ES2897323T3 - Aleación a base de níquel para temperatura elevada - Google Patents

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Abstract

Aleación a base de níquel para temperatura elevada compuesta por (en % en peso): C 0,04 - 0,1% S máx. 0,01% N máx. 0,05% Cr 24 - 28% Mn máx. 0,3% Si máx. 0,3% Mo 1 - 6% Ti 0,5 - 3% Nb 0,001 - 0,1% Cu máx. 0,2% Fe 0,1 - 0,7% P máx. 0,015% Al 0,5 - 2% Mg máx. 0,01% Ca máx. 0,01% V 0,01 - 0,5% Zr máx. 0,1% W 0,2 - 2% Co 17 - 21% B máx. 0,01% O máx. 0,01% Ni el resto, así como las impurezas causadas por la fusión.

Description

DESCRIPCIÓN
Aleación a base de níquel para temperatura elevada
La invención se refiere a una aleación a base de níquel para temperatura elevada.
El material C263 (Nicrofer 5120 CoTi) se utiliza, entre otras cosas, como material para escudos térmicos en turbocompresores o motores de automóviles. El escudo térmico separa dentro del turbocompresor el lado del compresor del lado de la turbina y es impactado directamente por el flujo del gas de escape caliente. Dado que las temperaturas del gas de escape, especialmente en los motores de combustión interna, son cada vez más altas, los componentes de construcción pueden fallar, por ejemplo, en forma de deformaciones, lo que conduce a una considerable pérdida de rendimiento del turbocompresor.
Las temperaturas de los gases de escape pueden llegar hasta los 1.050°C, encontrándose las temperaturas que llegan al escudo térmico aproximadamente a 900 y 950°C. A esas temperaturas, el material C263 ya no es resistente a la fluencia. La composición general del material C263 se proporciona a continuación (en % en peso): 19,0 - 21,0% de Cr, máx. 0,7% de Fe, 0,04 - 0,08% de C, máx. 0,6% de Mn, máx. 0,4% de Si, máx. 0,2% de Cu, 5,6 - 6,1% de Mo, 19,0 - 21,0% de Co, 0,3 - 0,6% de Al, 1,9 - 2,4% de Ti, máx. 0,015% de P, máx. 0,007% de S, máx. 0,005% de B.
El documento DE 100 52 023 C1 describe una aleación austenítica de níquel-cromo-cobalto-molibdeno-tungsteno, que contiene (en % en masa) 0,05 - 0,10% de C, 21 - 23% de Cr, 10 - 15% de Co, 10 - 11% de Mo, 1,0 - 1,5% de Al, 5,1 - 8,0% de W, 0,01 - 0,1% de Y, 0,001 - 0,01% de B, máx. 0,5% de Ti, máx. 0,5% de Si, máx. 2% de Fe, máx. 0,5% de Mn, Ni el resto incluyendo las impurezas inevitables causadas por la fusión. El material se puede utilizar para compresores y turbocompresores de motores de combustión interna, componentes de construcción de turbinas de vapor, componentes de construcción de centrales energéticas de turbinas de gas y vapor.
El documento EP 1466 027 B1 da a conocer una aleación termorresistente y resistente a la corrosión de Ni-Co-Cr, que contiene (en % en peso): 23,5 - 25,5% de Cr, 15,0 - 22,0% de Co, 0,2 - 2,0% de Al, 0,5 - 2,5% de Ti, 0,5 - 2,5% de Nb, hasta 2,0% de Mo, hasta 1,0% de Mn, 0,3 - 1,0% de Si, hasta 3,0% de Fe, hasta 0,3% de Ta, hasta 0,3% de W, 0,005 - 0,08% de C, 0,01 - 0,3% de Zr, 0,001 - 0,01% de B, hasta 0,05% de tierras raras como mezclas de metales, 0,005 - 0,025% de Mg Ca, opcionalmente hasta 0,05% de Y, Ni el resto e impurezas. El material se puede utilizar en el intervalo de temperatura entre 530 y 820°C como válvula de escape para motores diésel así como tuberías para calderas de vapor.
