DE69923318T2

DE69923318T2 - Fortentwickelte ultrasuperkritische boilerrohrlegierung

Info

Publication number: DE69923318T2
Application number: DE69923318T
Authority: DE
Inventors: Darrell Gaylord SMITH; Jayantilal Shailesh PATEL; Charles Norman FARR
Original assignee: Inco Alloys International Inc
Current assignee: Huntington Alloys Corp
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: WO1999067436A1; EP1095167B1; ATE287456T1; US6258317B1; BR9911850A; EP1095167A4; DE69923318D1; EP1095167A1; CA2336209A1; JP2002518599A

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft hochfeste Legierungen, die Korrosionsstabilität bei hohen Temperaturen besitzen. Insbesondere bezieht sie sich auf Legierungen mit ausreichender Stabilität, Korrosionswiderstand, thermischer Beständigkeit und Herstellbarkeit für die Verwendung in superüberkritischen Dampfkesselrohren.
Hintergrund der Erfindung
Um den ständig ansteigenden Bedarf nach Elektroenergie bei niedrigen Abnehmerkosten zu entsprechen, planen Kraftwerkskonstrukteure neue Einrichtungen, die mit Dampfdrücken und -temperaturen arbeiten, die deutlich über den derzeit eingesetzten liegen. Um ihren Wirkungsgrad auf über 60% zu erhöhen, gegenüber den heute erreichten Werten von etwa 47%, müssen die Dampfparameter auf Werte von 375 bar/700°C angehoben werden gegenüber den heutigen typischen Bedingungen von 290 bar/580°C. Eine kostengünstige Legierung für ein Überhitzerrohr, das den erhöhten Dampfparametern genügt, existiert gegenwärtig leider nicht. Die Überprüfung der gegenwärtig verfügbaren Dampfkesselrohrlegierungen offenbart die Schwierigkeit im Erreichen der erforderlichen Kombination von Festigkeit, Korrosionswiderstandsfähigkeit, thermischer Stabilität und Verarbeitbarkeit.
Um der 38 MPa (entwickelt für 375 bar Dampfdruck) Rohrbelastungsprüfung von Dampfrohren zu entsprechen, muss die 100 000 Stunden dauernde Bruchbelastung 100 MPa bei 750°C überschreiten (im mittleren Rohrwandradius muss notwendigerweise eine Dampftemperatur an der Innenwand-Oberfläche von 700°C aufrechterhalten werden). Wegen der durch Kohlenasche verursachten Korrosion findet ein Abbau der meisten Legierungen für Überhitzerrohre statt und die Kraftwerkskonstrukteure geben strenge Toleranzen für in Frage kommende Legierungen vor. Der gesamte Metallverlust als Folge der Dampferosion an der Innenwand und an der Außenwand durch Kohlenasche/Abgaskorrosion darf nicht mehr als 2 mm in 200.000 Stunden betragen (vorgegebene Lebensdauer für die Überhitzereinheit des Dampfkessels bei Arbeitstemperaturen zwischen 700°C und 800°C). Außerdem dürfen die Rohrabmessungen vorrangig aus Gründen der Wirtschaftlichkeit 50 mm Außendurchmesser (A.D.) und 8 mm Wandstärke und optimal weniger als 40 mm A.D., bei einer maximalen Wandstärke von 6 mm, betragen. Ferner muss die Legierung in hohen Ausbeuten erhältlich sein bei Einsatz von herkömmlichen Rohrherstellungsverfahren und -vorrichtungen. Dies übt einen hohen Zwang aus auf Kalthärtungsgeschwindigkeit und Streckgrenze der möglichen Legierungsbereiche, was gegenläufig ist zu den Erfordernissen für höchste Festigkeit und Belastungsbruchhaltbarkeit bei Arbeitstemperaturen.
