EP0652297B1 - Eisen- Aluminium-Legierung und Verwendung dieser Legierung - Google Patents

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EP0652297B1
EP0652297B1 EP93118045A EP93118045A EP0652297B1 EP 0652297 B1 EP0652297 B1 EP 0652297B1 EP 93118045 A EP93118045 A EP 93118045A EP 93118045 A EP93118045 A EP 93118045A EP 0652297 B1 EP0652297 B1 EP 0652297B1
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EP
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alloy
iron
ppm
aluminum
titanium
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Mohamed Dr. Nazmy
Corrado Noseda
Markus Staubli
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ABB AG Germany
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium

Definitions

  • Iron-aluminum alloys can be subjected to high thermal loads exposed to oxidizing and / or corrosive effects Parts of thermal machines can be used. You are supposed to be there increasingly special steels and nickel-based superalloys replace.
  • the invention as set out in claim 1 lies based on the task of an iron-aluminum alloy develop, which develop at temperatures of more than 700 ° C characterized by good mechanical properties. Task of Invention is also a suitable use of this alloy.
  • the alloy according to the invention exhibits even at temperatures between 700 and 800 ° C still mechanical properties that their use in mechanically slightly stressed components enable.
  • the invention is distinguished Alloy due to excellent thermal shock resistance and can therefore be used to particular advantage in thermal cycling Share thermal systems, such as in particular Housing or housing part of a gas turbine or one Turbocharger or as a nozzle ring, especially for one Turbocharger.
  • the Alloy very inexpensive by casting or by casting and make rollers.
  • Another advantage of Alloy according to the invention is that its Components have only metals, which comparatively inexpensive and independent of strategic-political Influencing are available.
  • Alloy I (alloy according to a preferred embodiment of the invention): component At.% aluminum 16.00 chrome 5.00 niobium 1.00 Silicon 1.00 boron 3.53 titanium 1.51 carbon 300ppm zirconium 100ppm iron rest
  • Alloy II (state of the art alloy) component At%. Silicon 4.00 carbon 3.35 molybdenum 1.00 manganese 0.30 phosphorus 0.01 sulfur 0.05 iron rest
  • Alloy I was tested in an arc furnace under argon Shielding gas melted. The served as starting materials individual elements with a degree of purity of more than 99%. The melt became a cast body approximately 100 mm in diameter and cast about 100 mm high. The cast body was remelted under vacuum and also under vacuum in the form of round bars with a diameter of approx. 12 mm and approx. 70 mm Length, in the form of carrots with a minimum diameter of approx. 10 mm, a maximum diameter of approx. 16 mm and one Length of about 65 mm or in the form of disc-shaped discs with a disk diameter of 80 mm, a disk thickness up to 14 mm and a radius at the edge of the disc of approx. 1 mm shed.
  • the discus-shaped Discs along the disc axis each with a hole introduced a diameter of 19.5 mm.
  • From the round bars and carrots were made specimens for tensile tests.
  • the disks were used to determine the thermal shock resistance.
  • Appropriately sized test specimens for determining the mechanical strength and thermal shock resistance have been commercially available on a large scale Alloy II used as material for gas turbine housings and a related alloy with a 25% lower alloy Share of silicon and a 40% lower share Made of molybdenum.
  • the thermal shock resistance according to Glenny was determined with the help of the disc-shaped discs. Two disks per alloy were cyclically heated to 650 ° C in a fluid bed and then cooled to 200 C with compressed air. After a certain number of such heating and cooling cycles, the number of cracks possibly forming at the edge of the panes with a crack length greater than 2 mm was then counted. The total number of cracks occurring on both disks as a function of the number of cycles is given below for alloy I according to the invention and for the two alloys according to the prior art.
  • Alloy I invention
  • Alloy II further alloy (State of the art) 140 0 0 0 240 0 2nd 1 340 0 2nd 4th 540 0 4th 4th 740 0 4th 8th
  • the alloy according to the invention comparably outperforms usable alloys according to the prior art not only in terms of mechanical strength at temperatures higher 700 ° C, but also in terms of thermal shock resistance.
  • the alloy according to the invention can therefore with particular Advantage as a material for components of thermal systems are used, which at temperatures between 700 ° C and 800 ° C still have a relatively high mechanical strength, and which, like gas turbine housings, have strong temperature changes subject to.
