抗氧化鎳合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種抗氧化鎳合金，其特征在于具有以下化學(xué)組成(按重量％計)：4-7的Cr、4-5的Si、0.1-0.2的Y、0.1-0.2的Mg、0.1-0.2的Hf，剩余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選的實施方案為具有以下的化學(xué)組成(按重量％計)：6的Cr、4.4的Si、0.1的Y、0.15的Mg、0.1的Hf，剩余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。該合金具有改進的抗氧化性能和高溫下良好的蠕變性能。
【專利說明】抗氧化鏡合金
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種暴露在大約1100°C極高溫下的氧化氣氛中的N型熱電偶護套。這種惡劣的作業(yè)要求發(fā)生在例如當(dāng)測量現(xiàn)代燃氣輪機中的溫度時。尤其是，本發(fā)明涉及一種具有改進的蠕變性能的抗氧化Ni合金。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)已知的 申請人:的GT24/GT26型燃氣輪機，以連續(xù)燃燒的原理為基礎(chǔ)運轉(zhuǎn)。這意味著，在第一燃燒室中通過添加大約50%的總?cè)剂?按基本載重)加熱壓縮空氣。.比后，燃燒氣體膨脹通過第一渦輪(單級高壓渦輪)，大約以系數(shù)2降低壓力。然后剩余的燃料加入到第二燃燒室，在第二燃燒室燃燒氣體被第二次加熱到最高渦輪入口溫度， 并最終在低壓渦輪中膨脹。第二燃燒室被設(shè)計為自發(fā)著火，即第一渦輪的排出氣體的溫度必須使得自發(fā)著火與注入所述燃燒室的燃料一起發(fā)生?；谶@個原因，必須監(jiān)控和測量熱氣流的溫度。為此， 申請人:使用具有護套的熱電偶。
[0003]已知的用于熱電偶的護套合金為例如IN600、IN617以及所謂的 HAYNES?-214?。這是一種含有4.5%的Al的增強Ni合金，其具有良好的抗張和應(yīng)力斷裂性能，遺憾地是在抗氧化方面其表現(xiàn)出不令人滿意的性能，而且與熱電偶絲合金的熱膨脹系數(shù)不匹配。
[0004]其他商業(yè)化的護套合金為例如Nierobell?和Pyrosil?D，其都是含有不同含量的
不同添加元素的Ni基底合金，所述添加元素例如是S1、Y、Mo。它們對長期高溫應(yīng)用沒有表現(xiàn)出令人滿意的抗氧化能力。
[0005]另外，已知使用商品名為Nisil(鎳-硅)和NiCTosil(鎳-鉻硅)的鎳合金作為 N型熱電偶絲。這些合金具有改進的氧化性能，并且相對于其他標(biāo)準(zhǔn)基底金屬熱電偶合金， 對達到1200°C的溫度測量顯示出增強的熱電穩(wěn)定性，這是因為他們的化學(xué)組成降低了熱電不穩(wěn)定性。這通過以下實現(xiàn):增加鎳基底中鉻和硅的濃度以引起氧化從內(nèi)部模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠磕Ｊ?；并且選擇添加的元素例如Mg，其氧化形成擴散屏障，并因此形成氧化抑制膜。在此應(yīng)用中，Nisil作為熱電偶的負導(dǎo)線，而Nicrosil作為N型熱電偶的正導(dǎo)線。
[0006]遺憾的是，這些材料顯示出固有的低蠕變強度并具有相對低的抗張和應(yīng)力斷裂性能，在兼容性護套材料的制造和選擇上需要考慮到這一點。
[0007]在N型熱電偶絲，特別是Nisil導(dǎo)線中已知的過早損壞歸因于護套合金，例如 HAYNES?-214?、IN600或SS316和Nisil以及Nicrosil熱電偶絲合金之間的熱膨脹系數(shù)不匹配。由于熱循環(huán)期間強加的交變應(yīng)變，熱電偶導(dǎo)線可能機械地破壞。應(yīng)變主要是由縱向應(yīng)力造成的，所述縱向應(yīng)力是因為熱電偶和不同的護套合金的不同的線性膨脹溫度系數(shù)引起的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是避免上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。[0009]本發(fā)明的目的在于，找到一種適用作用于N型熱電偶絲的護套材料的材料，其可在極高溫度的燃氣輪機的氧化氣氛中使用而不存在任何問題。在上述溫度中，所述護套材料應(yīng)具有足夠的抗氧化能力和相對良好的應(yīng)力斷裂性能(良好的長期可靠性)以及良好的熱電穩(wěn)定性。
[0010]依據(jù)本發(fā)明，這一目的通過一種鎳合金實現(xiàn)，所述鎳合金具有以下化學(xué)組成(按重量％計):4-7 的 Cr,4-5 的 S1、0.1-0.2 的 Y、0.1-0.2 的 Mg、0.1-0.2 的 Hf，剩余為 Ni 和不可避免的雜質(zhì)。
[0011]本發(fā)明優(yōu)選的實施方案是具有以下化學(xué)組成(按重量％計)的合金:6的Cr、4.4 的S1、0.1的Y、0.15的Mg、0.1的Hf，剩余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
[0012]與已知的商業(yè)化護套材料例如用于N型熱電偶絲的HAYNES?-214?、 Nicrobell?或Pyrosil?D相比較，本發(fā)明的合金在高溫下顯示出改進的抗氧化性，因此其在氧化氣氛中在非常高的溫度下用作用于N型熱電偶的護套材料可具有一定優(yōu)勢。本發(fā)明的合金與N型熱電偶絲之間沒有明顯的熱膨脹系數(shù)不匹配。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]本發(fā)明的示范性實施方案在附圖中闡明，其中:
