EP4204595A1 - Martensitischer stahl mit verzögerter z-phasenbildung, pulver sowie rohteil oder bauteil - Google Patents

Martensitischer stahl mit verzögerter z-phasenbildung, pulver sowie rohteil oder bauteil

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EP4204595A1
EP4204595A1 EP21773009.2A EP21773009A EP4204595A1 EP 4204595 A1 EP4204595 A1 EP 4204595A1 EP 21773009 A EP21773009 A EP 21773009A EP 4204595 A1 EP4204595 A1 EP 4204595A1
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EP
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powder
alloy
blank
component according
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Pending
Application number
EP21773009.2A
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Inventor
Torsten Neddemeyer
Axel Bublitz
Torsten-Ulf Kern
Karsten Kolk
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • B22F5/009—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine components other than turbine blades

Definitions

  • the invention relates to a martensitic steel with delayed Z-phase formation, powder and a blank or a component from it.
  • forged rotor disks of turbines in particular gas turbines, have hitherto been made from various forged steels.
  • a steel based on NiCrMoV is used for compressor disks and a steel based on CrMoWVNbN for turbine disks.
  • the application conditions and design requirements are decisive for the choice of forging material.
  • the material with the highest application temperature is currently a CrMoWVNbN-based steel and a CrMoCoVB-based steel.
  • Nickel materials are currently being discussed for higher operating temperatures.
  • the object is achieved by an alloy according to claim 1, a powder according to claim 2 and a blank or component according to claim 3.
  • the alloy according to the invention has at least (in % by weight): carbon (C): 0.16% - 0.24%, preferably 0.19% - 0.21%, silicon (Si): 0.0% - 0.08%, preferably 0.0% - 0.06%, more preferably 0.02% - 0.06%, Manganese (Mn): 0.04% - 0.16%, preferably 0.07% - 0 1.13%, chromium (Cr): 10.6% - 11.5%, preferably 11.2% - 11.5%, more preferably 11.2%, molybdenum (Mo) : 0.5% - 0.9% %, preferably 0.7%, tungsten (W) : 2.2% - 2.6%, preferably 2.3% - 2.5%, more preferably 2.45%, cobalt (Co) : 3.0% - 3.6%, preferably 3.25% - 3.40%, nickel (Ni): 0.09% - 0.19%, preferably 0.13% - 0.17%, Boron (B) :
  • Remainder iron consisting in particular of these elements.
  • silicon (Si) has the positive effect of making the melt more fluid and also serves as a deoxidizing agent. Another positive influence of silicon (Si) is that it increases tensile strength, yield point and resistance to scaling.
  • chromium (Cr) and cobalt (Co) also play an important role. They increase oxidation resistance and increase heat resistance.
  • a titanium (Ti)/nitrogen (N) ratio of 1.5 to 2 has proven advantageous.
  • An advantageous embodiment is (in % by weight): carbon (C): 0.20%, silicon (Si): ⁇ 0.08%, manganese (Mn): 0.10%, chromium (Cr): 11, 2%, molybdenum (Mo) : 0.7%, tungsten (W) : 2.4%, cobalt (Co) : 3.3%, nickel (Ni) : 0.15%, boron (B) : 0, 0.05%, nitrogen (N) : 0.013%, titanium (Ti) : 0.02%, vanadium (V) : 0.20%, niobium (Nb) : 0.05%, copper (Cu) : 1.75% , aluminum (Al): 0.02%, balance iron (Fe) .

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Abstract

Martensitischer Stahl mit Z-Phase, Pulver sowie Rohteil oder Bauteil Legierung, zumindest aufweisend (in Gew.-%): Kohlenstoff (C): 0,16% - 0,24%, Silizium (Si): 0,0% – 0,08%, Mangan (Mn): 0,04% – 0,16%, Chrom (Cr): 10,6% – 11,5%, Molybdän (Mo): 0,5% – 0,9%, Wolfram (W): 2,2% – 2,6%, Kobalt (Co): 3,0% – 3,6%, Nickel (Ni): 0,09% – 0,19%, Bor (B): 0,0035% – 0,01%, Stickstoff (N): 0,001% – 0,025%, Titan (Ti): 0,01% – 0,04%, Kupfer (Cu): 1,20% - 2,30%, optional 20 Vanadium (V): 0,10% – 0,30%, Niob (Nb): 0,02% – 0,08%, Aluminium (Al): 0,003% - 0,06%, Rest Eisen (Fe), insbesondere bestehend aus diesen Elementen.

