ES2537577T3

ES2537577T3 - Aleación a base de níquel para forjar

Info

Publication number: ES2537577T3
Application number: ES08018325.4T
Authority: ES
Inventors: Shinya Imano; Hiroyuki Doi; Jun Sato
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2015-06-09
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: EP2050830B1; US20150017015A1; EP2050830A3; US8956471B2; JP4982324B2; US9567656B2; US20090104040A1; EP2050830A2; JP2009097052A

Abstract

Aleación a base de níquel para forjar, que incluye: 0,001 a 0,1% en peso de carbono; 12 a 23% en peso de cromo; 3,5 a 5,0% en peso de aluminio; 5 a 12% combinado en peso de tungsteno y molibdeno (en el que el contenido de molibdeno es 5% en peso o menos); 0,04% combinado en peso de titanio, tántalo y niobio, siendo el resto níquel e impurezas inevitables.

Description

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DESCRIPCIÓN

Aleación a base de níquel para forjar

Antecedentes de la invención

1.: Campo de la invención

La presente invención se refiere a aleaciones basadas en níquel y, particularmente, se refiere a aleaciones a base de níquel para forjar que tienen excelente resistencia mecánica a altas temperaturas y excelente resistencia a la oxidación.

2.: Descripción de la técnica relacionada

Para mejorar la eficiencia de generación de energía de generadores tales como generadores de turbinas de gas, es eficaz elevar la temperatura del vapor de agua principal o la temperatura de combustión. Cuando se incrementa la temperatura del vapor de agua principal (o la de combustión), también se eleva la temperatura de los componentes del generador. Dichos componentes usados a temperaturas mayores que las convencionales requieren ser fabricados de materiales que tengan una temperatura máxima admisible de uso mayor.

Los materiales para componentes a temperaturas altas se clasifican en materiales para fundición de precisión y materiales para forjar, dependiendo de su uso, temperatura y tamaño de los componentes. Los componentes pequeños usados a temperaturas altas (como álabes del estator y paletas del rotor de turbinas de gas) se forman usualmente por fundición de precisión. Por otro lado, los componentes grandes se forman usualmente por forja porque es difícil fabricarlos por fundición de precisión. Los materiales forjados se forjan generalmente en caliente a temperaturas en el intervalo de 1.000 a 1.200ºC y, por lo tanto, tienen deseablemente una resistencia baja a la deformación por encima de 1.000ºC para asegurar su aptitud de mecanización.

Las superaleaciones basadas en níquel (Ni) reforzadas por precipitación de la fase γ’ (Ni3Al) tienen excelente resistencia a temperaturas altas y, por lo tanto, se usan ampliamente para forjar componentes a temperaturas altas. Sin embargo, la presencia de precipitados de fase γ’ en la superaleación reduce su aptitud de mecanización en caliente. La fase γ’ es estable a temperaturas más bajas y se disuelve en la matriz por encima de una temperatura umbral. Por lo tanto, la mecanización en caliente se realiza usualmente por encima de la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos (temperatura de solubilidad de sólidos) de la fase γ’ (temperatura umbral a la que desaparecen precipitados de la fase γ’).

Cuanto mayor sea la cantidad de precipitados de fase γ’ en la aleación, mayor es la resistencia mecánica de la aleación, por lo que es deseable incrementar la cantidad de precipitados de fase γ’ a las temperaturas de uso de la aleación. Sin embargo, un incremento de la cantidad de precipitados de fase γ’ originará un incremento de la temperatura de la línea del límite se solución de sólidos (temperatura de solubilidad de sólidos) reduciendo así la aptitud de mecanización en caliente.

En general, se requiere que los componentes a temperaturas altas tengan una resistencia a la rotura por fluencia a

100.000 horas de 100 MPa a sus temperaturas de uso. En materiales convencionales, ha sido necesario que la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ de una aleación forjada se mantenga a 1.000ºC

o menos para asegurar suficiente aptitud de mecanización en caliente, y las temperaturas de uso permisibles de la aleación, a las que se satisfaga el requisito de resistencia antes mencionado, se limita a 750ºC o menos.

