DE102017216461A1 - Martensitischer Stahl mit Z-Phase, Pulver und Bauteil - Google Patents

Martensitischer Stahl mit Z-Phase, Pulver und Bauteil Download PDF

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Abstract

Legierung,zumindest aufweisend (in Gew-%):Kohlenstoff (C): 0,15% - 0,25%,Silizium (Si): 0,0% - 0,08%,Mangan (Mn): 0,03% - 0,20%,Chrom (Cr): 9,5% - 10,5%,Molybdän (Mo): 0,4% - 1,0%,Wolfram (W): 1,6% - 2,4%,Kobalt (Co): 2,5% - 3,5%,Nickel (Ni): 0,0% - 0,40%,Bor (B): 0,003% - 0,02%,Stickstoff (N): 0,0% - 0,40%,Titan (Ti): 0,02% - 0,10%,Vanadium (V): 0,10% - 0,30%,Niob (Nb): 0,02% - 0,08%,Kupfer (Cu): 1,20% - 2,10%,Aluminium (Al): 0,003% - 0,06%,insbesondere 0,005% - 0,04%,Rest Eisen (Fe).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen martensitischen Stahl mit Z-Phase, Pulver und ein Bauteil daraus.
  • In Korrelation zu Anwendungsbedingungen werden geschmiedete Rotorscheiben bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt. So wird ein Stahl auf der Basis NiCrMoV für Verdichterscheiben sowie ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN für die Turbinenscheiben verwendet. Ausschlaggebend für die Wahl des Schmiedematerials sind die Anwendungsbedingungen und die Designanforderungen.
  • Für die Auswahl des Schmiedewerkstoffes gilt es immer ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleiten, um die Designanforderungen einzuhalten.
  • Der Werkstoff mit der höchsten Einsatztemperatur ist aktuell ein Stahl auf der Basis CrMoWVNbN sowie ein Stahl auf der Basis CrMoCoVB. Beide Werkstoffe sind in der 800-900MPa Festigkeitsklasse für einen Einsatz oberhalb 773K bzw. 823K nicht geeignet.
  • Für höhere Einsatztemperaturen sind aktuell Nickelwerkstoffe in Diskussion. Nichtsdestotrotz deuten aktuelle Untersuchungen darauf hin, dass Eisenlegierungen bis 873K genutzt werden können.
  • Leider haben die Bauteile folgende Nachteile, weshalb der Einsatz abzuwägen ist:
    • - sehr hohe Kosten im Vergleich zur Scheibe aus Stahl,
    • - neue Bruchmechanikkonzepte müssen entwickelt werden,
    • - längere Bearbeitungszeiten in der Fertigung.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, ein Pulver gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil oder Rohteil 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 martensitischer Stähle bisher begrenzt.
  • Die erfindungsgemäße Legierung weist zumindest auf (in Gew-%):
    • Kohlenstoff (C): 0,15% - 0,25%,
    • vorzugsweise 0,19% - 0,21%,
    • Silizium (Si): 0,0% - 0,08%,
    • vorzugsweise 0,0% - 0,06%,
    • Mangan (Mn): 0,03% - 0,20%,
    • vorzugsweise 0,05% - 0,15%,
    • Chrom (Cr): 9,5% - 10,5%,
    • vorzugsweise 9,8% - 10,2%,
    • Molybdän (Mo): 0,4% - 1,0%,
    • vorzugsweise 0,6% - 0,8%,
    • Wolfram (W): 1,6% - 2,4%,
    • vorzugsweise 1,9% - 2,1%,
    • Kobalt (Co): 2,5% - 3,5%,
    • vorzugsweise 2,8% - 3,2%,
    • Nickel (Ni): 0,0% - 0,40%,
    • vorzugsweise 0,0% - 0,20%,
    • Bor (B): 0,003% - 0,02%,
    • vorzugsweise 0,006% - 0,01%,
    • Stickstoff (N): 0,0% - 0,40%,
    • vorzugsweise 0,0% - 0,20%,
    • Titan (Ti): 0,02% - 0,10%,
    • vorzugsweise 0,04% - 0,08%,
    • Vanadium (V): 0,10% - 0,30%,
    • vorzugsweise 0,15% - 0,25%,
    • Niob (Nb): 0,02% - 0,08%,
    • vorzugsweise 0,04% - 0,06%,
    • Kupfer (Cu): 1,20% - 2,10%,
    • vorzugsweise 1,65% - 1,85%,
    • Aluminium (Al): 0,003% - 0,06%,
    • insbesondere 0,005% - 0,04%,
    • Rest Eisen (Fe),
    • insbesondere bestehend aus diesen Elementen.
  • Durch neue Konzepte kann die Grenze verschoben werden:
    1. a) Verschiebung der Bildung der Z-Phase in Richtung 200.000h,
    2. b) Bildung der Z-Phase vor Beginn des Nutzungszeitraums des späteren GT-Schmiedebauteils.
  • In Folge dessen ändern sich die mechanischen Eigenschaften über den Nutzungszeitraum durch die Ausbildung der Z-Phase nicht mehr. Stattdessen sind die Kennwerte durch die Ausbildung der Z-Phase sehr viel konstanter. Eine Auslegung der Bauteile ist möglich.
  • Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel lautet (in Gew.-%):
    • Kohlenstoff (C): 0,20%,
    • Silizium (Si): 0,06%,
    • Mangan (Mn): 0,10%,
    • Chrom (Cr): 10%,
    • Molybdän (Mo): 0,7%,
    • Wolfram (W): 2,0%,
    • Kobalt (Co): 3,0%,
    • Nickel (Ni): 0,0%,
    • Bor (B): 0,010%,
    • Stickstoff (N): 0,0%,
    • Titan (Ti): 0,05%,
    • 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 (9% - 11% Cr) im Vergleich zu Nickelbasiswerkstoffen,
    • - Erfahrungen aus der Konstruktion, Fertigung und Herstellung der hochlegierten Eisenbasislegierungen können größtenteils übernommen werden; Das hilft z.B. bei allen probabilistischen Ansätzen (z.B. Bruchmechanik => minimiertes Risiko),
    • - Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Performancesteigerung der Maschine, ohne dass externe Kühlung notwendig ist.

