ЧУГУН С НИОБИЕМ И КОНСТРУКЦИОННАЯ ДЕТАЛЬ Российский патент 2017 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к чугуну с ниобием согласно пункту 1 патентной формулы и к конструкционной детали согласно пункту 16 патентной формулы.

В известных и применяемых чугунных сплавах (так называемых GJS-сплавах: чугун с шаровидным графитом) для повышения сопротивления ползучести, стойкости к образованию окалины и LCF-характеристик (малоцикловой пластической усталости) главным образом используются кремний и молибден. Но при этом данные элементы со временем ведут к заметному снижению ковкости.

Более того, молибден проявляет очень большое возрастание крутизны характеристики.

Поэтому задача изобретения состоит в создании сплава и конструкционной детали, которые преодолевают вышеуказанные недостатки и имеют улучшенные характеристики механической прочности на всем протяжении продолжительности эксплуатации.

Задача решена с помощью сплава согласно пункту 1 патентной формулы, и конструкционной детали согласно пункту 16 патентной формулы.

В зависимых пунктах патентной формулы перечислены дополнительные предпочтительные меры, которые объединяются между собой любым полезным образом.

Изобретение состоит в том, что молибден может быть частично замещен кобальтом и/или ниобием. Тем самым могут быть преодолены ограничения применимости, которые имеют существовавшие до сих пор GJS-сплавы.

Соответствующий изобретению сплав на основе железа имеет высокие характеристики относительного удлинения для области применения в диапазоне температур 450ºС–550ºС и имеет следующий состав (в % по весу):

кремний (Si) 2,0%-4,5%, в частности 2,3%-3,9%

углерод (C) 2,9%-4,0%, в частности 3,2%-3,7%,

ниобий (Nb) 0,05%-0,7%, в частности 0,05%-0,6%, наиболее предпочтительно от 0,1% до 0,7%,

молибден (Mo) 0,3%-1,5%, в частности 0,4%-1,0%, наиболее предпочтительно 0,5%,

необязательно

кобальт (Co) 0,1%-2,0%, в частности 0,1%-1,0%,

марганец (Mn) ≤ 0,3%, в частности 0,15-0,30%,

никель (Ni) ≤ 0,5%, в частности ≤ 0,3%,

магний (Mg) ≤ 0,07%, в частности по меньшей мере 0,03%, наиболее предпочтительно 0,03%-0,06%

фосфор (P) ≤ 0,05%, в частности 0,02%-0,035%,

сера (S) ≤ 0,012%, в частности ≤ 0,005%, наиболее предпочтительно между 0,003% и 0,012%,

хром (Cr) ≤ 0,1%, в частности ≤ 0,05%,

сурьма (Sb) ≤ 0,004%, в частности ≤ 0,003%,

железо (Fe),

в частности, остальное количество составляет железо.

Является предпочтительным, чтобы содержание кремния, кобальта, ниобия и молибдена составляло ≤ 7,5% по весу, в частности ≤ 6,5% по весу.

Даже незначительные уровни содержания кобальта и/или ниобия и молибдена улучшают механические характеристики.

Ниобий повышает сопротивление ползучести при неизменной высокой LCF-прочности и хорошей ударной вязкости.

Ниобий в результате выделения тонкодисперсных карбидов ниобия (Nb) обусловливает повышенную жаропрочность, благодаря чему пределы применимости сдвигаются в область более высоких температур.

Кобальт обеспечивает упрочнение твердого раствора, которое оказывает положительное влияние на свойства сплава при высоких температурах и низких напряжениях.

Совместное легирование молибденом (предпочтительно 0,4% - 1,0%) оказывает положительное влияние на жаропрочность (Rp0,2 (предел текучести 0,2 МПа) и Rm (предел прочности на разрыв) в диапазоне повышенных температур) и сопротивление ползучести (предел ползучести).

Содержание кобальта в сплаве предпочтительно варьирует между 0,5% по весу до 1,5% по весу.

Предпочтительные механические характеристики сплава в каждом случае достигаются, когда содержание кобальта составляет от 0,1% по весу до 1,0% по весу.

Посредством магния обеспечивается формирование сферического графита, и магний предпочтительно присутствует в количестве по меньшей мере 0,03% по весу, максимально 0,07% по весу.