Um die Anforderungen der Dampfkesselrohrfestigkeit zu erreichen, müssen ferritische und austenitische Stähle ausgeschlossen werden und sogar stabile Legierungen auf Nickelbasis besitzen keine entsprechende Festigkeit. Eine Forderung sind primäre Gamma-Phase enthaltende Legierungen, wenn auch praktisch alle primäre Gamma-Phase enthaltenden Legierungen einen Mangel an entsprechendem Anteil Chrom besitzen, um einen zufriedenstellenden Kohlenasche/Abgaskorrosionswiderstand zu gewährleisten und einige von diesen hochfesten Legierungen besitzen eine ausreichende Formbarkeit zur Rohrherstellung. Ein Chromzusatz kann den Verfestigkeitsmechanismus verschlechtern und falls im Überschuss zugesetzt, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung , kann daraus Versprödung durch Sigma-, My- oder Alpha-Chrom-Ausfall resultieren. Um dampfseitig akzeptable Festigkeitswerte bei der Ausfallzeit („downtime") bezüglich der Spannungsrisskorrosion (SCC) und Lochfraß, während der Betriebsdauer, aufzuweisen, muss ein Mindestanteil an Nickel und vorzugsweise ein Mindestanteil an Molybdän in der Legierung vorhanden sein. Da der Bereich zwischen 700°C und 800°C ein sehr aktives Gebiet für die Karbidbildung und für versprödenden Phasenniederschlag darstellt, müssen die Legierungsbestandteile in der Nickel- und Kobaltmatrix sehr genau festgelegt sein. Eine Legierung auf Nickelbasis für den Hochtemperatureinsatz ist bekannt aus US-A-40 39 330.
Die Verarbeitung an Ort und Stelle schränkt die Zusammensetzung ein. Die Rohre müssen sich während der Herstellung der Dampfkesselüberhitzer biegen und schweißen lassen, weshalb notwendig ist, dass die Legierung im geglühten Zustand geliefert wird (niedrigstmögliche praktische Streckgrenze). Dagegen verlangen die Festigkeitsanforderungen unter Betriebsbedingungen die höchstmögliche Festigkeit bei Betriebstemperatur und erfordert, dass die Legierung einer Alterung durch Hitzebehandlung unterworfen wird, um maximale Festigkeit zu erreichen. Die Behandlung dieser anscheinend entgegenstehenden Anforderungen und schließlich die Lösung dieser Materialherausforderung sind die Aufgabe der Erfindung für eine kostengünstige Legierung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Legierung auf Nickelbasis zur Verfügung, die geeignet ist für den Einsatz als Dampfkesselüberhitzerrohr, wie in den zugehörigen Ansprüchen dargelegt.
Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt die Grenzbelastungszeit (logarithmisch) gegen die Temperatur aufgetragen bei gleicher Belastung von 100 MPa.
2 beschreibt das Volumen an primärem Gamma von 0 bis 20 Volumenprozent für Nickel-20 Kobalt-23 Chrom-3-Molybdän als Funktion vom Aluminium-, Titan- und Niobgehalt bei einem Titan- zu Niob-Verhältnis von 1,5 zu 0,7.
3 beschreibt die Zusammensetzungsphasengrenzen bei 750°C für die Ausbildung der Sigmaphase für den Aluminium-Bereich 0,6 bis 1,2 Gewichtsprozent in einer Nickel-20 Kobalt-23 Chrom-6-Molybdän-Matrix.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Diese Ni-Cr-Co-Legierung hat eine hinreichende Festigkeit, Korrosionswiderstand, thermische Stabilität und Herstellbarkeit, um verschiedenen herausfordernden Hochtemperaturanwendungen zu dienen. Ihr hoher Chromgehalt in Kombination mit einer relativ kleinen Menge Molybdän und primären Gamma-Festigkeitsausbildnern verbessern den Korrosionswiderstand und die Festigkeit der Legierung ohne die thermische Beständigkeit und die Herstellbarkeit negativ zu beeinflussen.