Además, dichas aleaciones se oxidan significativamente por encima de 750ºC. Por lo tanto, también es esencial incrementar la resistencia de una aleación a la oxidación para incrementar la temperatura máxima permisible de uso a más de 750ºC. Para incrementar la resistencia de una aleación a la oxidación, es eficaz añadir a la aleación aluminio (Al) puesto que los óxidos de aluminio son estables. Sin embargo, la adición de aluminio a una aleación incrementa la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ y reduce la aptitud de mecanización en caliente. Debido a esto, en aleaciones forjadas convencionales, se limita el contenido de aluminio a 3% en peso o menos, que es insuficiente para formar establemente óxidos de aluminio. En los documentos EP-A11065290 y EP-A1-1410872 se describen composiciones basadas en Cr-Ni que incluyen W y/o Mo con cantidades limitadas de Ti, Ta o Nb.

Además, de acuerdo con conocimientos convencionales, también es esencial añadir niobio (Nb), titanio (Ti) y tántalo (Ta) a aleaciones a base de níquel para forjar para estabilizar la fase γ’ a temperaturas más altas e incrementar la resistencia mecánica (véase el documento JP-A-2005-97650). Sin embargo, en aleaciones para forjar reforzadas por precipitación de la fase γ’, de acuerdo con la técnica anterior no se puede conseguir simultáneamente una aptitud suficiente de mecanización y una resistencia mecánica suficiente a temperaturas altas.

Compendio de la invención

Bajo estas circunstancias, para resolver los problemas antes mencionados, un objetivo de la presente invención es proporcionar una aleación a base de níquel para forjar, en la que la temperatura máxima permisible de uso se incrementa a un intervalo de 760 a 800ºC, manteniendo al mismo tiempo una buena aptitud de mecanización. Esto

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es, el objetivo de la invención es incrementar la temperatura máxima permisible de uso de aleaciones a base de níquel para forjar desde 750ºC (que es el límite de aleaciones convencionales) hasta un intervalo de 760-800ºC, manteniendo al mismo tiempo una aptitud de mecanización comparable a las de aleaciones convencionales.

Además, otro objetivo de la presente invención es formar una película de recubrimiento de aluminio sobre la 5 superficie de aleaciones a base de níquel para forjar para proporcionar mejor resistencia a la oxidación a las temperaturas de uso de la aleación.

Para cumplir los objetivos antes mencionados, los presentes inventores han estudiado minuciosamente las composiciones de aleaciones a base de níquel para forjar que pueden estabilizar la fase γ’ a temperaturas más bajas y desestabilizarla a temperaturas más altas. Y finalmente los inventores han encontrado las composiciones

10 óptimas de aleaciones a base de níquel para forjar, descritas básicamente en las reivindicaciones 1 a 7, que pueden incrementar mucho la temperatura máxima permisible de uso sin sacrificar la aptitud de mecanización en caliente.

(1) De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona una aleación a base de níquel para forjar (Ni), que incluye: 0,001 a 0,1% en peso de carbono (C); 12 a 23% en peso de cromo (Cr); 3,5 a 5,0% en peso de aluminio (Al); 5 a 12% combinado en peso de tungsteno (W) y molibdeno (Mo) (en la que el

15 contenido de molibdeno es 5% en peso o menos); una cantidad pequeña despreciable de titanio (Ti), tántalo (Ta) y niobio (Nb) inferior a 0,04% en peso; siendo el resto níquel (Ni) e impurezas inevitables.

(2) De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona una aleación a base de níquel para forjar (Ni), que incluye: 0,001 a 0,1% en peso de carbono (C); 12 a 23% en peso de cromo (Cr); 3,5 a 5,0% en peso de aluminio (Al); 15 a 23% en peso de cobalto (Co); 5 a 12% combinado en peso de tungsteno (W)

20 y molibdeno (Mo) (en la que el contenido de molibdeno es 5% en peso o menos); 1% combinado en peso o menos de renio (Re), rutenio (Ru) e indio (In); 0,5% combinado en peso o menos de titanio (Ti), tántalo (Ta) y niobio (Nb), siendo el resto níquel (Ni) e impurezas inevitables.