В зависимости от применения хром (Cr) предпочтительно присутствует в количестве по меньшей мере 0,01% по весу, но максимально 0,05% по весу, чем повышается устойчивость к окислению.

Сплав может иметь дополнительные элементы.

По обстоятельствам, в сплаве присутствуют небольшие количества примесей, по меньшей мере:

фосфор (Р) 0,05% по весу

сера (S) 0,001% по весу

магний (Mg) 0,01% по весу

сурьма (Sb)

церий (Се),

которые оказывают положительное влияние на литейные свойства и/или образование шаровидного графита, но также не должны присутствовать в слишком большом количестве, так как в противном случае преобладают негативные влияния.

Кроме того, предпочтительно, чтобы в сплаве не присутствовал хром (Cr).

Примеры осуществления изобретения более подробно разъясняются с помощью следующих фигур.

Как показано:

Фигура 1 представляет паровую турбину,

Фигура 2 представляет газовую турбину.

Конструкционная деталь из сплава проявляет оптимальную ферритную структуру с шаровидным графитом.

Таблица показывает примерные соответствующие изобретению сплавы на основе железа (в % по весу), которые имеют улучшенные механические свойства.

Дополнительными примерами в отношении основных элементов сплавов являются:

Сплав предпочтительно не содержит ванадий (V), и/или титан (Ti), и/или тантал (Та), и/или медь (Cu).

Соотношение между С и Si должно отвечать близкому к эвтектическому составу, то есть углеродный эквивалент СЕ должен соответствовать величине между 4,1% и 4,4%

(СЕ = весовых процентов С + [(весовых процентов Si + весовых процентов Р)/3]).

На фигуре 1 представлена паровая турбина 300, 303 с протяженным вдоль оси 306 вращения валом 309 турбины.

Паровая турбина имеет турбинную секцию 300 высокого давления и турбинную секцию 303 среднего давления, в каждом случае с внутренним корпусом 312 и охватывающим его наружным корпусом 315. Турбинная секция 300 высокого давления, например, выполнена с конструкцией генератора с несущими крышками. Турбинная секция 303 среднего давления, например, сконструирована в двухпоточном исполнении. Также возможно, что турбинная секция 303 среднего давления выполнена в однопоточном варианте.

Вдоль оси 306 вращения между турбинной секцией 300 высокого давления и турбинной секцией 303 среднего давления размещен подшипник 318, причем вал 309 турбины имеет в подшипнике 318 опорный участок 321. Вал 309 турбины опирается на дополнительный подшипник 324 около турбинной секции 300 высокого давления. В области этого подшипника 324 турбинная секция 300 высокого давления имеет уплотнение 345 вала. Вал 309 турбины уплотнен относительно наружного корпуса 315 турбинной секции 303 среднего давления двумя дополнительными уплотнениями 345 вала. Между участком 348 впуска высоконапорного пара и участком 351 выпуска высоконапорного пара вал 309 турбины в турбинной секции 300 высокого давления имеет набор 357 рабочих лопаток высокого давления. Этот набор 357 рабочих лопаток высокого давления с принадлежащими ему, более подробно не показанными, рабочими лопатками представляет собой участок 360 системы лопаток.

Турбинная секция 303 среднего давления имеет центральный участок 333 впуска пара. В сопряжении с участком 333 впуска пара вал 309 турбины имеет радиально-симметричное ограждение 363 вала, защитную пластину с одной стороны для разделения потока пара на оба потока турбинной секции 303 среднего давления, а также для предотвращения непосредственного контакта горячего пара с валом 309 турбины. Вал 309 турбины в турбинной секции 303 среднего давления имеет второй участок 366 системы лопаток с рабочими лопатками 354 среднего давления. Протекающий через второй участок 366 системы лопаток горячий пар проходит из турбинной секции 303 среднего давления через выпускной патрубок 369 в аэрогидродинамически подсоединенную ниже по потоку непоказанную турбинную секцию низкого давления.

