung liegt, insbesondere bei 953K. - Verfahren nach
Anspruch 9 , aufweisend eine Lösungsglühung bei 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 993K, insbesondere bei 993K, optional eine zweite und/oder dritte Auslagerung. - Verfahren nach
Anspruch 9 , aufweisend eine Lösungsglühung bei 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 1033K, insbesondere bei 1033K, optional eine zweite und/oder dritte Auslagerung. - Verfahren nach
Anspruch 9 , aufweisend eine Lösungsglühung bei 1293K, eine erste Auslagerung bei mindestens 1033K, insbesondere bei 1033K, optional eine zweite und/oder dritte Auslagerung. - Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 9 ,10 ,11 oder12 , aufweisend eine Lösungsglühung bei mindestens 1253K, eine erste Auslagerung mindestens bei 993K, eine zweite Auslagerung bei mindestens 923K, insbesondere bei 923K, optional eine dritte Auslagerung. - Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 9 ,10 ,11 oder12 , aufweisend eine Lösungsglühung bei mindestens 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 993K, eine zweite Auslagerung bei mindestens 923K, optional eine dritte Auslagerung bei 953K. - Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 9 ,10 ,11 ,12 ,13 oder14 , bestehend aus einer Lösungsglühung bei mindestens 1253K, einer ersten Auslagerung bei mindestens 993K. - Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 9 ,10 ,11 ,12 ,13 oder14 , bestehend aus einer Lösungsglühung bei mindestens 1253K, einer ersten Auslagerung bei mindestens 993K, einer zweiten Auslagerung bei mindestens 923K. - Verfahren nach einem oder mehreren der
Ansprüche 9 ,10 ,11 ,12 ,13 oder14 , bestehend aus einer Lösungsglühung bei mindestens 1253K, einer ersten Auslagerung bei mindestens 993K, einer zweiten Auslagerung bei mindestens 923K, sowie einer dritten Auslagerung bei mindestens 953K.
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