En los aspectos (1) y (2) antes mencionados de la presente invención, se pueden hacer los siguientes cambios y modificaciones.

25 (i) en la aleación a base de níquel para forjar precipitan de granos de fase de Ni3Al de un diámetro medio de 50 a 100 nm, con un porcentaje en volumen de 30% o más, a una temperatura de 700ºC o menos; la línea del límite de solución de sólidos (temperatura de solubilidad de sólidos) de la fase de Ni3Al es 1.000ºC o menos; la resistencia de la aleación a la rotura por fluencia a 100.000 horas es 100 MPa o más a 750ºC, y el contenido de carbono (C) está dentro del intervalo de 0,001 a 0,04% en peso.

30 (ii) Los componentes para uso en una planta de turbina de vapor de agua se fabrican de la aleación a base de níquel para forjar.

(iii) Los tubos de la caldera para uso en una planta de turbina de vapor de agua que tiene una temperatura principal del vapor de agua de 720ºC o más, los tornillos para uso en una planta de turbina de vapor de agua y usados a una temperatura de 750ºC o más, y los rotores de la turbina de vapor de agua usados a

35 una temperatura de 750ºC o más, son de la aleación a base de níquel para forjar.

Ventajas de la invención

La invención puede proporcionar una aleación a base de níquel para forjar, en la que la temperatura máxima permisible de uso se incrementa a un intervalo de 760 a 800ºC, sin sacrificar la aptitud de mecanización.

Breve descripción de los dibujos

40 La figura 1 muestra la relación entre la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ y la cantidad de precipitación de fase γ’ a 700ºC para los ejemplos A a D y para aleaciones convencionales.

La figura 2 muestra la cantidad de precipitación de fase γ’ en función de la temperatura para el ejemplo B y para aleaciones convencionales.

La figura 3 muestra resultados del ensayo de rotura por fluencia para los ejemplos A a C y para aleaciones 45 convencionales.

La figura 4A es una ilustración esquemática que muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de tubo de caldera para uso en una planta de turbina de vapor de agua.

La figura 4B es una ilustración esquemática que muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de rotor de turbina de vapor de agua para uso en una planta de turbina de vapor de agua.

50 La figura 4C es una ilustración esquemática que muestra una vista en sección transversal de un ejemplo de tornillo y tuerca para uso en una planta de turbina de vapor de agua.

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Descripción detallada de las realizaciones preferidas

En primer lugar, se describirán los equilibrios composicionales (composiciones químicas óptimas) de aleaciones a base de níquel para forjar, junto con la composición racional para dicha optimización.

El cromo es un elemento importante para mejorar la resistencia de una aleación a la corrosión, y, para dicho fin, se necesita típicamente la adición de 15% en peso o más de cromo a la aleación. Sin embargo, una adición excesiva de cromo origina precipitación de la fase α (conocida como fase de fragilidad), por lo que preferiblemente la adición de cromo se limita a 23% en peso o menos.

En un intervalo de temperaturas altas de mecanización en caliente de una aleación a base de níquel (por ejemplo, de 1.000 a 1.200ºC), el titanio, tántalo y niobio estabilizan la fase γ’ y contribuyen a aumentar la resistencia mecánica de la aleación, pero tienen sólo una contribución limitada a dicha estabilización cerca de la temperatura de uso (750ºC). Por lo tanto, deseablemente no se añaden dichos elementos a una superaleación cuando se atribuye más importancia a la aptitud de mecanización en caliente que a la resistencia mecánica. A este respecto, la presente invención es diferente de los conceptos de diseño de aleaciones convencionales. Además, el titanio, tántalo y niobio son susceptibles de ser oxidados. En consecuencia, en un aspecto de la presente invención, la aleación a base de níquel para forjar incluye preferiblemente una cantidad pequeña despreciable de titanio, tántalo y niobio. En la presente invención, la expresión “una aleación incluye una cantidad pequeña despreciable de un material” significa que el material no se ha añadido intencionadamente a la aleación, pero puede contaminar accidentalmente la aleación [por ejemplo, menos de 0,04% combinado de titanio, tántalo y niobio, medido por espectrometría de emisión atómica-plasma acoplado inductivamente (ICP-AES)]. En otro aspecto de la presente invención, la aleación a base de níquel para forjar puede incluir 0,5% combinado en peso o menos de titanio, tántalo y niobio.