Вал 309 турбины, например, состоит из двух секционных валов 309а и 309b турбины, которые в области подшипника 318 прочно соединены друг с другом. Каждый секционный вал 309а и 309b турбины имеет выполненный в виде центрального просверленного отверстия протяженный вдоль оси 306 вращения охлаждающий канал 372. Охлаждающий канал 372 соединен с участком 351 выпуска пара через имеющий радиальное отверстие 375а приточный трубопровод 375. В турбинной секции 303 среднего давления канал 372 для охлаждающей среды соединен с не показанной более подробно полостью внутри ограждения вала. Приточные трубопроводы 375 выполнены как радиальное отверстие 375а, благодаря чему «более холодный» пар из турбинной секции 300 высокого давления может поступать в центральное просверленное отверстие 372а. Через выпускной канал 372, также, в частности, выполненный как радиально направленное отверстие 375а, пар попадает через участок 321 подшипника в турбинную секцию 303 среднего давления, и там - на поверхность 330 оболочки вала 309 турбины на участке 333 впуска пара. Протекающий через охлаждающий канал пар имеет явно более низкую температуру, чем притекающий в участок 333 впуска пара пар промежуточного перегрева, так что обеспечивается эффективное охлаждение первых рядов 342 рабочих лопаток турбинной секции 303 среднего давления, а также поверхности 330 оболочки вала в области этих рядов 342 рабочих лопаток.

Фигура 2 в качестве примера показывает газовую турбину 100 в частичном продольном разрезе.

Внутри газовой турбины 100 имеется ротор 103, который смонтирован вращающимся вокруг оси 102 вращения, с валом 101, который также называется рабочим колесом турбины.

Вдоль ротора 103 один за другим следуют корпус 104 воздухозаборника, компрессор 105, например, тороидальная камера 110 сгорания, в частности кольцевая камера сгорания, с многочисленными коаксиально размещенными форсунками 107, турбина 108 и выпускной корпус 109.

Кольцевая камера 110 сгорания сообщается, например, с кольцеобразным каналом 111 для горячего газа. Там, например, четыре последовательно соединенных ступени 112 турбины образуют турбину 108.

Каждая ступень 112 турбины сформирована, например, из двух лопастных венцов. Если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, в канале 111 для горячего газа ряд 125, сформированный из рабочих лопаток 120, следует за рядом 115 направляющих лопаток.

При этом направляющие лопатки 130 закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, тогда как рабочие лопатки 120 ряда 125 вставлены в ротор 103, например, с помощью турбинного диска 133.

С ротором 103 соединен генератор или рабочая машина (не показаны).

Во время работы газовой турбины 100 компрессор 105 через впускной корпус 104 засасывает воздух 135 и сжимает его. Сжатый воздух, подготовленный на обращенном к турбине конце компрессора 105, поступает к форсункам 107 и там смешивается с топливом. Затем смесь сгорает в камере 110 сгорания с образованием рабочей среды 113. Оттуда рабочая среда 113 протекает вдоль канала 111 для горячего газа на направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120. На рабочих лопатках 120 рабочая среда 113 расширяется с передачей им импульса силы так, что рабочие лопатки 120 приводят во вращение ротор 103, и он приводит в движение соединенную с ним рабочую машину.

Конструкционные детали, находящиеся в горячей рабочей среде 113 во время работы газовой турбины 100, подвергаются воздействию термических нагрузок. Направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 в первой ступени 112 турбины, если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, вместе с теплозащитными элементами, облицовывающими кольцеобразную камеру 110 сгорания, испытывают самые высокие термические нагрузки.

Чтобы выдерживать господствующие там температуры, эти детали могут охлаждаться с помощью охлаждающей среды.

Подобным образом, подложки конструкционных деталей могут иметь направленную структуру, то есть они являются монокристаллическими (SX-структура) или включают только продольно направленные зерна (DS-структура). Например, в качестве материала для конструкционных деталей, в частности для турбинных лопаток 120, 130 и конструкционных деталей камеры 110 сгорания, используются жаропрочные сплавы на основе железа, никеля или кобальта.

Такие жаропрочные сплавы известны, например, из патентных документов EP 1204776 В1, EP 1306454, EP 1319729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949.

