JP2009057633A

JP2009057633A - 高温合金

Info

Publication number: JP2009057633A
Application number: JP2008220844A
Authority: JP
Inventors: Mohamed Youssef Nazmy; モハメト・ヨウセフ・ナツミィ; Andreas Kuenzler; アンドレアス・キュンツラー; Markus Staubli; マルクス・シュタウブリ
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: CN101476084B; CA2639255A1; EP2031080A1; EP2031080B1; CN101476084A; US8435443B2; US20090060774A1; JP5574588B2; CA2639255C

Abstract

【課題】
良好な機械的性質および1000℃までの作業温度において非常に良好な耐酸化性を有する鉄ベースの高温合金を提供する。
【解決手段】
下記の化学組成(値は重量％で挙げる)：
Cr 20、
Al 4-8、
TaおよびMo群からの元素の少なくとも一種合計4-8、
Zr 0-0.2、
B 0.02-0.05、
Y 0.1-0.2、
Si 0-0.5、
残り Fe
を特徴とする、鉄ベースの高温合金。
合金は、低コストで製造することができおよび既知の従来技術と比べて、1000℃までの高温で顕著な耐酸化性および良好な機械的性質によって区別される。
【選択図】図2

Description

本発明は、材料工学の分野に関する。本発明は、Crを約20重量％およびAlを数重量％、ならびに他の構成成分を少量含有し、そして良好な機械的性質および1000℃までの作業温度において非常に良好な耐酸化性を有する鉄ベースの高温合金に関する。

しばらくの間、鉄ベースのODS(酸化物分散強化された)材料、例えばフェライトODS FeCrAl合金が、知られていた。それらは、それらの高温における機械的性質が顕著な理由で、極端な熱的および機械的応力を受ける部材用に、例えばガスタービン翼用に選んで使用される。

出願人は、そのような材料を熱電対を保護するための管用に使用し、熱電対は、例えば、連続燃焼によるガスタービンにおいて温度制御のために使用されおよびそこで、極端に高い温度および酸化雰囲気に暴露される。

公称の化学組成を、表1に既知のフェライト鉄ベースのODS合金について表1に規定する(重量％で表す):

これらの金属性材料の作業温度は、約1350℃までに達する。それらは、セラミック材料の特色を一層よく示す潜在的性質を有する。

上述した材料は、非常に高い温度において非常に高いクリープ破断強度を有しおよびまた、Al₂O₃保護膜を形成することによって顕著な高温耐酸化性、ならびに硫化および蒸気酸化への高い耐性を備える。それらは、高度に顕著な方向依存性を有する。例えば、管では、横断方向のクリープ強度は、縦方向のクリープ強度の約50％にすぎない。

そのようなODS合金の生産は、既知の方法で、例えば、押出によるかまたは熱間等圧圧縮によって圧縮された機械的に合金にした粉末混合物を用いて、粉末冶金手段によって行う。引き続いて、圧縮体を、通常熱間圧延によって高度に可塑的に変形させ、そして再結晶アニール処理を施す。このタイプの生産、ばかりでなくまた、上記した材料組成物は、中でも、これらの合金が非常に高価であることを意味する。

本発明の目的は、従来技術の上述した不利を回避することにある。本発明は、上に規定した用途用に適し、従来技術から知られているPM 2000 材料に比べて費用がかからないが、少なくとも等しく良好な耐酸化性を有する材料を開発することの目的をベースにする。本発明に従う材料は、また、高温加工用に良く適しておりおよび、できるだけ、要素を加熱するために使用される、例えば、既知の合金KANTHAL APMに比べて一層良好な機械的性質を有することを意図する。

これは、本発明に従い、下記の化学組成(値は重量％で挙げる)を有するFeCrAl合金タイプの高温合金によって達成される:
Cr 20、
Al 4-8、
TaおよびMo群からの元素の少なくとも一種合計4-8、
Zr 0-0.2、
B 0.02-0.05、
Y 0.1-0.2、
Si 0-0.5、
残り Fe。

合金は、Alを5〜6重量％含有するのが好ましく、Alを5.5〜6重量％含有するのが特に好ましい。これは、材料の表面上に良好なAl₂O₃保護膜を形成し、Al₂O₃保護膜は高温耐酸化性を増大する。