El aluminio estabiliza la fase γ’ de una aleación y mejora la resistencia mecánica y la resistencia a la oxidación. El contenido de aluminio en la aleación es preferiblemente 3,5% en peso desde el punto de vista de la resistencia a la oxidación mientras que es preferiblemente 4% en peso o más desde el punto de vista de la resistencia mecánica. Sin embargo, un contenido de aluminio mayor que 5% en peso incrementará la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ por lo que reduce la aptitud de mecanización en caliente.

La adición de cobalto a una aleación tiene el efecto de reducir la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’, permitiendo así una reducción de la temperatura límite menor para una buena aptitud de mecanización en caliente y facilitando la mecanización en caliente. Dicha adición de cobalto también tiene el efecto de mejorar la resistencia a la oxidación y, para dicho fin, el contenido de cobalto en la aleación es preferiblemente 15% en peso o más. Sin embargo, es necesario limitar el contenido de cobalto a 23% en peso o menos porque una adición excesiva de cobalto estabiliza la fase σ.

También es deseable incrementar la resistencia mecánica de la propia matriz por una solución de sólidos en la que precipite la fase γ’. Además, también es deseable reducir el coeficiente de difusión del aluminio para eliminar la aspereza de los precipitados de la fase γ’. Para estos fines, es deseable la adición de un metal de temperatura de fusión alta, como molibdeno, tungsteno, renio, rutenio e indio, prefiriéndose particularmente tungsteno. Para asegurar los efectos antes mencionados, el contenido de tungsteno en la aleación es preferiblemente 5% en peso o más.

Sin embargo, una adición excesiva de tungsteno estabiliza las fases σ y µ de una aleación a base de níquel. También, el efecto de aumento de la resistencia mecánica por solución de sólidos de la matriz está presente todavía por encima de la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’, originando así efectos negativos sobre la aptitud de mecanización en caliente. Por lo tanto, es necesario limitar el contenido de tungsteno a 12% en peso o menos.

La adición de molibdeno a la aleación tiene el efecto de mejorar la resistencia mecánica y estabilizar las fases, lo cual es similar a los de la adición de tungsteno. Sin embargo, una adición excesiva de molibdeno origina defectos de segregación. Como resultado de estas consideraciones, es necesario limitar el contenido de molibdeno a 5% en peso o menos y limitar el contenido combinado de molibdeno y tungsteno a 12% en peso o menos. Además, es necesario limitar el contenido combinado de renio, ruteno e indio a 1% en peso o menos.

Una aleación a base de níquel de acuerdo con la presente invención basada en el concepto antes descrito exhibe excelentes resistencia a la fluencia y resistencia a la oxidación, manteniendo al mismo tiempo buena aptitud de mecanización en caliente comparable a las de aleaciones convencionales, como NIMONIC 263 (NIMONIC es una marca comercial registrada). La aleación a base de níquel de acuerdo con la presente invención se caracteriza porque tiene una resistencia a la rotura por fluencia a 100.000 horas de 100 MPa o más a una temperatura de 750ºC y tiene una película protectora contra la oxidación de óxido de aluminio autoformada sobre dicha aleación por un tratamiento de oxidación a temperaturas altas. Las aleaciones convencionales que tienen las ventajas de dicha resistencia alta a la rotura por fluencia y dicha autoformación de una película protectora contra la oxidación son difíciles de ser forjadas en caliente y necesitan ser fundidas por precisión. Sin embargo, la presente invención permite forjar en caliente aleaciones que tienen dichas propiedades excelentes.

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Ejemplos

La tabla 1 muestra composiciones nominales de muestras de ensayo (ejemplos A a D de la presente invención y ejemplos comparativos). En esta tabla, los ejemplos comparativos que tienen un nombre que empieza con “CON” son una aleación convencional a base de níquel.