En el documento US 6,258,317 B1 se describe una aleación que puede ser utilizada para componentes de construcción de turbinas de gas para temperaturas de hasta 750°C, que contiene (en % en peso): 10 - 24% de Co, 23,5 - 30% de Cr, 2,4 - 6% de Mo, 0 - 9% de Fe, 0,2 - 3,2% de Al, 0,2 - 2,8% de Ti, 0,1 - 2,5% de Nb, 0 - 2% de Mn, hasta 0,1% de Si, 0,01 - 0,3% de Zr, 0,001 - 0,01% de B, 0,005 - 0,3% de C, 0 - 0,8% de W, 0 - 1% de Ta, Ni el resto e impurezas inevitables.
La invención tiene por objeto cambiar un material a base de C263 con respecto a su composición, de tal manera que la estabilidad de la fase que incrementa la resistencia se desplace hacia temperaturas más elevadas. Al mismo tiempo, debe asegurarse que los límites de la estabilidad de otras fases (por ejemplo, la fase Eta) se desplacen a temperaturas más bajas. Además, se debe intentar activar mecanismos de endurecimiento adicionales.
Este objeto se logra mediante una aleación a base de níquel para temperatura elevada que consiste en (en % en peso):
C 0,04 - 0,1%
S máx. 0,01%
N máx. 0,05%
Cr 24 - 28%
Mn máx. 0,3%
Si máx. 0,3%
Mo 1 - 6%
Ti 0,5 - 3%
Nb 0,001 - 0,1%
Cu máx. 0,2%
Fe 0,1 - 0,7%
P máx. 0,015%
Al 0,5 - 2%
Mg máx. 0,01%
Ca máx. 0,01%
V 0,01 - 0,5%
Zr máx. 0,1%
W 0,2 - 2%
Co 17 - 21%
B máx. 0,01%
O máx. 0,01%
Ni el resto, así como las impurezas causadas por la fusión
En las reivindicaciones subordinadas se pueden encontrar desarrollos ventajosos de la aleación según la invención. La aleación a base de níquel según la invención debe poder utilizarse preferentemente para componentes de construcción que están expuestos a temperaturas de componente de construcción superiores a 700°C, preferentemente >900°C, en particular >950°C. Se logra el objetivo de desplazar la fase gamma prima a temperaturas más altas, mientras que al mismo tiempo también se puede lograr la estabilidad de otras fases, inferior a la gamma prima, y hacia temperaturas más bajas.
Las principales aplicaciones de la aleación se abordan a continuación:
Automotor
- Sistemas de gas de escape
- Turbocompresor
- Sensores
- Válvulas
- Tuberías
- Filtros para temperatura elevada o partes de los mismos
- Juntas
- Elementos de resorte
Turbinas voladoras o estacionarias
- Álabes
- Álabes guía
- Sensores
- Tuberías
- Conos
- Carcasas
Centrales energéticas
- Tuberías
- Sensores
- Válvulas
- Forjados
- Turbinas
- Carcasas de turbinas
Los componentes de construcción mencionados se utilizan todos en atmósferas calientes y muy sometidas a estrés, en donde se encuentran temperaturas de componentes de construcción permanentes, en algunos casos superiores a 900°C. Además, se encuentran atmósferas que contienen oxígeno, por ejemplo, de motores de automóviles o camiones, propulsores o turbinas de gas.
La aleación según la invención tiene una alta resistencia al calor y a la fluencia, en donde al mismo tiempo se da una resistencia a la corrosión a temperatura elevada (por ejemplo, en el caso de los gases de escape).
La aleación según la invención por tanto también es resistente a la fatiga a altas temperaturas, en particular por encima de 900°C.