更に好適な範囲は、Mo 0-8重量％でありそしてTa 0-4重量％であり、ここで、(Mo + Ta) 合計= 4-8重量％、およびここで、例えば、独立請求項1に対応し、Ta が存在しないならば、Mo最大値8％が当てはまるだけである。本発明に従う材料は、Moを2-4重量％および/またはTaを2-4重量％有するのが特に好ましい。

(Ta + Mo)の含有率が規定した値よりも少ないならば、高温強度があまりに大きく低下され;それらが一層高いならば、耐酸化性が望ましくない方法で低下されそして材料もまた、あまりに高価になる。

Siを0.25％重量％、多くて0.5重量％加えると、また、有利である、と言うのは、これは耐酸化性を更に増大するからである。

Zr 0.2重量％およびY 0.1重量％もまた、本発明に従う材料中に存在するのが好ましい。

驚くべきことに、従来技術から知られおよび上記した合金の場合のように、チタンを加えることが必要でないことを見出した。TiおよびCrは、固溶体補強剤として作用する。Moは、2-8重量％の範囲で、同様の効果を有するが、Tiに比べてずっと安価である。本発明を実施する好適な変法の場合のように、MoをZrと一緒に加えるならば、Moは引張強度およびクリープ破断強度を改良するに至ることが、これに加わる。

Ta、ZrおよびBは、分散補強剤として作用する元素である。これらの構成成分と他の構成成分、特に CrおよびMo、との相互作用は、後者が存在するならば、良好な強度値に至り、他方、Al、Yおよびまた、Zrは耐酸化性も増大する。Crは明確に延性に影響を与える。

本発明の典型的な実施態様を図面に表す。

本発明を実施する方法

本発明を、適例となる実施態様および図面に基づいて下記に一層詳細に説明する。

従来技術から知られているODS FeCrAl比較合金、PM 2000およびKanthal APM (それらの組成については表1を参照)、ならびに表2に掲記する本発明に従う合金を、室温(RT)および1000℃までにおける酸化挙動に関してならびに機械的性質に関して調べた。合金化構成成分を重量％で規定する:

本発明に従う合金を、規定する元素をアーク溶融することによって製造しそして次いで、温度900-800℃で圧延した後に、中でも、引張試験片を作製した。

図1に、1100℃における重量変化を、規定する合金について、12時間の期間にわたり時間の関数として表す。本発明に従う合金2008(中でも、Moを4％およびAlを5.5％有する)は、比較合金PM 2000にほぼ匹敵しおよび長い時効硬化時間の後に、更に一層良好な(一層小さい重量変化) 酸化挙動を示し、他方、合金2009(中でも、Moを4％およびAlを8％を有する)は、これに関して最も悪くそしてこれらの温度においてPM 2000の値に達することができない。このことは、アルミニウム含有率が比較的に高いことにより;Al 8重量％は、最大値を表し、Al 5〜6重量％が最適である。

図2に、空気中1000℃における重量変化を、規定する合金について、1000時間の期間にわたり時間の関数として表す。本発明に従う二種の合金、2014および2013、特に合金2013が、ずっと改良された酸化挙動を有することを見出した。空気中1000℃における1000 時間の時効硬化の後に、本発明に従う二種の合金についての重量変化は、既知の合金 PM 2000と比べれば、重量変化の三分の一(合金 2013)〜半分より小さい(合金2014)にすぎなかった。MoとTaとの等割合での組合せが、1000℃における酸化挙動に特に良好な効果を生じることは明らかである。特にTaは、規定する範囲で、Alの活性を増大しおよび耐酸化性を改良する。

図3〜5に、室温〜1000℃ の温度範囲の引張試験の結果を表す。

図3は、規定する材料について、引張強度の温度への依存性を示す。調べた材料の値は、室温では、相対的に互いに近くにある。本発明に従う材料の内の幾種か(例えば、合金2007および2013)は、室温では、従来技術から知られている材料より強いが、他の材料では、既知の合金PM 2000およびKanthal APMとほとんど差がない。