  • niobium By adding 0.1 to 2 at% of niobium, the hardness and the Strength of the alloy according to the invention increased. Beside or Instead of niobium, tungsten and / or tantalum can also be used Proportion of 0.1 to 2 at% can be added.
  • a proportion of 0.1 to 2 at% silicon improves the Castability of the alloy according to the invention and acts favorable for their resistance to oxidation and corrosion. Silicon also increases hardness.
  • the thermal shock, oxidation and corrosion resistance of the alloy according to the invention is considerably improved. This is primarily due to the fact that finely divided titanium diboride TiB 2 then forms in the alloy.
  • a protective layer predominantly containing aluminum oxides forms on the surface of the alloy according to the invention.
  • the titanium diboride phase contributes to a substantial stabilization of this protective layer by the titanium diboride phase engaging in the protective layer, for example in the form of acicular crystallites from the alloy, and thereby causing the protective layer to adhere particularly well to the underlying alloy.
  • the proportion of boron should not be more than 5 at% and that of titanium should not be more than 2 at%, since otherwise too much titanium diboride will form and the alloy will become brittle. If the proportion of boron is below 0.1 at% and that of titanium below 0.01 at%, the thermal shock, oxidation and corrosion resistance of the alloy according to the invention deteriorate considerably.

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Eisen-Aluminium-Legierungen können in thermisch hoch belasteten und oxidierenden und/oder korrodierenden Wirkungen ausgesetzten Teilen thermischer Maschinen verwendet werden. Sie sollen dort in zunehmendem Masse Spezialstähle sowie Nickelbasis-Superlegierungen ersetzen.
STAND DER TECHNIK
Im Literaturaufsatz "Acceptable Aluminium Additions for Minimal Environmental Effect in Iron-Aluminium Alloys", Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 288, S.971-976, beschreiben V.K.Sikka et al. eine Eisen-Aluminium-Legierung mit einem Anteil von ca. 16 At% Aluminium und ca. 5 At% Chrom, welche gegebenenfalls ca. 0,1 At% Kohlenstoff und/oder Zirkonium und/oder 1 at% Molybdän enthält. Die bekannte Legierung weist bei Raumtemperatur gegenüber Eisen-Aluminium-Legierungen mit einem Aluminiumanteil von 22 bis 28 At% eine wesentlich höhere Duktilität auf. Bei einer Temperatur von 700°C ist die Zugfestigkeit dieser Legierung mit ca. 100 MPa relativ klein. Aus der Legierung hergestellte Bauteile sollten daher nicht bei Temperaturen oberhalb 700°C verwendet werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eisen-Aluminium-Legierung zu entwickeln, welche sich bei Temperaturen von mehr als 700°C durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnet. Aufgabe der Erfindung ist auch eine geeignete Verwendung dieser Legierung.
Die erfindungsgemässe Legierung weist selbst bei Temperaturen zwischen 700 und 800°C noch mechanische Eigenschaften auf, die deren Einsatz in mechanisch geringfügig belasten Bauteilen ermöglichen. Zugleich zeichnet sich die erfindungsgemässe Legierung durch eine ausgezeichnete Thermoschockbeständigkeit aus und kann daher mit besonderem Vorteil in temperaturwechselbelasteten Teilen thermischer Anlagen, wie inbesondere als Gehäuse oder Gehäuseteil einer Gasturbine oder eines Turboladers oder als Düsenring, insbesondere für einen Turbolader, eingesetzt werden. Darüber hinaus lässt sich die Legierung sehr kostengünstig durch Giessen oder durch Giessen und Walzen herstellen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Legierung besteht darin, dass ihre Bestandteile ausschliesslich Metalle aufweisen, welche vergleichsweise preiswert und unabhängig von strategischpolitischer Beeinflussung verfügbar sind.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Figur näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Hierbei zeigt die einzige Figur ein Diagramm, in dem die Zugfestigkeit UTS [MPa] einer Legierung I nach der Erfindung und einer Legierungen II nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Temperatur T [°C ] dargestellt ist.
Die in der Figur angegebenen Legierungen I und II weisen die folgenden Zusammensetzungen auf:
Legierung I (Legierung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung):
Bestandteil At.%
Aluminium 16,00
Chrom 5,00
Niob 1,00
Silicium 1,00
Bor 3,53
Titan 1,51
Kohlenstoff 300ppm
Zirkonium 100ppm
Eisen Rest
Legierung II (Legierung nach dem Stand der Technik)
Bestandteil At%.