Las posibles formas de producto son:
- Banda
- Lámina
- Cable
- Barra
- Forjados
- Polvo para producción aditiva (por ejemplo, impresión 3D) y polvo clásico (por ejemplo, sinterización) - Tubería (soldada o sin costura)
Los siguientes elementos pueden variar tal y como se indica a continuación, para optimizar los parámetros deseados (en % en peso):
Cr 24 - 26%
Mo 2 - 6%, especialmente 4 - 6%
Mo 1,5 - 2,5%
Ti 0,5 - 2,5%, especialmente 1,5 - 2,5%
Al 0,5 - 1,5%
V 0,01 - 0,2%
W 0,2 - 1,5%, especialmente 0,5 - 1,5%
Co 18,5 - 21%
Es ventajoso que la suma de Ti Al (en % en peso) sea al menos un 1 %. En determinadas aplicaciones puede resultar conveniente que la suma de Ti Al (en % en peso) sea al menos un 1,5%, en particular al menos un 2%.
Según otro concepto de la invención, la relación Ti/Al debe ser como máximo 3,5, en particular como máximo 2,0. Al reducir la relación Ti/Al, se puede formar poco o nada de Eta-Ni3Ti.
La aleación a base de níquel para temperatura elevada según la invención se puede utilizar preferiblemente para la producción a escala industrial (>1 t).
Las ventajas de la aleación según la invención se explican con más detalle mediante ejemplos:
En la Tabla 1 se compara el estado de la técnica (Nicrofer 5120 CoTi - producido a escala industrial) con un lote de referencia idéntico (escala de laboratorio), así como varias composiciones de aleaciones según la invención.
En la Tabla 2 se compara el estado de la técnica (Nicrofer 5120 CoTi - producido a escala industrial) con varios lotes producidos a escala industrial.
Tabla 1
Figure imgf000005_0001
Tabla 1 (continuación)
250575 250576 250577
Nicroter 5120 CoTi uevo diseñ uevo diseñ uevo diseñ Lote 413297
Figure imgf000006_0001
trabajo2
Figure imgf000006_0002
trabajo3 trabajo4
producido a
Figure imgf000006_0003
Figure imgf000006_0004
escala industrial Objetivo Real Objetivo R jetivo R
Figure imgf000006_0005
Tabla 2
Figure imgf000006_0006
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000008_0001
En cada caso se utilizaron 8 kg de materias de partida por masa fundida (Tabla 1). Se llevaron a cabo análisis espectrales en las muestras después de la colada. A continuación, las muestras se laminaron hasta un espesor de 6 mm. Las muestras se laminaron hasta un espesor final de 0,4 mm mediante laminación adicional (con recocido intermedio) en un rodillo de laboratorio.
El recocido de la solución tuvo lugar a 1.150°C durante 30 minutos con el subsiguiente enfriamiento rápido con agua. El endurecimiento por precipitación se llevó a cabo a temperaturas de 800, 850, 900 y 950°C durante 4/8/16 horas con posterior enfriamiento rápido con agua.
Las variantes 250575 a 250577 mostraban un nivel de dureza muy alto en comparación con el estado de la técnica, respectivamente las variantes 250573 y 250574. Esto significa que la fase de aumento de la dureza (en este caso, gamma prima) sigue siendo estable.
Para aplicaciones a escala industrial (Tabla 2), el material se produce en un horno de inducción de frecuencia media y luego se moldea como una colada continua en forma de bloque. A continuación, los bloque se vuelven a fundir en bloques adicionales (o barras, respectivamente) en un horno de refundición de electroescoria. A continuación, la placa correspondiente se lamina en caliente para producir material en bandas con un grosor de aproximadamente 6 mm. A esto le sigue un proceso de laminación en frío del material en banda hasta tener un espesor final de aproximadamente 0,4 mm.
Por tanto, se obtiene así un material de partida para productos de embutición profunda o estampados. Si es necesario, se puede realizar un proceso térmico en función del producto.