温度依存性引張強度値は、約400℃までほぼ一定のままであり、その後に、それらは、予想通りに、著しく低下する。本発明に従う調べた合金は、900〜1000℃の温度範囲で、すべて、Kanthal APMより強い引張強度およびPM 2000より幾分弱い引張強度を有する。しかし、これを1000℃におけるこれらの合金の顕著な酸化挙動(図2を参照)と組み合わせるならば、これらは非常に良好な性質の組合せになる。

図4に、降伏強度の温度依存性を表す。その傾向は、図3に従う引張強度の進行にほぼ一致する。

最後に、図5は、破壊点伸びの室温〜1000℃ の範囲の温度への依存性を示す。PM 2000については、破壊点伸び値は、室温〜400℃の範囲でほぼ一定であり、600℃で、室温と比べた値の倍の最大となり、その後に、破壊点伸び値は、温度が上昇するにつれて再び低下し、1000℃で、室温における値の約半分に達する。約600℃におけるPM 2000の延性の増大は、材料の軟化に起因する。

室温では、本発明に従う合金の破壊点伸びは、PM 2000についての値より下に在るが、約600℃からは、それらはすべて一層大きくなる。このプラス効果は、規定する範囲の材料構成成分の相互作用に起因する。

本発明に従う材料は、また、熱間圧延用にも良く適しておりおよび良好な塑性変形能を有する。

それらは、熱電対用保護管として非常に良く使用することができ、熱電対は、例えば、連続燃焼ガスタービンにおいて温度制御のために使用されおよびそこで、酸化雰囲気に暴露される。

要約すれば、本発明に従う合金は、1000℃において非常に良好な耐酸化性を有すると述べることができる。それらは、従来技術から知られている合金Kanthal APMに比べて一層良好な機械的性質を有する。本発明に従う合金の強度値は、合金PM 2000の強度値に比べて幾分低いとは言え、延性はずっと一層良好である。1000℃では、耐酸化性は、また、PM 2000の２倍よりも大きい。本発明に従う合金は、また、PM 2000よりも安価でもある(安価な構成成分、一層簡単な生産)ので、それらは、上記した使用領域について、PM 2000に替わる代用品として顕著に適している。

PM 2000についておよび選択した本発明に従う材料について、1100℃/12時間における酸化挙動を示す。 PM 2000 についておよびおよび選択した本発明に従う材料について、空気中1000℃において1000時間の期間にわたる酸化挙動を示す。 PM 2000およびKanthal APMおよび選択した本発明に従う材料について、室温〜1000℃ の温度範囲の引張試験を示す。 PM 2000についておよび選択した本発明に従う材料について、室温〜1000℃ の温度範囲の降伏強度を示す。 PM 2000についておよび選択した本発明に従う材料について、室温〜1000℃ の温度範囲の破壊点伸びを示す。

Claims

下記の化学組成(値は重量％で挙げる)：
Cr 20、
Al 4-8、
TaおよびMo群からの元素の少なくとも一種、ここで、(Mo + Ta)合計＝4-8、
Zr 0-0.2、
B 0.02-0.05、
Y 0.1-0.2、
Si 0-0.5、
残り Fe
を特徴とする、鉄ベースの高温合金。
Al 5〜6重量％を特徴とする、請求項１記載の高温合金。
Al 5.5〜6重量％を特徴とする、請求項2記載の高温合金。
Mo 0〜8重量％および/またはTa 0〜4重量％、ここで、(Mo + Ta) 合計がそれぞれ4〜8重量％の範囲であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の高温合金。
Mo 2重量％およびTa 2重量％を特徴とする、請求項4記載の高温合金。
Mo 4重量％および／またはTa 4重量％を特徴とする、請求項5記載の高温合金。
Si 0.25重量％を特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の高温合金。
Si 0.5重量％を特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の高温合金。
Zr 0.2重量％を特徴とする、請求項1〜8のいずれか一に記載の高温合金。
B 0.05重量％を特徴とする、請求項1〜9のいずれか一に記載の高温合金。
Y 0.1重量％を特徴とする、請求項1〜10のいずれか一に記載の高温合金。
合金組成に対応する元素をアークによって融解しおよび引き続いて、約900-800℃で圧延することを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一に記載の高温合金の製造方法。
請求項1〜12のいずれか一に記載の高温合金の、保護熱電対管用の使用。