Лопатки 120, 130 также могут иметь покрытия 7 для защиты от коррозии (MCrAlX; «М» представляет по меньшей мере один элемент из группы железа (Fe), кобальта (Со), никеля (Ni), «Х» является активным элементом и представляет собой иттрий (Y), и/или кремний, скандий (Sc), и/или по меньшей мере один редкоземельный элемент, или соответственно гафний). Такие сплавы известны из патентных документов ЕР 0486489 В1, ЕР 0786017 В1, ЕР 0412397 В1 или ЕР 1306454 А1.

На MCrAlX также может присутствовать еще и термобарьерное покрытие, предпочтительно состоящее из ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂, то есть оно является нестабилизированным, частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния. С помощью подходящего способа нанесения покрытий, например, такого как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD), в термобарьерном покрытии получаются столбчатые зерна.

Направляющая лопатка 130 имеет корень направляющей лопатки (здесь не показан), обращенный к внутреннему корпусу 138 турбины 108, и головку направляющей лопатки на противоположной стороне относительно корня направляющей лопатки. Головка направляющей лопатки обращена к ротору 103 и закреплена на крепежном кольце 140 статора 143.

Изобретение относится к металлургии, а именно к чугунам, и может быть использовано к деталях корпуса турбины. Чугун с шаровидным графитом содержит, вес.%: кремний 2,0-4,5, углерод 2,9-4,0, ниобий 0,05-0,7, молибден 0,5-1,0, кобальт 0,1-2,0, марганец ≤ 0,3, никель ≤ 0,5, магний ≤ 0,07, фосфор ≤ 0,05, сера ≤ 0,012, хром ≤ 0,1, сурьма ≤ 0,004, железо и примеси – остальное. Чугун характеризуется высокой прочностью. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Чугун с шаровидным графитом, содержащий, вес.%:

кремний (Si) 2,0-4,5 углерод (C) 2,9-4,0 ниобий (Nb) 0,05-0,7 молибден (Mo) 0,5-1,0 кобальт (Co) 0,1-2,0 марганец (Mn) ≤ 0,3 никель (Ni) ≤ 0,5 магний (Mg) ≤ 0,07 фосфор (P) ≤ 0,05 сера (S) ≤ 0,012% хром (Cr) ≤ 0,1 сурьма (Sb) ≤ 0,004 железо (Fe) и примеси остальное

2. Чугун по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,05-0,2 вес.% ниобия (Nb), предпочтительно 0,1 вес.%.

3. Чугун по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,4-0,6 вес.% Nb, предпочтительно 0,5 вес.%.

4. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 0,4-0,6 вес.% Со, предпочтительно 0,5 вес.%.

5. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 0,9-1,1 вес.% кобальта (Со), предпочтительно 1,0 вес.%.

6. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что суммарное содержание кремния (Si), кобальта (Со), молибдена (Mo) и ниобия (Nb) составляет менее 6,5 вес.%, предпочтительно менее 6,0 вес.% и предпочтительно по меньшей мере 3,5 вес.%.

7. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что суммарное содержание молибдена (Mo) и ниобия (Nb) не превышает 1,5 вес.% и предпочтительно составляет по меньшей мере 0,6 вес.%.

8. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 2,0-3,0 вес.% кремния (Si), предпочтительно 2,3-2,7 вес.% кремния (Si), наиболее предпочтительно 2,5 вес.%.

9. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 3,0-4,5 вес.% кремния (Si), предпочтительно 3,3-3,5 вес.%.

10. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 3,15-3,40 вес.% кремния (Si), предпочтительно 3,25 вес.%.

11. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 3,9-4,1 вес.% кремния (Si), предпочтительно 4,0 вес.%.

12. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере 0,01 вес.% никеля (Ni), предпочтительно по меньшей мере 0,05 вес.%.

13. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 3,2-3,4 вес.% углерода (С), предпочтительно 3,3 вес.%.

14. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он содержит 3,4-3,7 вес.% углерода (С), предпочтительно 3,55 вес.%.

15. Чугун по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он имеет СЕ-эквивалент, определяемый по выражению:

СЕ = вес.% С + [(вес.% Si + вес.% Р) / 3],

составляющий 4,1- 4,4 вес.%.

16. Деталь корпуса турбины, в частности паровой (300, 303) или газовой (100), характеризующаяся тем, что она выполнена из чугуна с шаровидным графитом по любому из пп. 1-15.