Silicium 4,00
Kohlenstoff 3,35
Molybdän 1,00
Mangan 0,30
Phosphor 0,01
Schwefel 0,05
Eisen Rest
Die Legierung I wurde in einem Lichtbogenofen unter Argon als Schutzgas erschmolzen. Als Ausgangsmaterialien dienten die einzelnen Elemente mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99 %. Die Schmelze wurde zu einem Gusskörper von ca. 100 mm Durchmesser und ca. 100 mm Höhe abgegossen. Der Gusskörper wurde unter Vakuum wieder aufgeschmolzen und ebenfalls unter Vakuum in Form von Rundstäben mit ca. 12 mm Durchmesser und ca. 70 mm Länge, in Form von Karotten mit einem minimalen Durchmesser von ca. 10 mm, einem maximalen Durchmesser von ca. 16 mm und einer Länge von ca. 65 mm oder in Form von diskusförmigen Scheiben mit einem Scheibendurchmesser von 80 mm, einer Scheibendicke bis zu 14 mm und einem Radius am Scheibenrand von ca.1 mm vergossen. In einem weiteren Schritt wurde in die diskusförmigen Scheiben entlang der Scheibenachse jeweils eine Bohrung mit einem Durchmesser von 19,5 mm eingebracht. Aus den Rundstäben und Karotten wurden Probekörper für Zugversuche hergestellt. Die Scheiben dienten der Bestimmung der Thermoschockbeständigkeit. Entsprechend bemessene Probekörper zur Bestimmung der mechanischen Festigkeit und der Thermoschockbeständigkeit wurden aus der kommerziell erhältlichen und in grossem Umfang als Werkstoff für Gasturbinengehäuse eingesetzten Legierung II und einer verwandten Legierung mit einem um ca. 25% geringeren Anteil an Silicium und einem um ca. 40% geringeren Anteil an Molybdän hergestellt.
Die Zugversuche wurden in Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt. Hieraus ergab sich für die erfindungsgemässe Legierung I eine Zugfestigkeit, welche bei einer Temperatur von 800°C mit ca. 100 MPa erheblich höher ist als diejenige der Legierung II nach dem Stand der Technik. Entsprechendes gilt auch für die in der Figur nicht dargestellte Legierung nach dem Stand der Technik mit reduzierten Silicium- und Molybdänanteilen.
Mit Hilfe der diskusförmigen Scheiben wurde die Thermoschockbeständigkeit nach Glenny ermittelt. Je zwei Scheiben pro Legierung wurden zyklisch jeweils in einem Fliessbett auf 650°C aufgeheizt und danach mit Pressluft auf 200 C abgekühlt. Nach einer bestimmten Anzahl solcher Aufheiz- und Abkühlzyklen wurde sodann die Anzahl von sich möglicherweise am Rand der Scheiben bildenden Rissen mit einer Risslänge grösser 2 mm gezählt. Die aufsummierte Anzahl der an beiden Scheiben auftretenden Risse in Abhängigkeit von der Zyklenzahl ist nachfolgend für die erfindungsgemässe Legierung I sowie die beiden Legierungen nach dem Stand der Technik angegeben.
Zyklenzahl Anzahl Risse grösser 2 mm
Legierung I (Erfindung) Legierung II weitere Legierung
(Stand der Technik)
140 0 0 0
240 0 2 1
340 0 2 4
540 0 4 4
740 0 4 8
Hieraus ist ersichtlich, dass bei den üblicherweise als Werkstoff für Gasturbinengehäuse verwendeten Legierungen nach dem Stand der Technik bereits nach 240 Zyklen unerwünschte Risse auftraten, wohingegen die Legierung nach der Erfindung selbst nach 740 Zyklen noch rissfrei blieb.
Die Legierung nach der Erfindung übertrifft vergleichbar verwendbare Legierungen nach dem Stand der Technik nicht nur hinsichtlich der mechanischen Festigkeit bei Temperaturen höher 700°C, sondern auch hinsichtlich der Thermoschockbeständigkeit. Die erfindungsgemässe Legierung kann daher mit besonderem Vorteil als Werkstoff für Bauteile von thermischen Anlagen verwendet werden, welche bei Temperaturen zwischen 700°C und 800°C noch eine relativ hohe mechanische Festigkeit aufweisen, und welche wie Gasturbinengehäuse starken Temperaturwechselbelastungen unterliegen.
