WO2022089814A1 - Legierung, rohteil, bauteil aus austenit sowie ein verfahren zur wärmebehandlung eines austenits - Google Patents

Legierung, rohteil, bauteil aus austenit sowie ein verfahren zur wärmebehandlung eines austenits Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an austenite alloy, a blank which is produced in particular by forging and is suitable for components in high-temperature applications, and a method.
  • forged disks for rotors of turbines in particular of gas turbines, have hitherto been produced from different forged steels.
  • NiCrMoV is used for compressor disks or CrMoWVNbN for turbine disks.
  • the A286 standard alloy has long been evaluated for use in steam turbine blades. It was shown that the material A286 standard itself has a potential for use up to 923K.
  • Annealing annealing [AN] and various aging as heat treatments (aging [AG]) for austenite in general and specifically for the subject of the alloy according to the invention:
  • the first solution annealing is at 1253K, the first aging at 1033K and the second aging at 993K;
  • the first solution annealing is at 1253K, the first aging at 993K and the second aging at 1033K and the third aging at 953KC,
  • the first solution annealing is at 1253K, the first aging at 1033K, the second aging at 993K and the third aging at 953K,
  • the first solution anneal is at 1293K, the first aging at 1033K and the second aging at 923K.
  • Austenitic steel has the following composition:
  • a blank is cast from such an alloy according to the prior art and forged according to the prior art.

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Abstract

Legierung, Rohteil, Bauteil aus Austenit sowie ein Verfahren Durch die neue Legierung können Austenite bei höheren Temperaturen verwendet werden, wobei auch neue Wärmebehandlungen angewendet werden.

Description

Beschreibung
LEGIERUNG, ROHTEIL, BAUTEIL AUS AUSTENIT SOWIE EIN VERFAHREN ZUR WÄRMEBEHANDLUNG EINES AUSTENITS
Die Erfindung betri f ft eine Legierung eines Austenits , ein Rohteil , das insbesondere durch Schmiedung hergestellt wird und für Bauteile in Hochtemperaturanwendungen geeignet ist sowie ein Verfahren .
Je nach Anwendungsbedingung werden Schmiedescheiben für Rotoren von Turbinen, insbesondere von Gasturbinen, bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt . So wird NiCrMoV für Verdichterscheiben oder CrMoWVNbN für die 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 .
Für höhere Einsat ztemperaturen gibt es aktuell keine Lösung mit Austenitstählen .
Aktuell wird überlegt auf Nickelscheiben überzugehen . Mit diesen sollten Einsat ztemperaturen >923K möglich sein .
Leider haben solche Bauteile folgende Nachteile , nämlich :
- 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 gemäß Anspruch 1 , ein Rohteil gemäß Anspruch 2 und ein Bauteil gemäß Anspruch 3 und ein Verfahren nach Anspruch 9 . In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können .
Die A286-Standard-Legierung wurde bei der Dampfturbine zur Verwendung für Schaufeln seit langem evaluiert . Dabei zeigte sich, dass der Werkstof f A286-Standard an sich ein Einsatzpotential bis 923K aufweist .
