DE102021211652A1

DE102021211652A1 - Austenitlegierung, Rohteil und Bauteil sowie Verfahren

Info

Publication number: DE102021211652A1
Application number: DE102021211652.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Neddermeyer; Bora Kocdemir; Axel Bublitz
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20
Also published as: DE102021211652A9; WO2023061673A1; CN118103540A; DE102021211652A8; EP4377487A1; KR20240093570A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Legierung, die zumindest aufweist (in Gew.-%):

Description

Die Erfindung betrifft eine Austenitlegierung, ein Rohteil und/oder Bauteil aus dieser Legierung sowie ein Verfahren zur Herstellung.
In Korrelation zur Anwendungsbedingung werden Rotorschmiedescheiben bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt.
So wird NiCrMoV für Verdichterscheiben sowie CrMoWVNbN für 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.
Der Werkstoff auf Eisenbasis mit der höchsten Einsatztemperatur ist aktuell ein Martensit.
Für höhere Einsatztemperaturen gibt es aktuell keine Lösung.
Es gibt Überlegungen auf Scheiben auf Nickelbasis überzugehen.
Mit diesen sollten theoretisch Einsatztemperaturen größer 923K möglich sein.
Jedoch haben die Bauteile aus Nickel (Ni) folgende Nachteile, weshalb der Einsatz diskutiert wird:

- 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 nach Anspruch 1, ein Bauteil oder ein Rohteil gemäß Anspruch 6 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 7.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Beschreibung stellt nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Validierung eines austenitischen Stahls ergab die prinzipielle Anwendbarkeit für höhere Anwendungstemperaturen. Die Chemie und die Wärmebehandlung reichen prinzipiell aus, um den Herausforderungen eines Schmiedebauteils zur Nutzung in Energieerzeugungsanlagen bei Temperaturen größer 873K standzuhalten.

Die eisenbasierte Zusammensetzung weist dabei wie folgt auf (in Gew.-%) :

Kohlenstoff (C)	0,03% - 0,08%
Silizium (Si)	0,2% - 0,4%
Mangan (Mn)	1,6% - 2, 0%
Molybdän (Mo)	4,0% - 5,0%
Chrom (Cr)	20,0% - 25,0%,
insbesondere	21,5% - 23,5%,
Nickel (Ni)	24,0% - 27,0%,
insbesondere	25,0% - 26,0%,
Vanadium (V)	0,25% - 0,35%
Titan (Ti)	2,0% - 2,3%
Aluminium (Al)	bis 0,6%,
Eisen (Fe), insbesondere Rest Eisen (Fe), optional
Bor (B)	0,004% - 0,006%,
Phosphor (P)	bis 0,03%,
insbesondere bis	0,025%,
Schwefel (S)	bis 0,02%,
insbesondere bis	0,015%,
Wolfram (W)	bis 2,5%,
insbesondere	1,8% - 2,2%,
Niob (Nb):	bis 1,5%,
insbesondere	1,0% - 1,2%,
Stickstoff (N)	bis 0,005%.

Insbesondere besteht die Legierung aus diesen Elementen.
Aufbauend soll folgende Zusammensetzung vorzugsweise verwendet werden:

C Si Mn Mo Cr Ni V Ti Al optional B

0,03 - 0,08 0,2 - 0,4 1,6 - 2,0 4,0 - 5,0 20,0 - 25,0 24,0 - 27,0 0,25 - 0,35 2,0 - 2,3 0,4 - 0,6 0,004 - 0,006
Besondere Ausführungsbeispiele sind:

C Si Mn Mo Cr Ni V Ti Al B

0,03 - 0,08 0,2 - 0,4 1,6 - 2,0 4,0 - 5,0 20,0 - 25,0 24,0 - 27,0 0,25 - 0,35 2,0 - 2,3 0,4 - 0,6 0,004 - 0,006

C Si Mn Mo Cr Ni V Ti Al

0,03 - 0,08 0,2 - 0,4 1,6 - 2,0 4,0 - 5,0 20,0 - 25,0 24,0 - 27,0 0,25 - 0,35 2,0 - 2,3 0,01 - 0,06
Ein PREN-Wert (DIN 81249-2) von größer 32 ist vorzugsweise einzuhalten: $PREN = % Cr + 3,3 * % Mo .$
Der Hintergrund ist wie folgt:

a) Korrosionsbeständigkeit Durch die Erhöhung des Chromanteils von 14% auf größer 20 Gew.-%, wird die Beständigkeit gegenüber HTK2 erhöht. Hintergrund ist die Ausbildung einer stabilen Cr₂O₃-Schicht mit ausreichend hohem Chrom-Reservoir (Cr). Gleichzeitig wird durch die Erhöhung des Molybdän (Mo) die Korrosionsbeständigkeit gegenüber chlorhaltigen Medien unter Hochtemperaturkorrosionsbedingungen erhöht. Die Wirkung von Molybdän (Mo) und Chrom (Cr) ist dabei nicht auf die Hochtemperaturbereich allein festgelegt, sondern würde auch einen erhöhten Korrosionsschutz für maritime Anwendungen hervorrufen.
b) Kerbversprödung Durch die Erhöhung des Chrom- und Molybdän-Gehaltes kommt es zu einer Steigerung der Festigkeit. Diese ist einerseits gewünscht. Andererseits gilt es durch die Wahl der Anlassbedingungen darauf Einfluss zu nehmen, dass das Risiko der Kerbversprödung gering ist / ausreichend Zähigkeit vorhanden ist.