Gute Festigkeitseigenschaften bei Temperaturen zwischen 700 und 800°C und eine hohe Thermoschockbeständigkeit weisen erfindungsgemäss ausgeführte Legierung dann auf, wenn der Aluminiumgehalt mindestens 12 und höchstens 18 At% beträgt. Sinkt der Aluminiumgehalt unter 12 At%, so verschlechtern sich die Oxidations-, die Korrosions- und die Thermoschockbeständigkeit der erfindungsgemässen Legierung. Ist der Aluminiumgehalt grösser 18 At%, so versprödet die Legierung zunehmend.
Durch Zulegieren von 0,1 bis 10 At% Chrom wird die Thermoschock-, die Oxidations- und die Korrosionsbeständigkeit weiter erhöht. Zudem wird durch Chrom die Duktilität verbessert. Zugaben von mehr als 10 At.-% Cr verschlechtern jedoch im allgemeinen die mechanischen Eigenschaften wieder.
Durch Zulegieren von 0,1 bis 2 At% Niob wird die Härte und die Festigkeit der erfindungsgemässen Legierung erhöht. Neben oder anstelle von Niob können auch Wolfram und/oder Tantal mit einem Anteil von 0,1 bis 2 At% zulegiert werden.
Ein Anteil an 0,1 bis 2 At% Silicium verbessert die Giessbarkeit der erfindungsgemässen Legierung und wirkt sich günstig auf deren Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aus. Zudem wirkt Silicium härtesteigernd.
Durch Zulegieren von 0,1 bis 5 At% Bor und 0,01 bis 2 At% Titan wird die Thermoschock-, die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemässen Legierung ganz erheblich verbessert. Dies ist vor allem dadurch bedingt, dass sich dann in der Legierung fein verteiltes Titandiborid TiB2 bildet. Bei hohen Temperaturen und unter oxidierenden und/oder korrodierenden Bedingungen bildet sich auf der Oberfläche der erfindungsgemässen Legierung eine überwiegend Aluminiumoxide enthaltende Schutzschicht aus. Die Titandiborid-Phase trägt zu einer wesentlichen Stabilisierung dieser Schutzschicht bei, indem die Titandiborid-Phase etwa in Form nadelförmiger Kristallite aus der Legierung in die Schutzschicht eingreift und dadurch eine besonders gute Haftung der Schutzschicht auf der darunterliegenden Legierung bewirkt. Der Anteil an Bor sollte nicht mehr als 5 At% und derjenige von Titan nicht mehr als 2 At% betragen, da sich andernfalls zuviel Titandiborid bildet und die Legierung versprödet. Liegt der Boranteil unter 0,1 At% und derjenige von Titan unter 0,01 At%, so verschlechtern sich die Thermoschock-, die Oxidations- und die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemässen Legierung ganz erheblich.
Eine geringfügige Erhöhung der mechanischen Festigkeit und zugleich eine erhebliche Verbesserung der Schweissbarkeit wird durch Zulegieren von 100 bis 500 ppm Kohlenstoff und 50 bis 200 ppm Zirkonium erreicht.
Besonders gute Werte der mechanischen Festigkeit und der Thermoschockbeständigkeit weisen Legierungen der folgenden Zusammensetzung auf:
  • 14 - 16 Aluminium
  • 0,5 - 1,5 Niob
  • 4 - 6 Chrom
  • 0,5 - 1,5 Silicium
  • 3 - 4 Bor
  • 1 - 2 Titan
  • ca. 300 ppm Kohlenstoff
  • ca. 100 ppm Zirkonium
       Rest Eisen.

    • Claims (4)

    1. Legierung auf der Basis von Eisen und Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile in Atomprozent enthält:
      12 - 18 Aluminium
      0,1 - 10 Chrom
      0,1 - 2 Niob
      0,1 - 2 Silicium
      0,1 - 5 Bor
      0,01 - 2 Titan
      100 - 500 ppm Kohlenstoff
      50 - 200 ppm Zirkonium
         Rest Eisen.
    2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile enthält:
      14 - 16 Aluminium
      0,5 - 1,5 Niob
      4 - 6 Chrom
      0,5 - 1,5 Silicium
      3 - 4 Bor
      1 - 2 Titan
      ca. 300 ppm Kohlenstoff
      ca. 100 ppm Zirkonium
         Rest Eisen.
    3. Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 als thermoschockbeständiger Werkstoff.
    4. Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Bildung eines heissgasführenden Bauteils, insbesondere des Gehäuses einer Gasturbine dient.
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