Description

Beschreibung
MARTENSITISCHER STAHL MIT VERZÖGERTER Z-PHASENBILDUNG, PULVER SOWIE ROHTEIL ODER BAUTEIL
Die Erfindung betri f ft einen martensitischen Stahl mit verzögerter Z-Phasenbildung, Pulver sowie ein Rohteil bzw . ein Bauteil daraus .
In Korrelation zu Anwendungsbedingungen werden geschmiedete Rotorscheiben von Turbinen, insbesondere Gasturbinen, bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt . So wird ein Stahl auf der Basis NiCrMoV für Verdichterscheiben sowie ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN für Turbinenscheiben verwendet . Ausschlaggebend für die Wahl des Schmiedematerials sind die Anwendungsbedingungen und die Designanforderungen .
Für die Auswahl eines Schmiedewerkstof fes gilt es immer ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleiten, um die Designanforderungen einzuhalten .
Der Werkstof f mit der höchsten Einsat ztemperatur ist aktuell ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN sowie ein Stahl auf der Basis CrMoCoVB .
Beide Werkstof fe stoßen aber für einen Einsatz oberhalb 773K an ihre Grenzen .
Nichtsdestotrotz deuten aktuelle Untersuchungen darauf hin, dass Eisenlegierungen bis 900K genutzt werden können .
Für höhere Einsat ztemperaturen sind aktuell Nickelwerkstof fe in Diskussion .
Leider haben die nichtbasierten Bauteile folgende Nachteile , weshalb der Einsatz abzuwägen ist :
- höhere Kosten im Vergleich zur Scheibe aus Stahl ,
- neue Bruchmechanikkonzepte müssen entwickelt werden,
- längere Bearbeitungs zeiten in der Fertigung . Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen, insbesondere die Warmfestigkeit zu steigern, so dass noch größere Einsat ztemperaturen, also eine Steigerung um mindestens 20K bis 30K, möglich sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 2 sowie ein Rohteil oder Bauteil gemäß Anspruch 3.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Durch die Bildung der Z-Phase innerhalb des Nutzungszeitraums des Bauteils wurde die Legierungszusammensetzung martensi- tischer Stähle bisher begrenzt.
Die erfindungsgemäße Legierung weist zumindest auf ( in Gew . -% ) : Kohlenstoff (C) : 0,16% - 0,24%, vorzugsweise 0,19% - 0,21%, Silizium (Si) : 0,0% - 0,08%, vorzugsweise 0,0% - 0,06%, besonders vorzugsweise 0,02% - 0,06%, Mangan (Mn) : 0,04% - 0,16%, vorzugsweise 0,07% - 0,13%, Chrom (Cr) : 10, 6% - 11,5%, vorzugsweise 11,2% - 11,5%, ganz vorzugsweise 11,2%, Molybdän (Mo) : 0,5% - 0,9%, vorzugsweise 0,7%, Wolfram (W) : 2,2% - 2, 6%, vorzugsweise 2,3% - 2,5%, ganz vorzugsweise 2,45%, Kobalt (Co) : 3,0% - 3, 6%, vorzugsweise 3,25% - 3,40%, Nickel (Ni) : 0,09% - 0,19%, vorzugsweise 0,13% - 0,17%, Bor (B) : 0, 0035% - 0, 01%, vorzugsweise 0,004% - 0,006%, Stickstoff (N) : 0,001% - 0,025%, vorzugsweise 0,011% - 0,015%, Titan (Ti) : 0,01% - 0,04%, vorzugsweise 0,018% - 0,028%, Kupfer (Cu) : 1,20% - 2,30%, vorzugsweise 1, 65% - 1,85%, optional Vanadium (V) : 0,10% - 0,30%, vorzugsweise 0,15% - 0,25%, Niob (Nb) : 0,02% - 0,08%, vorzugsweise 0,04% - 0,06%, Aluminium (Al) : 0,003% - 0,06%, insbesondere 0,005% - 0,04%,
Rest Eisen ( Fe ) , insbesondere bestehend aus diesen Elementen.
Bei der Stahlherstellung hat Silizium (Si) die positive Wirkung die Schmelze dünnflüssiger zu gestalten und dient auch als Desoxidationsmittel. Ein weiterer positiver Einfluss von Silizium (Si) ist es, dass es die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zunderbeständigkeit erhöht.
Außerdem spielen die Anteile von Chrom (Cr) und Kobalt (Co) eine wichtige Rolle. Sie erhöhen die Oxidationsbeständigkeit und steigern die Warmfestigkeit.
Als vorteilhaft hat sich ein Titan (Ti) /Stickstoff (N) Verhältnis von 1.5 bis 2 erwiesen.
Durch das neue Konzept kann die Bildung der Z-Phase in Richtung 200.000h verschoben werden. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel lautet (in Gew.-%) : Kohlenstoff (C) : 0,20%, Silizium (Si) : < 0,08%, Mangan (Mn) : 0,10%, Chrom (Cr) : 11,2%, Molybdän (Mo) : 0,7%, Wolfram (W) : 2,4%, Kobalt (Co) : 3,3%, Nickel (Ni) : 0,15%, Bor (B) : 0, 005%, Stickstoff (N) : 0,013%, Titan (Ti) : 0, 02%, Vanadium (V) : 0,20%, Niob (Nb) : 0, 05%, Kupfer (Cu) : 1,75%, Aluminium (Al) : 0,02%, Rest Eisen (Fe) .
Neben der Anwendung als Schmiedescheibe in der Gasturbine sind weitere Anwendungen denkbar, wie z.B. Gasturbinenverdichterschaufeln, Dampfturbinenschaufel oder als Dampfturbinenschmiedeteil .
Die Vorteile sind:
Erweiterung des Einsatzbereiches „preiswerter" Eisenbasislegierungen im Vergleich zu „teuren Nickelbasiswerkstoffen" , schnellere Bearbeitbarkeit der Rotorbauteile auf Eisenbasis (10, 6% - 11,5% Chrom (Cr) ) im Vergleich zu Nickelbasiswerkstoff en,
Erfahrungen aus der Konstruktion, Fertigung und Herstellung der hochlegierten Eisenbasislegierungen können größtenteils übernommen werden; das hilft z.B. bei allen probabilistischen Ansätzen wie Bruchmechanik zur Minimierung des Risikos, Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Perf ormancesteigerung der Maschine , ohne dass externe Kühlung notwendig ist .