Die Wirkungsweise verschiedener kritischer Elemente bestimmen die Eigenschaften oder Kennzeichen der Legierungen. Zum Beispiel führt die Kombination mit den Elementen Aluminium, Niob und Titan zu einer minimalen Festigkeit und schränkt die Herstellbarkeit der Legierung ein. Außerdem erklärt das Gesamtverhältnis von Chrom, Aluminium, Titan und Niob, wie in Gleichung (1) dargestellt, die geringen Spielräume der Zusammensetzung für eine akzeptable Korrosionsbeständigkeit gegenüber Kohlenasche/Abgas. Karbide und Versprödungsphasenbildung begrenzen hauptsächlich die maximalen Anteile von Chrom, Molybdän, Titan, Niob und Kohlenstoff in Gewichtsprozent. Vgl. Gleichung (2). Ein Mindestanteil von 45 Gewichtsprozent Nickel und 2,4 Gewichtsprozent Molybdän erzeugt einen Widerstand zur dampfseitigen Spannungsrisskorrosion (SCC) und Lochfraß – diese Beschreibung gibt alle Elemente in Gewichtsprozent an, wenn nicht ausdrücklich anders verwiesen wird. Ein geringer Bereich von Gewichtsprozenten Aluminium, Titan und Niob erleichtert die Verarbeitung und die Alterung bei der Wärmebehandlung, so dass die Legierung extreme Festigkeit in den ersten Betriebsstunden besitzt und trotzdem eine angemessene Herstellbarkeit vor Ort aufweist.
Der Mindestgehalt an Legierungsbestandteilen für eine akzeptable Belastungsbruchfestigkeit ist durch Gleichung (3) gegeben und den maximalen Legierungsgehalt für akzeptable Verarbeitbarkeit beschreibt Gleichung (4).
Die Zusammensetzungsbegrenzungen für einen akzeptablen Korrosionsverlust des Metalls von 2 mm in 200.000 Stunden bei 700°C bis 800°C sind erreicht, wenn die Zusammensetzung begrenzt wird durch: %Cr + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≥ 24%, vorzugsweise ≥ 25% (1)
Anmerkung: Gleichung 1 erfordert einen Mindestanteil Gewichtsprozent Chrom von zumindest 22,6% für einen angemessenen Korrosionswiderstand.
Demgegenüber bewegt sich der Maximalgehalt der Zusammensetzung unterhalb der Ausbildung von Versprödungsphasen wie folgt: %Cr + 0,8×%Mo + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≤ 37,5, vorzugsweise ≤ 35,0% (2)
Anmerkung: Gleichung 2 legt einen maximalen Gewichtsprozentgehalt Chrom auf weniger oder gleich 30 fest, vorzugsweise 28,5, um die schädliche Ausbildung von Versprödungsphasen, wie z.B. die Sigma-Phase zu begrenzen. Um die Karbid-Ausfällung zu minimieren, muss der maximale Gewichtsprozentgehalt an Kohlenstoff weniger oder gleich 0,30 und vorzugsweise weniger als 0,15 betragen.
Die Formel für eine geringe Alterung durch eine 100.000stündige 100 Mpa-Belastungsbruchhaltbarkeit bei 750°C ist: %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≥ 1,7%, vorzugsweise ≥ 2,0%. (3)
Die maximalen Zusammensetzungswerte für die Gewährleistung der Verarbeitbarkeit sind: %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≤ 3,4%, vorzugsweise ≤ 3,0%. (4)
Ein Minimum von wenigstens 10 Gewichtsprozent Kobalt stärkt die Matrix und steigert die Bruchfestigkeit. Weitere Erhöhungen des Kobaltgehaltes erleichtern das Erreichen der notwendigen Härte. Jedoch neigen Kobaltgehalte über 24 Gewichtsprozent zur Verringerung der thermischen Stabilität der Legierung. Die Legierung akzeptiert Eisen als Verunreinigung. Allgemein verbessert ein abnehmender Eisenanteil die Korrosionswiderstandseigenschaften.