Vor diesem Hintergrund ist vorzugsweise die optimale Qualitätswärmebehandlung (QHT) durch Anlassversuche zu ermitteln. Vorzugsweise wird eine 2- oder 3-stufige QHT Anlassbehandlung verwendet.
Erste Eckpunkte hierzu stellen die folgenden Minimumtemperaturen dar.

Variante Lösungsglühung 1. Anlassen 2. Anlassen 3. Anlassen

2-stufige Anlassbehandlung >=1.243K >=1.013K >=923K ---

3-stufige Anlassbehandlung >=1.243K >=973K >=923K >=923K
Insbesondere liegen die „>=" Temperaturen bei den aufgezeigten Zahlenwerten, bspw. „>= 1.013K" liegt insbesondere bei „= 1.013K“.
Die Lösungsglühtemperatur stellt vorzugsweise immer die Maximaltemperatur dar.
Die Temperatur des 1. Anlassens liegt also insbesondere mindestens 100K oder mindestens 200K unterhalb der Lösungsglühtemperatur.
Die nachfolgenden Temperaturen für das nachfolgende 2. oder 3. Anlassen liegen insbesondere nochmals mindestens 20K tiefer im Vergleich zur Lösungsglühtemperatur.
Die Temperatur des 3. Anlassens liegt unterhalb der Temperatur des 2. Anlassens oder ist gleich.
Vorteile neben der primären Nutzung als Schmiedebauteil in Energieerzeugungsanlagen):

• 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 insbesondere bei allen probabilistischen Ansätzen.
• Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Performancesteigerung der Maschine ohne, dass externe Kühlung notwendig ist.

Ausführungsbeispiele für den Eisen-basierten (Fe) Werkstoff sind:

	EX1	EX2	EX3	EX4	EX5
C	0,05	0,03	0,07	0,08	0,03
Si	0,2	0,3	0,2	0,4	0,2
Mn	2,0	1,7	1,8	1,6	1,9
Mo	4, 2	4,8	4, 2	4,1	4, 9
Cr	21,2	24,9	23,7	24,7	20,5
Ni	24,3	24,1	26,7	24,9	25,5
V	0,29	0,31	0,30	0,26	0,33
Ti	2,1	2,1	2,2	2,2	2,3
Al	0,44	0,44	0,57	0, 05	0, 01
B	0, 004	0,005	0, 004	-	-

Claims

Legierung, zumindest aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.-%): Kohlenstoff (C) 0,03% - 0,08% Silizium (Si) 0,2% - 0,4% Mangan (Mn) 1,6% - 2, 0% Molybdän (Mo) 4,0% - 5,0% Chrom (Cr) 20,0% - 25,0%, insbesondere 21,5% - 23,5%, Nickel (Ni) 24,0% - 27,0%, insbesondere 25,0% - 26,0%, Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Titan (Ti) 2,0% - 2,3% Aluminium (Al) bis 0,6% Eisen (Fe), insbesondere Rest Eisen (Fe), optional Bor (B) 0,004% - 0,006% Wolfram (W) bis 2,5%, insbesondere 1,8% - 2,2%, Niob (Nb): bis 1,5%, insbesondere 1,0% - 1,2%, Stickstoff (N) bis 0,005% Phosphor (P) bis 0,03%, insbesondere bis 0,025%, Schwefel (S) bis 0,02%, insbesondere bis 0,015%.
Legierung nach Anspruch 1, aufweisend ein, insbesondere zwei, ganz insbesondere aufweisend alle Elemente aus der Gruppe: Bor (B), Wolfram (W) und Niob (Nb).
Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, aufweisend 0,4% bis 0,6% Aluminium (Al).
Legierung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, aufweisend bis 0,06% Aluminium (Al), insbesondere bis 0,01% Aluminium (Al), ganz insbesondere 0,004% - 0,006% Aluminium (Al).
Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 mit einem Wert: %Cr + 3,3%Mo ≥ 32.
Rohteil oder Bauteil aufweisend eine Legierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5.
Verfahren zur Wärmebehandlung einer Legierung, eines Rohteils oder eines Bauteils nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 oder 6, mittels Lösungsglühen, insbesondere einmaligem Lösungsglühen und zumindest zweimal Anlassen, insbesondere nur zweimal Anlassen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem eine Lösungsglühung bei mindestens 1.243K stattfindet, insbesondere bei 1.243K.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein erstes Anlassen bei einer Temperatur von mindestens 100K unterhalb der Lösungsglühung stattfindet, insbesondere bei mindestens 1.013K stattfindet, ganz insbesondere bei 1.013K.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem ein erstes Anlassen bei einer Temperatur von mindestens 100K unterhalb der Lösungsglühung stattfindet, insbesondere bei mindestens 973K stattfindet, ganz insbesondere bei 973K.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9 oder 10, bei dem eine zweite Anlasstemperatur mindestens 20K niedriger liegt als die erste Anlasstemperatur.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9, 10 oder 11, bei dem eine zweite Anlasstemperatur bei mindestens 923K liegt, insbesondere bei 923K.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, bei dem eine dritte Anlasstemperatur nicht höher liegt als die zweite Anlasstemperatur.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, bei dem eine dritte Anlasstemperatur bei mindestens 923K liegt, insbesondere bei 923K.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, mittels Lösungsglühen und nur dreimaligem Anlassen.