Tabla 1

Composición nominal de muestras de ensayo (% en peso)

Muestra: C Ni Cr Mo Co Al Ti W Nb Ta

CON939: 0,14 Resto 23,2 18,7 1,9 3,8 2,1 1,0 1,38

Con500: 0,08 Resto 8,3 0,49 9,2 5,4 0,8 9,4 3,19

CON750: 0,05 Resto 19,5 4,3 13,5 1,3 3

CON222: 0,11 Resto 22 0 20 1,18 2,28 2 0,8 1,01

CON738: 0,12 Resto 22,9 20,6 1,6 2,8 7,1 0,9 1,18

CON111: 0,12 Resto 15,0 3 15 1,6 3 7,1 0,9 1,18

CON141: 0,03 Resto 19,0 10,2 1,58 1,38

Ej. A: 0,03 Resto 15 3,5 18 3,7 0 5,1 0 0

Ej. B: 0,03 Resto 15 0 20 4 0 7 0 0

Ej. C: 0,03 Resto 16 0 21 4,2 0 9 0 0

Ej. D: 0,03 Resto 17 0,1 17 4,9 0 7 0 0

Cada aleación de ensayo se fundió en un horno de fusión de alta frecuencia y se solidificó. Y, para preparar las muestras de ensayo, las aleaciones de ensayo forjables se forjaron y las no forjables se fundieron por precisión.

La figura 1 muestra la relación entre la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ y la cantidad de precipitación de fase γ’ (en porcentaje de superficie) a 700ºC para los ejemplos A a D y aleaciones convencionales. La temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ se puede determinar por análisis térmico diferencial.

El análisis térmico diferencial se realizó de la manera siguiente. Primero, cada muestra se sometió a un tratamiento de solución y envejecimiento artificial para precipitar la fase γ’. La temperatura de la línea del límite de solución de sólidos se determinó a partir de la temperatura a la que se detectó el calor de la reacción de solución, que se desprende cuando los precipitados de fase γ’ se disuelven (para ser solución de sólidos) en la matriz de la aleación.

La cantidad de precipitación de fase γ’ de cada muestra a 700ºC se determinó envejeciendo la muestra a 700ºC durante un período de tiempo largo y realizando después análisis de imágenes por SEM (microscopía electrónica de barrido). El tiempo de envejecimiento fue 48 horas.

Como se muestra en la figura 1, en las aleaciones convencionales, cuanto mayor sea la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos, mayor es la cantidad de precipitación de fase γ’ a 700ºC y, por lo tanto, mayor es la resistencia mecánica de la aleación. Puesto que esta presencia de fase γ’ en una aleación perjudica seriamente la aptitud de mecanización en caliente, es necesario que la mecanización de la aleación en caliente se realice a temperaturas más altas que la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’. Sin embargo, las aleaciones que tienen una temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ mayor que 1.050ºC son difíciles de mecanizar en caliente. Por lo tanto, las aleaciones convencionales que tienen mayor resistencia mecánica son más difíciles de mecanizar en caliente y se pueden usar sólo para fundición de precisión.

Es difícil fundir productos de gran tamaño debido a defectos de fusión por lo que dichos productos de gran tamaño necesitan ser forjados. Sin embargo, en aleaciones para forjar convencionales, el porcentaje de la superficie de fase γ’ que se pueda precipitar a 700ºC está limitado a menos de aproximadamente 25%.

Como se puede ver en la figura 1, en las aleaciones de acuerdo con la invención (ejemplos A a D), la fase γ’ puede precipitar en una porcentaje de superficie del 32% o más a 700ºC, incluso cuando la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ sea tan baja como aproximadamente 1.000ºC o menos. Así, la aleación a base de níquel para forjar de la presente invención tiene potencial de incrementar mucho la resistencia mecánica a temperaturas altas en comparación con aleaciones convencionales.

La figura 2 muestra la cantidad de precipitación de fase γ’ en función de la temperatura en el ejemplo B y aleaciones convencionales. En el ejemplo B, la cantidad de precipitación de fase γ’ a las temperaturas de uso típicas de 700800ºC puede ser mayor que las obtenidas en las aleaciones convencionales (por ejemplo, CON141 y CON263), mientras que la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ disminuye a menos que las temperaturas típicas de forja de 1.000ºC. Además, CON263 es la misma aleación que NIMONIC 263.