Für den gewerblichen Wiedereinsatz bedeutet dies, dass das Zulassen kleiner Anteile an Eisen in der Legierung die Kostensenkung für diese Legierung unterstützt.
Die Legierung toleriert bis zu 2 Gewichtsprozente Mangan, ohne übermäßig die Korrosionseigenschaften zu verlieren. Obwohl nicht kritisch für die Legierung, trägt dieses Element zur Herstellbarkeit und Festigkeit bei, indem es Schwefel bindet. Außerdem akzeptiert dieses Legierungssystem Silizium als eine Verunreinigung. Aus wirtschaftlichen Kostenerwägungen kann die Legierung trotzdem bis zu einem Gewichtsprozent Silizium enthalten.
Weniger als 0,01 Gewichtsprozent Zirkonium verbessern die Oxidationsstabilität der Legierung. Zirkonium in Mengen von mehr als 0,3 Gewichtsprozent jedoch verschlechtert die Herstellbarkeit der Legierung. Im Gegensatz zu Zirkonium verbessern 0,001 bis 0,01 Gewichtsprozent Bor die Warmverformbarkeit der Legierung. Kohlenstoff in Mengen von 0,005 bis 0,3 Gewichtsprozent verbessert die Festigkeit der Matrix.
Tantal und Wolfram repräsentieren wichtige Verunreinigungen, welche die gesamten Eigenschaften der Legierung verschlechtern. Um den Korrosionswiderstand und die thermische Stabilität zu erhalten, sollte die Gesamtmenge Molybdän plus Tantal plus Wolfram unter 6 Gewichtsprozent bleiben. Für optimale Ergebnisse sollte diese Gesamtmenge unter 3,5 Gewichtsprozent liegen.
Gleichungen 1 bis 4 in Verbindung mit Tabelle 1 zeigen nachfolgend die Bereiche zur Erzielung der besten Kombination von Eigenschaften. Tabelle 1

(1) Plus begleitende Verunreinigungen

Tabelle 2A liefert spezifische Legierungsbeispiele im Bereich der Erfindung
Tabelle 2A
All die in der Tabelle 2A aufgestellten Zusammensetzungen enthalten nominell 0,005 Gewichtsprozent Bor, 0,06 bis 0,15 Gewichtsprozent Zirkonium, weniger als 0,05 Gewichtsprozent Tantal und weniger als 0,2 Gewichtsprozent Wolfram.
Tabelle 2B liefert spezifische Beispiele von Legierungen außerhalb des Bereiches der Erfindung.
Tabelle 2B
Zuverlässigkeitsprüfung auf Kohlenasche/Abgas-Korrosionswiderstand
Es ist unbedingt notwendig, dass vorgeschlagene Legierungen für Dampfkesselüberhitzerrohre eine überragende Korrosionsfestigkeit gegenüber Kohlenasche/ Abgas aufweisen, um den Vorgaben der Dampfkesselkonstrukteure für eine 200.000stündige Laufdauer bei 700°C bis 800°C zu entsprechen. Feuerseitige Hochtemperaturkorrosion in herkömmlichen Dampfkesseln wird verursacht durch Abgasoxidation und Flüssigphasen-Kohlenaschekorrosion. Kohlenaschekorrosion wird üblicherweise als Folge der Anwesenheit von flüssigen Sulfaten auf der Oberfläche der Rohrleitungen unterhalb einer darüberliegenden Ascheablagerung angesehen. Diese Korrosionsrate ist legierungsabhängig und ist auch eine Funktion der Mengen an Natrium- und Kaliumsulfat, die in der Kohlenasche vorhanden sind und der SO₂-Konzentration im Abgas. Es wird allgemein angenommen, dass das Ausmaß der Korrosion bei etwa 700°C am stärksten ausgeprägt ist. Die Verdampfung des flüssigen Sulfates bei Temperaturen über 700°C ist verantwortlich für den Rückgang der Korrosionsrate bei etwas höheren Temperaturen. Damit diese Legierungen für diesen Einsatz in Frage kommen, werden Zuverlässigkeitsprüfungen bei 700°C in einer Abgasströmungsatmosphäre mit 