Claims (18)

  1. Legierung, zumindest aufweisend (in Gew-%): Kohlenstoff (C): 0,15% - 0,25%, vorzugsweise 0,19% - 0,21%, Silizium (Si): 0,0% - 0,08%, vorzugsweise 0,0% - 0,06%, Mangan (Mn): 0,03% - 0,20%, vorzugsweise 0,05% - 0,15%, Chrom (Cr): 9,5% - 10,5%, vorzugsweise 9,8% - 10,2%, Molybdän (Mo): 0,4% - 1,0%, vorzugsweise 0,6% - 0,8%, Wolfram (W): 1,6% - 2,4%, vorzugsweise 1,9% - 2,1%, Kobalt (Co): 2,5% - 3,5%, vorzugsweise 2,8% - 3,2%, Nickel (Ni): 0,0% - 0,40%, vorzugsweise 0,0% - 0,20%, Bor (B): 0,003% - 0,02%, vorzugsweise 0,006% - 0,01%, Stickstoff (N): 0,0% - 0,40%, vorzugsweise 0,0% - 0,20%, Titan (Ti): 0,02% - 0,10%, vorzugsweise 0,04% - 0,08%, Vanadium (V): 0,10% - 0,30%, vorzugsweise 0,15% - 0,25%, Niob (Nb): 0,02% - 0,08%, vorzugsweise 0,04% - 0,06%, Kupfer (Cu): 1,20% - 2,10%, vorzugsweise 1,65% - 1,85%, Aluminium (Al): 0,003% - 0,06%, insbesondere 0,005% - 0,04%, Rest Eisen (Fe), insbesondere bestehend aus diesen Elementen.
  2. Pulver, aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1, insbesondere bestehend aus dieser Legierung.
  3. Bauteil oder Rohteil, zumindest aufweisend eine Legierung nach Anspruch 1 oder hergestellt aus einem Pulver gemäß Anspruch 2, insbesondere bestehend aus einer Legierung nach Anspruch 1.
  4. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, enthaltend 0,2 Gew.-% Kohlenstoff (C).
  5. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,06 Gew.-% Silizium (Si).
  6. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,1 Gew.-% Mangan (Mn).
  7. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 10,00 Gew.-% Chrom (Cr).
  8. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,7 Gew.-% Molybdän (Mo).
  9. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 2,0 Gew.-% Wolfram (W).
  10. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 3,0 Gew.-% Kobalt (Co).
  11. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,0 Gew.-% Nickel (Ni), bis auf Verunreinigungslevel.
  12. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,010 Gew.-% Bor (B).
  13. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,0 Gew.-% Stickstoff (N), bis auf Verunreinigungslevel.
  14. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,05 Gew.-% Titan (Ti).
  15. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,20 Gew.-% Vanadium (V).
  16. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,05 Gew.-% Niob (Nb).
  17. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 1,75 Gew.-% Kupfer (Cu).
  18. Legierung, Pulver oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, enthaltend 0,02 Gew.-% Aluminium (Al).
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