[0014]圖1:顯示了對本發(fā)明的合金和不同的商業(yè)化合金在室溫下的抗張試驗結(jié)果；
[0015]圖2:顯示了對本發(fā)明的合金和不同的商業(yè)化合金在800°C /50MPa下的蠕變試驗結(jié)果；和
[0016]圖3:顯示了對本發(fā)明的合金和不同的商業(yè)化合金在1100°C下的氧化性能。 【具體實施方式】
[0017]下文依據(jù)示范性實施方案和附圖更加詳細地解釋本發(fā)明。
[0018]表1列出了所測試的合金各自的化學(xué)組成。合金組分按重量％計算。
[0019]表1:所測試的合金的化學(xué)組成`
Ni Cr AJ Fe Mn Si Zr ~C B Y 其他
HAYNES?214?Bal 16 T53 05~ 0.2 0.1 0.05 0.01 *001
MBliTa 0.15 Mg
Nisil-MlBaT ~64A oT 0.15 Mg
[0020]0 1 Hf NicrosilBaT 14.2Ta
^Nicrobell? BaT 14.3\A0 1 Mg
3 Nb
Pyrosil?D Bal 221.40.1 3 Mo
[0021]合金Nisil-Ml為本發(fā)明的合金，其他5種合金為本領(lǐng)域中商業(yè)化可獲得的材料。這是一種微合金化的Nisil，其中添加了 0.1的Y、0.1的Hf和很高的Cr含量(6% )。 Nisil-Ml的最大優(yōu)點在于，與Nisil相比在熱膨脹性能上沒有改變。[0022]表1中具有標(biāo)稱組成的不同材料(無HAYNES?-214?:)的紐扣大小的樣品通過在電弧爐內(nèi)熔化制備。Nisil-Ml的化學(xué)性質(zhì)被設(shè)計成同時具有改進的抗氧化性和與由 Nisil或Nicrosil制成的熱電偶絲相近的熱膨脹系數(shù)。制備的紐扣大小的樣品在室溫下進行重度冷軋，變形度為大約70%。冷軋后的樣品在800°C下進行Ih的熱處理以獲得完全再結(jié)晶的結(jié)構(gòu)。從熱處理的部分以機械制作小尺寸樣品。[0023]圖1顯示出對這些合金在室溫下的抗張試驗結(jié)果，以及在文獻(參見 HAYNES?214?ALLOY, HD-3008D, Haynes Intermational, Inc.2008)中報道的HAYNES?-214?的相應(yīng)的性能。[0024]如預(yù)期的那樣，與其他合金相比，HAYNES?-214?.顯示出最高的抗張強度，但與Nisil和Nicrosil相比,本發(fā)明的合金Nisil-Ml顯示出改進的抗張強度。這是不同化學(xué)組成，特別是Cr和Hf導(dǎo)致的結(jié)果。這兩種元素都提高了蠕變強度和抗氧化能力。[0025]在800°C/50MPa下的應(yīng)力斷裂結(jié)果在圖2中列出。本發(fā)明的合金Nisil-Ml具有高伸長率(接近45%)和比Nisil更好的應(yīng)力斷裂性能，但具有與Nicrosil和商業(yè)化護套合金Nicrobell?.或Pyrosil?D相比較低的應(yīng)力斷裂性能。[0026]上述合金(包括HAYNES?-214?)的平面試樣在looo°C溫度的空氣中進行超過1500h的氧化試驗。圖3顯示氧化結(jié)果，以這些合金每平方厘米的重量增加量表示。[0027]在圖中可以看出，與Nicrosil和商業(yè)化護套合金Nicrobell?或Pyrosil?D相比， Nisil-Ml顯示改進的氧化性能，但僅比Nisil和HAYNES?-214?稍差。[0028]N型熱電偶合金(Nisil和Nicrosil)具有相對低的抗張和應(yīng)力斷裂性能。這些性能需要在兼容性護套材料的制造和選擇中考慮到。這是為了避免由于熱電偶絲和護套材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配而造成的熱電偶絲的機械損壞。盡管商業(yè)化護套材料Nicrobell? 或Pyrosil?D具有接近熱電偶絲材料(Nisil、Niscrosil)的熱膨脹系數(shù)，但關(guān)于對長期高溫應(yīng)用的抗氧化能力它們并不令人滿意。這可以通過本發(fā)明的合金實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.抗氧化鎳合金，其特征在于具有以下的化學(xué)組成(按重量％計):4-7的Cr、4-5的 S1、0.1-0.2的Y、0.1-0.2的Mg、0.1-0.2的Hf，剩余為Ni和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的抗氧化鎳合金，其特征在于按重量％計5-6的Cr。
3.如權(quán)利要求2所述的抗氧化鎳合金，其特征在于按重量％計6的Cr。
4.如權(quán)利要求1所述的抗氧化鎳合金，其特征在于按重量％計4.4的Si。
5.如權(quán)利要求1所述的抗氧化鎳合金，其特征在于按重量％計0.1的Y。
6.如權(quán)利要求1所述的抗氧化鎳合金，其特征在于按重量％計0.15的Mg。
7.如權(quán)利要求1所述的抗氧化鎳合金，其特征在于按重量％計0.1的Hf。
8.如權(quán)利要求1-7中任 一項所述的抗氧化鎳合金，其特征在于所述合金用作N型熱電偶護套材料。
【文檔編號】G01K1/12GK103589911SQ201310435390
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月17日
【發(fā)明者】M·Y·納滋米, A·庫恩滋勒, H·津恩, G·班迪伊拉 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司