15% CO₂-4%O₂-1,0%SO₂-Rest N₂ mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 250 cm³ pro Minute durchgeführt. Die Muster wurden mit einer synthetischen Kohlenasche der Zusammensetzung 2,5% Na₂SO₄-2,5%K₂SO₄-31,67%Fe₂O₃-31,67%SiO₂-31,67%Al₂O₃ beschichtet. Bolzen mit etwa 9,5 mm Durchmesser und 19,1 mm Länge wurden aus im Vakuum geschmolzenen, warm verarbeiteten und ausgeglühten Stäben hergestellt. Jeder Bolzen erhielt eine 120 Grit-Abschlussbehandlung und wurde anschließend beschichtet unter Verwendung einer wässrigen Aufschlämmung der Kohlenasche. Das Gewicht der Kohlenaschebeschichtung betrug etwa 15 mg/cm². Die Zuverlässigkeitsprüfung wurde über einen Zeitraum von 1000 Stunden durchgeführt und danach wurden die Muster metallographisch geprüft und die Metallverlustrate und die Tiefe durch Sulfidierungseinwirkung bestimmt. Die Muster, die eine Metallverlustrate oder eine Sulfidierungstiefe von weniger als 0,01 mm in 1000 Stunden aufweisen, würden einen Korrosionsverlust von weniger als 2 mm in 200.000 Stunden haben. Tabelle 3 zeigt diese Ergebnisse für die Zusammensetzungen aus Tabelle 2A und B.
Tabelle 3
Die Legierungen in Tabelle 3 mussten einer Korrosionsfestigkeitsprüfung auf eine Korrosionsrate von 0,01 mm oder weniger nach 1000 Stunden bei 700°C in Kohlenasche/Abgas zur Begutachtung der mechanischen Eigenschaften passieren.
Zuverlässigkeitsprüfung für eine 100.000 ständige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C Die Dampfkesselkonstrukteure haben festgelegt, dass eine Legierung für den Rohrleitungsbau, die in der Lage ist, eine 100.000stündige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C zu erreichen, ihren Konstruktionskriterien entspricht. Dieses strenge Niveau überscheitet die Kriterien von herkömmlichen Dampfkesselrohrlegierungen und tatsächlich aller vorhandenen, auf Eisen- und Nickelbasis beruhenden Festlösungslegierungen. Die primären gammaverfestigten Legierungen haben die Möglichkeit, diese Festigkeitsbereiche zu erreichen. Jedoch besitzen diese Legierungen typisch einen niedrigen Chromgehalt, welcher ihren Korrosionswiderstand begrenzt, und größtenteils sind sie zu hart und wenig biegsam, sogar unter Glühbedingungen, um daraus Rohre zu fertigen. Die Legierung A in Tabelle 2 ist eine primäre gammaverfestigte Legierung, die sowohl in der Rohrfertigung eingesetzt werden kann und auch die Festigkeitsziele erreicht. Mit Bezug auf 1 würden Legierungen, deren Datenpunkte rechts von der Legierung A eingetragen sind, ebenfalls den strengen Anforderungen genügen, während diejenigen links von der Legierung A, vorzeitig bei der 100.000stündigen 100 MPa Belastung bei 750°C ausfallen würden. Tabelle 4A enthält die Zusammensetzungsgrenzwerte und die Auswertung der Legierungen auf bestanden/durchgefallen innerhalb der Patentanmeldung und Tabelle 4B stellt die Ergebnisse der Legierungen von Tabelle 2B vor. Die Legierungen D, G, I, K, L, und M, welche die Korrosionszuverlässigkeitsprüfung bestanden haben, genügen nicht den Festigkeitsanforderungen; die Legierungen A, B und C fallen durch die Korrosionszuverlässigkeitsprüfung, bestehen aber die Festigkeitszuverlässigkeitsprüfung; während die Legierungen E, F, H und J beide Zuverlässigkeitsprüfungen nicht bestehen.