Leider ist aber die Festigkeit zu gering .
Neuere Überlegungen zeigen, dass durch eine Adaptierung der Chemie , insbesondere durch eine Erhöhung des Mangananteils (Mn) , des Titangehalts ( Ti ) und/oder Molybdängehalts sowie Reduktion des Sili ziumanteils ( Si ) die benötigte Festigkeit möglich ist .
Mit dem Rohteil werden unterschiedliche Wärmebehandlungen durchgeführt , mit Bezug zum Festigkeits-Zähigkeitsgleichgewicht und der Kerbempfindlichkeit .
Folgende Wärmebehandlungen (HT ) werden erfindungsgemäß durchgeführt :
Glühen = Annealing [AN] sowie verschiedene Auslagerungen als Wärmebehandlungen (Aging [AG] ) für Austenite im Allgemeinen und speziell für den Gegenstand der erfindungsgemäßen Legierung :
Nr . AN 1 . AG 2 . AG 3 . AG
1 1253K 993K
2 1253K 993K 953K
3 1253K 1033K 993K
4 1253K 993K 1033K 953K
5 1253K 1033K 993K 953K
6 1293K 1033K 923K Als Wärmebehandlung stehen folgende Varianten zur Verfügung :
• Lösungslösung bei 1253K und bei nur einer Auslagerung bei 993K;
• bei der zweiten Variante ausgehend von der ersten Variante liegt zusätzlich eine zweite Auslagerung bei 953K;
• bei der dritten Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1253K, die erste Auslagerung bei 1033K und die zweite Auslagerung bei 993K;
• bei der vierten Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1253K, die erste Auslagerung bei 993K und die zweite Auslagerung bei 1033K und die dritte Auslagerung bei 953KC,
• bei der fünften Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1253K, die erste Auslagerung bei 1033K, die zweite Auslagerung bei 993K und die dritte Auslagerung bei 953K,
• bei der sechsten Variante liegt die erste Lösungsglühung bei 1293K, die erste Auslagerung bei 1033K und die zweite Auslagerung bei 923K .
Neben der Anwendung als Schmiedescheibe in der Gasturbine sind weitere Anwendungen denkbar, dazu zählen :
- Gasturbinenschaufel ,
- Gasturbinenringe ,
- Dampfturbinenschaufel oder
- als Dampfturbinenschmiedeteil .
Die Vorteile sind :
- Erweiterung des Einsatzbereiches preiswerter Eisenbasislegierungen im Vergleich zu teuren Nickelbasiswerkstof fen
- 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 bei allen probabilistischen Ansätzen - Anwendungstemperatur kann erhöht werden und ermöglicht daher Leistungs- und Perf ormancesteigerung der Maschine, ohne dass externe Kühlung notwendig ist.
Folgende Zusammensetzung hat der austenitische Stahl:
Legierung aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%) :
Kohlenstoff (C) 0, 03% 0, 08% Silizium (Si) 0,20% 0,40% Mangan (Mn) 1, 60% 2, 00% Chrom (Cr) 13,5% 16, 0% Molybdän (Mo) 2, 00% 2,50% Nickel (Ni) 24, 0% 27, 0% Vanadium (V) 0,25% 0,35% Aluminium (Al) 0,40% 0, 60% Titan (Ti) 2, 00% 2,30% Niob (Nb) 1, 00% 1,20% Wolfram (W) 1, 80% 2,20% Bor (B) 0, 004% 0, 006% optional Phosphor (P) bis 0, 025% Schwefel (S) bis 0, 015% Arsen (As) bis 0, 008% Zinn (Sn) bis 0, 008% Antimon (Sb) bis 0, 002% Stickstoff (N) bis 0, 005% Rest Eisen.
Aus einer solchen Legierung wird ein Rohteil nach dem Stand der Technik gegossen und nach dem Stand der Technik geschmiedet .