El siguiente método de producción está disponible para la producción de componentes de construcción para la aeronáutica:
VIM - VAR
La forma del producto según la VAR puede ser un bloque o una barra.
El moldeado se puede realizar mediante laminación o forjado.
El siguiente método de producción también es adecuado para la producción de componentes de construcción para centrales energéticas o automóviles:
VIM - ESU
En este caso también es concebible el moldeado mediante forjado o laminado.
La Figura 1 muestra la deformación por fluencia de diversos materiales en función del tiempo a una temperatura de aplicación típica de 900°C, así como una carga de 60 MPa. Se muestran los materiales C-263 estándar (Nicrofer 5120 CoTi), C-264 variante 76 (lote 250576) así como C-264 variante 77 (lote 250577).
En el caso de la versión estándar se puede observar que el material falla después de menos de 100 horas a una temperatura y carga determinadas.
Las otras dos variantes muestran una vida útil de aproximadamente 400 horas y aproximadamente 550 horas, respectivamente.
Las variantes 76 y 77 muestran una vida útil mejorada, que en el estado operativo conduce a una mayor resistencia a la fluencia y, por lo tanto, a una deformación de los componentes de construcción significativamente menor.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Aleación a base de níquel para temperatura elevada compuesta por (en % en peso)
C 0,04 - 0,1%
S máx. 0,01%
N máx. 0,05%
Cr 24 - 28%
Mn máx. 0,3%
Si máx. 0,3%
Mo 1 - 6%
Ti 0,5 - 3%
Nb 0,001 - 0,1%
Cu máx. 0,2%
Fe 0,1 - 0,7%
P máx. 0,015%
Al 0,5 - 2%
Mg máx. 0,01%
Ca máx. 0,01%
V 0,01 - 0,5%
Zr máx. 0,1%
W 0,2 - 2%
Co 17 - 21%
B máx. 0,01%
O máx. 0,01%
Ni el resto, así como las impurezas causadas por la fusión.
2. Aleación a base de níquel según la reivindicación 1, con (en % en peso) 24 - 26% de Cr.
3. Aleación a base de níquel según la reivindicación 1 o 2, con (en % en peso) 2 - 6% de Mo.
4. Aleación a base de níquel según la reivindicación 1 o 2, con (en % en peso) 1,5 - 2,5% de Mo.
5. Aleación a base de níquel según la reivindicación 1 o 2, con (en % en peso) 4 - 6% de Mo.
6. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 5, con (en % en peso) 0,5 - 2,5% de Ti
7. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 5, con (en % en peso) 1,5 - 2,5% de Ti
8. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 7, con (en % en peso) 0,5 - 1,5% de Al.
9. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 8, con (en % en peso) 0,01 - 0,2% de V.
10. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 9, con (en % en peso) 0,5 - 1,5% de W.
11. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la suma de Ti Al (en % en peso) es como mínimo un 1%.
12. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la suma de Ti Al (en % en peso) es como mínimo un 1,5%, en particular como mínimo un 2%.
13. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 12, en donde la relación Ti/AI es como máximo 3,5, en particular como máximo 2,0.
14. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 13, utilizable para componentes de construcción, que están expuestos a temperaturas de componentes de construcción de >700°C, en particular >900°C, respectivamente >950°C.
15. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 14, utilizable para componentes de construcción en motores de combustión interna.
16. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 15, utilizable como componente de construcción en turbocompresores.
17. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 14, utilizable para componentes de construcción en turbinas voladoras o estacionarias, en particular turbinas de gas.
18. Aleación a base de níquel según la reivindicación 17, utilizable para álabes o elementos conductores en turbinas voladoras o estacionarias, en particular turbinas de gas.
19. Aleación a base de níquel según una de las reivindicaciones 1 a 14, utilizable para componentes de construcción en centrales energéticas.
20. Aleación a base de níquel según la reivindicación 19, utilizable para tuberías o sensores en centrales energéticas.
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