Tabelle 4A
Tabelle 4B
Das für die Untersuchung der mikrostrukturellen Phasen benutzte ThermoCalc (ein analytisches Programm, das auf thermodynamischen Daten beruht und Aussagen zur Phasenstabilität macht) führt zur Schlussfolgerung, dass eine Mindestmenge von 12 Volumenprozent primären Gammaanteil erforderlich ist, um die Zielstellung für die 100.000stündige 100 Mpa Belastungshaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C zu erreichen und dass die Legierungen, die etwa 18 bis 20% primären Gammaanteil enthalten, zu hart oder zu wenig verformbar sind, um daraus Rohre zu fertigen. Mit Bezug auf 2 wird der bevorzugte Zusammensetzungsbereich als kreuzschraffiertes Gebiet bei einem Titan- zu Niob-Verhältnis von 1,5 zu 0,7, aufgezeigt. Vier Verläufe aus Tabelle 2, die durch dieses Verhältnis festgelegt sind, sind als Verlaufsnummer eingetragen.
Zuverlässigkeitsprüfung auf Stabilität der mechanischen Eigenschaften
Die Stabilität der mechanischen Eigenschaften über die geforderte Standzeit von 200.000 Stunden bei den veranschlagten Betriebstemperaturen verlangt Phasenstabilität der Rohrlegierung, um den Belastungen des periodischen Betriebes, den Temperaturschwankungen und den Spitzenbelastungen über kurze Zeiträume zu widerstehen. Hochtemperaturlegierungen sind insbesondere anfällig für die Karbid-Absetzungung und Versprödungsphasen im Bereich von 700°C bis 800°C. Die Kohlenstoffbegrenzung auf 0,3% und vorzugsweise auf weniger als 0,15 ist wichtig, wenn die Cr₂₃C₆ und (Cr,Mo)₆C-Karbidtypen auf einem akzeptierbaren Niveau gehalten werden sollen.
Dies ist deshalb maßgeblich, weil der Gehalt von 22,6-30% Chrom für den Korrosionswiderstand erforderlich ist. Wenn Versprödungsphasen vermieden werden sollen, wie Sigma-, My- und Alpha-Chrom, muss der maximale Gehalt an Chrom, Molybdän, Aluminium, Titan und Niob begrenzt werden. Tabelle 5A zeigt die Zusammensetzungsbegrenzungen, wie sie durch Gleichung (2) festgelegt werden, für die oberen Begrenzungen des maximalen Versprödungsphasengehaltes für die Legierungen dieser Erfindung und Tabelle 5B für die Legierungen außerhalb der Begrenzungen dieser Patentanmeldung zur allgemeinen Information.
Tabelle 5A
Tabelle 5 B
sEs ist von höchster Wichtigkeit, dass die Legierungen soweit wie möglich frei sind von Sigma-, My- und Alpha-Chrom. Dass die Legierungen mit dieser Begrenzung in Gedanken entwickelt wurden, ist in 3 zu sehen. Dass der Aluminiumgehalt wichtig ist, wird durch die Rolle hervorgehoben, die Aluminium bei der Bildung von primärem Gamma (Ni₃Al) spielt, wodurch der Anteil an Nickel bei der Stabilisierung der Matrix gegen auf Chrom basierenden Phasen vermindert wird. Ausgesuchte Legierungen aus Tabelle 2A sind unter ihrer Kennzeichnungsnummer als Funktion ihres Chrom- und Molybdängehaltes aufgeführt. Überraschenderweise ist diese Begrenzung wichtig hinsichtlich des Molybdängehaltes insofern, dass Legierungen mit übermäßig Molybdän (über seiner Löslichkeitsgrenze) eine deutlich verringerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Kohlenasche/Abgas-Korrosion aufweisen. 3 sagt voraus, dass die Legierungen 3 und 4 vollständig frei von Sigmaphase sind, während kleine Anteile an Sigmaphase sich potentiell im Rest der Legierungen von Tabelle 2A bilden. Tabelle 6 stellt die Korrosionsrate der geeigneten Legierungen als Funktion des Molybdängehaltes, bei nahezu konstanten Chrom-Niveau von 23 Gewichtsprozent gegenüber.