Claims

5 Patentansprüche
1. Legierung, aufweisend, insbesondere bestehend aus (in Gew.%) :
Kohlenstoff (C) 0,02% - 0,08% Silizium (Si) 0,20% - 0,40% Mangan (Mn) 1, 60% - 2, 00% Chrom (Cr) 13,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 2, 00% - 2,50% Nickel (Ni) 24,0% - 27, 0% Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Aluminium (Al) 0,40% - 0, 60% Titan (Ti) 2, 00% - 2,50% Niob (Nb) 1, 00% - 1,20% Wolfram (W) 1, 80% - 2,20% Bor (B) 0,004% - 0,006% optional : Arsen (As) bis 0, 008% Zinn (Sn) bis 0, 008% Antimon (Sb) bis 0, 002% Stickstoff (N) bis 0, 005% Phosphor (P) bis 0, 025% Schwefel (S) bis 0, 015% Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen
2. Rohteil, insbesondere als Schmiedeteil, aufweisend eine eisenbasierte Legierung die eisenbasierte Legierung weist auf
Figure imgf000006_0001
Gew . % ) : Kohlenstoff (C) 0,02% - 0,08% Silizium (Si) 0,20% - 0,40% Mangan (Mn) 1, 60% - 2, 00% Chrom (Cr) 13,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 2, 00% - 2,50% Nickel (Ni) 24,0% - 27, 0% Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Aluminium (Al) 0,40% - 0, 60% Titan (Ti) 2, 00% - 2,50% Niob (Nb) 1, 00% - 1,20% Wolfram (W) 1, 80% - 2,20% Bor (B) 0,004% - 0,006% optional : Arsen (As) bis 0, 008% Zinn (Sn) bis 0, 008% Antimon (Sb) bis 0, 002% Stickstoff (N) bis 0, 005%
Phosphor (P) bis 0, 025% Schwefel (S) bis 0, 015% und unvermeidbare Verunreinigungen Bauteil, aufweisend eine eisenbasierte Legierung die eisenbasierte Legierung weist auf
Figure imgf000007_0001
Gew . % ) : Kohlenstoff (C) 0,02% - 0,08% Silizium (Si) 0,20% - 0,40% Mangan (Mn) 1, 60% - 2, 00% Chrom (Cr) 13,5% - 16,0% Molybdän (Mo) 2, 00% - 2,50% Nickel (Ni) 24,0% - 27, 0% Vanadium (V) 0,25% - 0,35% Aluminium (Al) 0,40% - 0, 60% Titan (Ti) 2, 00% - 2,50% Niob (Nb) 1, 00% - 1,20% Wolfram (W) 1, 80% - 2,20% Bor (B) 0,004% - 0,006% optional : Arsen (As) bis 0, 008% Zinn (Sn) bis 0, 008% Antimon (Sb) bis 0, 002% Stickstoff (N) bis 0, 005% Phosphor (P) bis 0, 025% Schwefel (S) bis 0, 015% und unvermeidbare Verunreinigungen . 7
4. Legierung, Rohteil oder Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, aufweisend 0,02Gew.% Kohlenstoff (C) .
5. Legierung, Rohteil oder Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, aufweisend 0,03Gew.% - 0,08Gew.% (Kohlenstoff (C) .
6. Legierung, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, aufweisend 2,5Gew.% Titan (Ti) .
7. Legierung, Rohteil oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, aufweisend 2,0Gew.% - 2,3Gew.% Titan (Ti) .
8. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 3, 4, 5, 6 oder 7, darstellend eine Rotorscheibe oder Turbinenschaufel oder, Turbinenring, insbesondere jeweils einer Gasturbine oder Dampfturbinenschaufel oder Dampf turb inen schmiede teil und insbesondere mit einer Wärmebehandlung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14.
9. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Austenits, insbesondere eines Rohteils oder Bauteils nach einem oder mehreren Ansprüche 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, aufweisend : eine Lösungsglühung bei mindestens 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 993K, optional einer zweite Auslagerung bei mindestens 923K, insbesondere mindestens 30K unterhalb der Temperatur der ersten Auslagerung, optional 8 eine dritte Auslagerung bei mindestens 953K, die mindestens 30K unterhalb der Temperatur der zweiten Auslagerung liegt , insbesondere bei 953K . . Verfahren nach Anspruch 9 , aufweisend eine Lösungsglühung bei 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 993K, insbesondere bei 993K, optional eine zweite und/oder dritte Auslagerung . . Verfahren nach Anspruch 9 , aufweisend eine Lösungsglühung bei 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 1033K, insbesondere bei 1033K, optional eine zweite und/oder dritte Auslagerung . . Verfahren nach Anspruch 9 , aufweisend eine Lösungsglühung bei 1293K, eine erste Auslagerung bei mindestens 1033K, insbesondere bei 1033K, optional eine zweite und/oder dritte Auslagerung . . Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 , 10 , 11 oder 12 , aufweisend eine Lösungsglühung bei mindestens 1253K, eine erste Auslagerung mindestens bei 993K, eine zweite Auslagerung bei mindestens 923K, insbesondere bei 923K, optional eine dritte Auslagerung . 9 . Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9, 10,
11 oder 12, aufweisend eine Lösungsglühung bei mindestens 1253K, eine erste Auslagerung bei mindestens 993K, eine zweite Auslagerung bei mindestens 923K, optional eine dritte Auslagerung bei 953K. . Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9, 10,
11, 12, 13 oder 14, bestehend aus einer Lösungsglühung bei mindestens 1253K, einer ersten Auslagerung bei mindestens 993K. . Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9, 10,
11, 12, 13 oder 14, bestehend aus einer Lösungsglühung bei mindestens 1253K, einer ersten Auslagerung bei mindestens 993K, einer zweiten Auslagerung bei mindestens 923K. . Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9, 10,
11, 12, 13 oder 14, bestehend aus einer Lösungsglühung bei mindestens 1253K, einer ersten Auslagerung bei mindestens 993K, einer zweiten Auslagerung bei mindestens 923K, sowie einer dritten Auslagerung bei mindestens 953K.
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