La muestra CON222 tiene una temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ de aproximadamente 1.050ºC y es difícil de mecanizar en caliente. Así, las aleaciones que tienen una composición similar a la del ejemplo CON222 se pueden usar sólo para producción de fundición de precisión, como álabes de

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estator de turbinas de gas. Además, la resistencia de la muestra CON222 a la rotura por fluencia a 100.000 horas a 800ºC está en el intervalo de 100 MPa. Por el contrario, en el ejemplo B, la cantidad de precipitación de fase γ’ a 700-800ºC se puede hacer comparable o mayor que las obtenidas en aleaciones convencionales para fundición de precisión (por ejemplo, CON222) para álabes de estator de turbinas de gas mientras que la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ puede disminuir a un nivel de temperatura comparable a la obtenida en aleaciones para forjar convencionales (por ejemplo, CON141 y CON263).

A continuación se describirán resultados de mediciones de la resistencia mecánica a temperaturas altas. Las mediciones se realizaron en los ejemplos A, B y C como aleaciones de la invención. Como aleaciones comparativas, se usaron las muestras CON141, CON263 y CON222.

Cada aleación de muestra (20 kg) se fundió y solidificó en un horno de fusión al vacío de alta frecuencia y después se forjó en caliente para preparar una varilla de 40 mm de diámetro. La temperatura de forja fue 1.050-1.200ºC. Todas las muestras excepto la muestra CON222 pudieron ser forjadas sin ningún problema.

Sin embargo, la muestra CON222 tuvo fisuras en su superficie. Esto es porque la aleación CON222 es difícil de forjar y su aplicación está limitada usualmente a la fundición de precisión de productos tales como álabes de estator de turbinas de gas, como se ha descrito anteriormente. Después, se continuó la operación de forja de la muestra CON222 eliminando las fisuras con una muela.

Después de eso, la varilla redonda de un diámetro de 40 mm se mecanizó reduciendo su diámetro a 15 mm con un aparato de estampación en caliente. La muestra CON222 desarrolló fisuras grandes cuando su diámetro se redujo a aproximadamente 30 mm y no se pudo forjar más.

Las otras muestras pudieron ser mecanizadas en caliente para formar una varilla redonda de 15 mm de diámetro sin ningún problema. Las muestras se sometieron a un tratamiento de solución por encima de la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ y después se sometieron un tratamiento de envejecimiento artificial por debajo de la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos de la fase γ’ para formar precipitados de fase γ’ de 50 a 100 nm de tamaño. Una pieza de ensayo de deslizamiento que tenía una porción hueca de 6 mm de diámetro y 30 mm de longitud se mecanizó de la varilla redonda tratada en solución de 15 mm de diámetro y envejecida artificialmente y se sometió a un ensayo de fluencia a 800-850ºC.

La figura 3 muestra resultados del ensayo de rotura por fluencia en los ejemplos A a C y en aleaciones convencionales. Se debe añadir que, puesto que la muestra CON222 fue difícil de mecanizar en caliente, el lingote de la muestra CON222, que se había obtenido por fusión al vacío, se volvió a fundir y a fundir por precisión para formar una varilla redonda de 15 mm de diámetro.

Como se muestra en la figura 3, los ejemplos A a C de la presente invención tienen una duración antes de la rotura por fluencia tres veces mayor que la muestra CON750 (no mostrada en la figura 3). En la presente memoria, la temperatura soportable a la rotura por fluencia de un material se define como la temperatura estimada a la que el material tiene una resistencia a la rotura por fluencia a 100.000 horas de 100 MPa, y se puede estimar usando el parámetro de Larson-Miller (LMP) {LMP = [T x log (t + 20)] / 1.000}, en la que T = temperatura absoluta e y = tiempo de rotura por fluencia}. Las temperaturas soportables de rotura por fluencia de los ejemplos A, B y C son, respectivamente, 775, 780 y 800ºC, que son mayores que la temperatura soportable de rotura por fluencia (750ºC) de la muestra CON750. Además, el ejemplo D (no mostrado en la figura 3) exhibió una resistencia a la rotura por fluencia aún mayor.