Tabelle 6
Diese Legierung auf Nickelbasis ist geeignet für vielfältige Hochtemperatur-Hochbelastungsanwendungen, wie z.B. für Gasturbinenmotoren und Hochtemperatur dampfkessel. Die Verarbeitbarkeit erlaubt Herstellungen diesen Legierungsbereich zu Platten, Blechen, Streifen oder Rohren auf herkömmlichen Produktionseinrichtungen zu formen. Der Legierungsbereich besitzt Festigkeit, Korrosionswiderstand, thermische Stabilität und Fertigungsvermögen für fortschrittliche ultraüberkritische Dampfkesselrohre. Die Rohre aus dieser Legierung mit einer Wandstärke größer als 4 mm und einem Außendurchmesser von 36 mm besitzen die einzigartige Fähigkeit, dass sie die 100.000stündige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C und einer Kohlenasche-/Abgas-Korrosion von weniger als 2 mm, für 200.000 Stunden, bei einer Temperatur von 700°C, überschreiten.

Claims

Legierung auf Nickelbasis, welche für die Verwendung als Dampfkesselüberhitzerrohr geeignet ist, und welche aus, in Gewichtsprozent angegeben, 10 bis 24 Cobalt, 22,6 bis 30 Chrom, 2,4 bis 6 Molybdän, 0 bis 9 Eisen, 0,2 bis 3,2 Aluminium, 0,2 bis 2,8 Titan, 0,1 bis 2,5 Niob, 0 bis 2 Mangan, 0 bis 1 Silizium, 0,01 bis 0,3 Zirkonium, 0,001 bis 0,01 Bor, 0,005 bis 0,3 Kohlenstoff, 0 bis 0,8 Wolfram, 0 bis 0,8 Tantal und dem Rest an Nickel und begleitenden Verunreinigungen besteht, und welche weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß sie die Gleichungen %Cr + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≥ 24%; 1) %Cr + 0,8×%Mo + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≤ 37,5%; 2) %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≥ 1,7%, 3) %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≤ 3,0% 4)erfüllt; und worin die Legierung 12 bis 18 Volumenprozent an Gamma-Prime-Phase umfasst.
Legierung nach Anspruch 1, umfassend 12 bis 23 Cobalt, 22,8 bis 29 Chrom, 2,4 bis 5 Molybdän, 0,3 bis 2,5 Aluminium, 0,3 bis 2,7 Titan und 0,2 bis 2,2 Niob.
Legierung nach Anspruch 1, umfassend 0,1 bis 4 Eisen, 0,1 bis 1 Mangan, 0,1 bis 0,8 Silizium, 0,01 bis 0,2 Zirkonium, 0,002 bis 0,009 Bor, 0,01 bis 0,2 Kohlenstoff und 0 bis 0,8 Tantal.
Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine 100.000 stündige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C.
Legierung nach Anspruch 1, umfassend 12 bis 23 Cobalt, 22,8 bis 29 Chrom, 2,4 bis 5 Molybdän, 0,1 bis 4 Eisen, 0,3 bis 2,5 Aluminium, 0,3 bis 2,7 Titan, 0,2 bis 2,2 Niob, 0,1 bis 1 Mangan, 0,1 bis 0,8 Silizium, 0,01 bis 0,2 Zirkonium, 0,002 bis 0,009 Bor, 0,01 bis 0,2 Kohlenstoff und 0 bis 0,8 Tantal.