Claims

6
Patentansprüche
1. Legierung, zumindest aufweisend (in Gew.-%) : Kohlenstoff (C) : 0,16% - 0,24%, vorzugsweise 0,19% - 0,21%, Silizium (Si) : 0,0% - 0,08%, vorzugsweise 0,0% - 0,06%, ganz vorzugsweise 0,02% - 0,06%, Mangan (Mn) : 0,04% - 0,16%, vorzugsweise 0,07% - 0,13%, Chrom (Cr) : 10, 6% - 11,5%, vorzugsweise 11,2% - 11,5%, ganz vorzugsweise 11,2%, Molybdän (Mo) : 0,5% - 0,9%, vorzugsweise 0,7%, Wolfram (W) : 2,2% - 2, 6%, vorzugsweise 2,3% - 2,5%, ganz vorzugsweise 2,45%, Kobalt (Co) : 3,0% - 3, 6%, vorzugsweise 3,25% - 3,40%, Nickel (Ni) : 0,09% - 0,19%, vorzugsweise 0,13% - 0,17%, Bor (B) : 0, 0035% - 0, 01%, vorzugsweise 0,004% - 0,006%, Stickstoff (N) : 0,001% - 0,025%, vorzugsweise 0,011% - 0,015%, Titan (Ti) : 0,015% - 0,035%, vorzugsweise 0,018% - 0,028%, Kupfer (Cu) : 1,30% - 2,00%, vorzugsweise 1, 65% - 1,85%, optional Vanadium (V) : 0,10% - 0,30%, vorzugsweise 0,15% - 0,25%, Niob (Nb) : 0,02% - 0,08%, vorzugsweise 0,04% - 0,06%, Aluminium (Al) : 0,003% - 0,06%, insbesondere 0,005% - 0,04%, 7
Rest Eisen ( Fe ) , insbesondere bestehend aus diesen Elementen. Pulver, aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1, optional aufweisend Binder oder Keramikpartikel, insbesondere bestehend aus dieser Legierung. Rohteil oder Bauteil, zumindest aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 2, insbesondere bestehend aus einer Legierung nach Anspruch 1, welches gegossen und/oder geschmiedet und/oder wärmebehandelt und/oder bearbeitet ist. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, enthaltend 0,2 Gew.-% Kohlenstoff (C) . Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,02 Gew.-% - 0,06 Gew.-% Silizium (Si) . Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,10 Gew.-% Mangan (Mn) . Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 10, 6 Gew.-% - 11,0 Gew.-% Chrom (Gr) , insbesondere 10,7 Gew.-% - 10,8 Gew.-% Chrom (Cr) . Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, enthaltend 11,0 Gew.-% - 11,4 Gew.-% Chrom (Cr) , insbesondere 11,2 Gew.-% Chrom (Cr) . 8
9. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,70 Gew.-% Molybdän (Mo) .
10. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 2,40 Gew.-% Wolfram (W) .
11. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 3,3 Gew.-% Kobalt (Co) .
12. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,15 Gew.-% Nickel (Ni) .
13. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,005 Gew.-% Bor (B) .
14. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,013 Gew.-% Stickstoff (N) , bis auf Verunreinigungslevel .
15. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,020 Gew.-% - 0,026 Gew.-% Titan (Ti) , insbesondere enthaltend 0,020 Gew.-% Titan (Ti) .
16. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,20 Gew.-% Vanadium (V) .
17. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,05 Gew.-% Niob (Nb) . 9
18. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 1,75 Gew.-% Kupfer (Cu) . 19. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,02 Gew.-% Aluminium (Al) .
20. Legierung, Pulver, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, aufweisend ein Titan (Ti) /Stickstoff (N) Verhältnis von 1.5 bis 2.
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