Los resultados anteriores muestran que las aleaciones a base de níquel para forjar de la presente invención tienen una aptitud de mecanización en caliente comparable a las de aleaciones convencionales, con una resistencia mecánica mucho mayor que las de las aleaciones convencionales. La invención puede mejorar más la eficiencia de generadores de turbinas de gas y de vapor de agua, originando así una reducción importante en la emisión de CO2.

Más adelante se describirán ejemplos de componentes forjados de la aleación a base de níquel de la presente invención.

La figura 4A es una ilustración esquemática que muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de tubo de caldera para uso en una planta de turbina de vapor de agua. La temperatura máxima del vapor de agua principal de plantas de turbinas de vapor de agua usadas actualmente está limitada a 600-620ºC. Por lo tanto, para incrementar la temperatura del vapor de agua principal hasta 700ºC para conseguir una mayor eficiencia, se están realizando esfuerzos de investigación y desarrollo. Cuando la temperatura del vapor de agua principal es 700ºC, la temperatura de la caldera aumenta por encima de 750ºC. Como la temperatura máxima permisible de uso de las aleaciones forjadas convencionales está limitada a 750ºC, es difícil incrementar la temperatura del vapor de agua principal a 700ºC o más.

Por otro lado, 750-800ºC o más es la temperatura máxima permisible de uso de las aleaciones basadas en níquel de la presente invención. Por lo tanto, con tubos de caldera fabricados de la aleación de la presente invención, se puede incrementar la temperatura del vapor de agua principal a 730ºC o más. El vapor de agua principal entra en una turbina donde el vapor de agua produce trabajo, y sale de la turbina y se enfría a aproximadamente 300ºC, y

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retorna a la caldera que recalienta el vapor de agua. Usando la aleación de la invención, la temperatura del vapor de agua recalentado en la caldera puede aumentar a 800ºC o más y la temperatura del vapor de agua que entra en la turbina se puede incrementar a 750ºC o más.

La figura 4B es una ilustración esquemática que muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de rotor de turbina de vapor de agua para uso en una planta de turbina de vapor de agua. No se pueden usar superaleaciones para forjar productos que pesen más de 10 toneladas debido a las limitaciones del equipo de forja. Por lo tanto, es necesario ensamblar por soldadura los rotores que pesen más de 10 toneladas. Típicamente, se usa una superaleación en el lado de alta temperatura de un rotor por donde entra el vapor de agua y se usa una acero ferrítico resistente al calor en el lado de baja temperatura. La aleación a base de níquel de la presente invención se puede usar en las partes más calientes del rotor. Como se ha mencionado anteriormente, la temperatura máxima permisible de uso de aleaciones convencionales que han de ser forjadas es 750ºC. Por lo tanto, cuando la temperatura del vapor de agua en una turbina supera los 750ºC, es necesario enfriar el vapor de agua usando vapor de agua de menor temperatura y mayor presión para evitar que el vapor de agua supere la temperatura máxima de uso del material del rotor.

Dicho sistema de enfriamiento presenta los problemas de añadir complejidad a la estructura de la turbina y reducir la eficiencia térmica. Por el contrario, la aleación a base de níquel de la presente invención tiene una temperatura máxima permisible de uso de 750ºC o más, eliminando así dicho sistema de enfriamiento cuando se usa en partes de un rotor a alta temperatura.

La figura 4C es una ilustración esquemática que muestra una vista en sección transversal de un ejemplo de tornillo y tuerca para uso en una planta de turbina de vapor de agua. El bastidor de la turbina necesita ser resistente a presiones y temperaturas altas y típicamente se ensambla por tornillos, por separado de las partes fundidas superior e inferior del bastidor. Dichas partes superior e inferior del bastidor pueden soportar presiones altas incluso a temperaturas más altas incrementando el espesor de la pared. Sin embargo, un problema es que cuando un material forjado convencional se usa para tornillos de un bastidor de turbina, los tornillos son propensos a aflojarse debido a deformación por fluencia cuando se exponen a una temperatura mayor que la usual. Por el contrario, las aleaciones basadas en níquel de la presente invención exhiben una baja deformación por fluencia incluso a temperaturas más altas y, por lo tanto, el uso de la aleación de la invención como material para dichos tornillos y tuercas puede evitar ventajosamente dicho aflojamiento de los tornillos.