Legierung nach Anspruch 5, umfassend 15 bis 22 Cobalt, 23 bis 28 Chrom, 2,5 bis 3,5 Molybdän, 0,5 bis 2 Aluminium, 0,4 bis 2,6 Titan und 0,8 bis 2,1 Niob.
Legierung nach Anspruch 5, umfassend 0,3 bis 2 Eisen, 0,1 bis 0,5 Mangan, 0,2 bis 0,7 Silizium, 0,03 bis 0,15 Zirkonium, 0,003 bis 0,008 Bor, 0,02 bis 0,15 Kohlenstoff und 0 bis 0,7 Tantal.
Legierung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine 1000.000 stündige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C.
Legierung nach Anspruch 1, umfassend 15 bis 22 Cobalt, 23 bis 28 Chrom, 2,5 bis 3,5 Molybdän, 0,3 bis 2 Eisen, 0,5 bis 2 Aluminium, 0,4 bis 2,6 Titan, 0,8 bis 2,1 Niob, 0,1 bis 0,5 Mangan, 0,2 bis 0,7 Silizium, 0,03 bis 0,15 Zirkonium, 0,003 bis 0,008 Bor, 0,02 bis 0,15 Kohlenstoff und 0 bis 0,7 Tantal und die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß sie die Gleichungen %Cr + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≥ 24%; 1) %Cr + 0,8×%Mo + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≤ 37,5%; 2) %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≥ 1,7%, 3) %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≤ 3,0% 4)erfüllt; und worin die Legierung 12 bis 18 Volumenprozent an Gamma-Prime-Phase umfasst.
Legierung nach Anspruch 9, umfassend 18 bis 21 Cobalt, 23,5 bis 25 Chrom, 2,8 bis 3,2 Molybdän, 0,8 bis 1,8 Aluminium, 0,5 bis 2,5 Titan und 1,2 bis 2 Niob.
Legierung nach Anspruch 10, umfassend 0,5 bis 1 Eisen, 0,2 bis 0,4 Mangan, 0,3 bis 0,6 Silizium, 0,05 bis 0,1 Zirkonium, 0,004 bis 0,007 Bor, 0,03 bis 0,12 Kohlenstoff und 0 bis 0,5 Tantal.
Legierung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine 100.000 ständige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C.
Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mikrostruktur, welche stabilisiert ist und für den 375 bar/700°C Dampfbetrieb verstärkt ist und legiert ist, um Kohlenasche/Rauchgas für 200.000 Stunden zu widerstehen.
Legierung nach Anspruch 1, umfassend 18 bis 21 Cobalt, 23,5 bis 25 Chrom, 2,8 bis 3,2 Molybdän, 0,5 bis 1 Eisen, 0,8 bis 1,8 Aluminium, 0,5 bis 2,5 Titan, 1,2 bis 2,0 Niob, 0,2 bis 0,4 Mangan, 0,3 bis 0,6 Silizium, 0,05 bis 0,1 Zirkonium, 0,004 bis 0,007 Bor, 0,03 bis 0,12 Kohlenstoff, 0 bis 0,8 Wolfram und 0 bis 0,5 Tantal und die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß sie die Gleichungen %Cr + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≥ 24%; 1) %Cr + 0,8×%Mo + 0,6×%Ti + 0,5×%Al + 0,3×%Nb ≤ 37,5%; 2) %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≥ 1,7% 3)und %Al + 0,56×%Ti + 0,29×%Nb ≤ 3,0% 4)erfüllt.
Legierung nach Anspruch 14, umfassend 12 bis 18 Volumenprozent an Gamma-Prime-Phase.
Legierung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine 100.000 ständige 100 MPa Belastungsbruchhaltbarkeit bei einer Temperatur von 750°C.
Verwendung einer Rohrleitung hergestellt aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einem Dampfkesselüberhitzer oder einem ultra-überkritischen Dampfkessel.