EP4377487A1 - Austenitlegierung, rohteil und bauteil sowie verfahren - Google Patents

Austenitlegierung, rohteil und bauteil sowie verfahren

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EP4377487A1
EP4377487A1 EP22789472.2A EP22789472A EP4377487A1 EP 4377487 A1 EP4377487 A1 EP 4377487A1 EP 22789472 A EP22789472 A EP 22789472A EP 4377487 A1 EP4377487 A1 EP 4377487A1
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alloy
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aluminum
blank
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Torsten Neddemeyer
Bora Kocdemir
Axel Bublitz
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations

Definitions

  • the invention relates to an austenite alloy, a blank and/or component made from this alloy, and a method for producing it.
  • forged rotor disks have hitherto been manufactured from various forged steels.
  • NiCrMoV is used for compressor disks and CrMoWVNbN for turbine disks.
  • the iron-based material with the highest operating temperature is currently a martensite.
  • Ni nickel
  • the chemistry and heat treatment are sufficient to withstand the challenges of a forged component for use in power generation systems at temperatures greater than 873K.
  • the iron-based composition is as follows:
  • Phosphorus (P) up to 0.03%, in particular up to 0.025%
  • Tungsten (W) up to 2.5%, especially 1.8% - 2.2%
  • the alloy consists of these elements.
  • composition should preferably be used as a build-up:
  • a PREN value (DIN 81249-2) greater than 32 should preferably be maintained:
  • Mo molybdenum
  • molybdenum (Mo) and chromium (Cr) are not limited to the high-temperature range alone, but would also cause increased corrosion protection for maritime applications. b) notch embrittlement
  • Strength is increased by increasing the chromium and molybdenum content. On the one hand, this is desired. On the other hand, it is important to influence the selection of the tempering conditions so that the risk of notch embrittlement is low / there is sufficient toughness.
  • the optimal quality heat treatment should preferably be determined by tempering tests.
  • a 2- or 3-stage QHT tempering treatment is preferably used.
  • temperatures represent the first key points in this regard.
  • the solution annealing temperature preferably always represents the maximum temperature.
  • the temperature of the 1 Tempering is therefore in particular at least 100K or at least 200K below the solution annealing temperature.
  • tempering is at least 20K lower than the solution annealing temperature.
  • the temperature of the 3 Tempering is below the temperature of the 2 . cranking or is the same .
  • the application temperature can be increased, which means that the machine's output and performance can be increased without the need for external cooling.
  • iron-based (Fe) material are:

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Legierung, die zumindest aufweist (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%, Nickel (Ni) 24,0% - 27,0%, Vanadium (V) 0,25% - 0,35%, Titan (Ti) 2,0% - 2,3%, Aluminium (Al) 0,4% - 0,6%, Bor (B) 0,004% - 0,006%, Eisen (Fe),

Description

Beschreibung
Austenitlegierung, Rohteil und Bauteil sowie Verfahren
Die Erfindung betri f ft 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 Schmiedewerkstof fes gilt es immer ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleiten, um die Designanforderungen einzuhalten .
Der Werkstof f auf Eisenbasis mit der höchsten Einsat ztempera- tur ist aktuell ein Martensit .
Für höhere Einsat ztemperaturen gibt es aktuell keine Lösung .
Es gibt Überlegungen auf Scheiben auf Nickelbasis überzugehen .
Mit diesen sollten theoretisch Einsat ztemperaturen 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 Bearbeitungs zeiten 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:
Besondere Ausführungsbeispiele sind:
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 C^Os-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 Quali- tätswärmebehandlung ( QHT ) durch Anlassversuche zu ermitteln . Vorzugsweise wird eine 2- oder 3-stufige QHT Anlassbehandlung verwendet .
Erste Eckpunkte hierzu stellen die folgenden Minimumtemperaturen dar . 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 Nickelbasiswerkstof fen .
• Erfahrungen aus der Konstruktion, Fertigung und Herstellung der hochlegierten Eisenbasislegierungen können größtenteils übernommen werden . Das hil ft insbesondere bei allen probabilistischen Ansätzen .
Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Perf ormancesteigerung der Maschine ohne , dass externe Kühlung notwendig ist . Ausführungsbeispiele für den Eisen-basierten (Fe) Werkstoff sind :

Claims

7 Patentansprüche
1. Legierung, zumindest aufwe Lsend, insbesondere be tehend 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 Re t 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% .
2. Legierung nach Anspruch 1, aufweisend ein, insbesondere zwei, ganz insbesondere aufweisend alle Elemente aus der Gruppe:
Bor (B) , Wolfram (W) und Niob (Nb) . 8 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. 9 . 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.
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