Como se ha descrito anteriormente, las aleaciones a base de níquel para forjar de la presente invención se pueden usar en componentes de sistemas a temperaturas altas y presiones altas, como turbinas de gas y de vapor de agua. Y con dichas turbinas de gas y de vapor de agua, se puede mejorar la eficiencia de generación eléctrica incrementando la temperatura del vapor de agua principal o la temperatura de combustión.

Aunque se ha descrito la invención con respecto a realizaciones específicas para su descripción clara y completa, las reivindicaciones adjuntas no han de estar así limitadas sino que han de ser interpretadas como realizaciones de todas las modificaciones y construcciones alternativas que se pueden presentar a los expertos en la materia y que caen realmente dentro de la descripción básica especificada en la presente memoria.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

REIVINDICACIONES

1.

Aleación a base de níquel para forjar, que incluye:

0,001 a 0,1% en peso de carbono; 12 a 23% en peso de cromo; 3,5 a 5,0% en peso de aluminio; 5 a 12% combinado en peso de tungsteno y molibdeno (en el que el contenido de molibdeno es 5% en peso o menos); 0,04% combinado en peso de titanio, tántalo y niobio, siendo el resto níquel e impurezas inevitables.
2.

Aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 1, en la que:

en la aleación precipitan granos de fase de Ni3Al de un diámetro medio de 50 a 100 nm, con un porcentaje en volumen de 30% o más, a una temperatura igual o menor que 700ºC; la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos (temperatura de solubilidad de sólidos) de la fase de Ni3Al es 1.000ºC o menos; la resistencia de la aleación a la rotura por fluencia a 100.000 horas es 100 MPa o más a 750ºC, y el contenido de carbono es 0,001 a 0,04% en peso.
3.

Componentes para uso en una planta de turbina de vapor de agua, fabricados de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2.
4.

Tubos de caldera para uso en una planta de turbina de vapor de agua que tiene una temperatura del vapor de agua principal de 720ºC o más, fabricados de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2.
5.

Tornillos para uso en una planta de turbina de vapor de agua y uso a una temperatura de 750ºC o más, fabricados de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2.
6.

Rotor de turbina de vapor de agua para uso a una temperatura de 750ºC o más, fabricado de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2.
7.

Aleación a base de níquel para forjar, que incluye:

0,001 a 0,1% en peso de carbono; 12 a 23% en peso de cromo; 3,5 a 5,0% en peso de aluminio; 15 a 23% en peso de cobalto; 5 a 12% combinado en peso de tungsteno y molibdeno (en el que el contenido de molibdeno es 5% en peso o menos); 1% combinado en peso o menos de renio, rutenio e indio; 0,5% combinado en peso o menos de titanio, tántalo y niobio, siendo el resto níquel e impurezas inevitables.
8.

Aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 7, en la que:

en la aleación precipitan granos de fase de Ni3Al de un diámetro medio de 50 a 100 nm, con un porcentaje en volumen de 30% o más, a una temperatura igual o menor que 700ºC; la temperatura de la línea del límite de solución de sólidos (temperatura de solubilidad de sólidos) de la fase de Ni3Al es 1.000ºC o menos; la resistencia de la aleación a la rotura por fluencia a 100.000 horas es 100 MPa o más a 750ºC, y el contenido de carbono es 0,001 a 0,04% en peso.
9.

Componentes para uso en una planta de turbina de vapor de agua, fabricados de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 7 u 8.
10.

Tubos de caldera para uso en una planta de turbina de vapor de agua que tiene una temperatura del vapor de agua principal de 720ºC o más, fabricados de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 7 u 8.
11.

Tornillos para uso en una planta de turbina de vapor de agua y uso a una temperatura de 750ºC o más, fabricados de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 7 u 8.
12.

Rotor para turbina de vapor de agua para uso a una temperatura de 750ºC o más, fabricado de la aleación a base de níquel para forjar de acuerdo con la reivindicación 7 u 8.

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