[發明專利]具有增強的高溫抗氧化性的鎳和鉻基鐵合金

有效

• 申請號: 201880025340.6
• 申請日: 2018-02-27
• 公開（公告）號: CN110520551B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: G·沙爾;I·迪特里希
• 申請（專利權）人: 博格華納公司
• 主分類號: C22C38/00
• 分類號: C22C38/00;C22C38/02;C22C38/04;C22C38/06;C22C38/46;C22C38/48;C22C38/54;C22C38/58;F01N13/16;F01D25/24;F02C6/12
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 羅聞

富含鎳和鉻的高耐熱奧氏體鐵基合金。該合金表現出改進的細樹枝狀碳化物結構，并且能夠承受重復的熱伸長和應變，這對于暴露于廢氣流的廢氣渦輪增壓器部件例如渦輪機殼體是特別重要的。該合金還確保了非常好的熱?機械疲勞(TMF)加載性能。顯著降低了部件的熱開裂問題。合金受鎳、鈮、鈰、釩元素關系的影響。本發明進一步涉及一種用于防止裂紋形成并且用于使渦輪增壓器渦輪機殼體中的氧化最小化的方法。

發明背景

技術領域

本發明涉及富含鎳和鉻的高耐熱奧氏體鐵基合金。該合金表現出改進的細樹枝狀碳化物結構，并且能夠承受重復的熱伸長和應變，這對于暴露于廢氣流的廢氣渦輪增壓器部件例如渦輪機殼體特別重要。該合金還保證了非常好的熱-機械疲勞(TMF)加載性能。部件的熱開裂問題受到決定性影響。本發明合金受元素鎳、鈮、鈰和釩之間關系的影響。本發明進一步涉及一種用于防止裂紋形成并且用于使渦輪增壓器渦輪機殼體中的氧化最小化的方法。

背景技術

廢氣渦輪增壓器從發動機廢氣中提取能量以驅動壓縮機以增加每個工作沖程的可燃混合物的通過量，從而在較小的發動機中實現較大排量發動機的性能。對渦輪增壓器的材料提出了非常高的要求。這些材料必須表現出耐腐蝕性、抗氧化性、抗裂性，并且必須保持尺寸穩定性，并且尤其表現出良好的熱-機械疲勞(TMF)加載性能，甚至在高達約1100℃的非常高的溫度下。

由于不均勻的溫度分布，強大的熱-機械力作用在渦輪機殼體上。渦輪機殼體內的熱場在角度和徑向上是不均勻的。在角度意義上，渦輪機殼體的最熱部分位于渦輪機底座處，在此處廢氣進入渦輪機殼體，并且溫度隨著蝸殼朝向舌部減小而冷卻。在徑向意義上，溫度隨著排氣從蝸殼的頂部朝向車輪流動而增加。從圖形上看，渦輪機殼體像蝸牛殼體一樣盤繞。從結構上看，渦輪機殼體的幾何形狀和壁厚變化很大。由于這些設計和熱差異，熱力傾向于使蝸牛殼體試圖展開，并且如果蝸殼以任何方式受到約束，則傾向于扭曲。在分開的蝸殼渦輪機殼體的情況下，該分隔壁與這些側壁一起限制該蝸殼展開。分隔壁在其最大直徑處受到約束，因為它連接到蝸殼壁上，但在其內徑處不受約束，在該內徑處它也逐漸變細。該錐形區域特別容易受到來自熱應力的拉伸載荷的影響，熱應力本身表現為通常的徑向裂紋。此外，因為分隔壁具有比其他大致平行的壁更低的熱質量，所以分隔壁既加熱又冷卻得更快；這在分隔壁中產生了更大的低循環疲勞，并因此增加了破裂的傾向。此外，如圖1所示，在渦輪蝸殼被用于保持脈沖分離的至少一個分隔壁分隔的情況下，暴露于廢氣流的內表面積顯著增加。脈沖分離還增加了通過渦輪機殼體的流動的不穩定性。當壓力脈沖穿過蝸殼時，振動應力可能導致任何表面氧化層自由斷裂，這可能導致對渦輪機葉輪的損壞。由于這些原因，較高程度的抗氧化性將是有益的。

在轉讓給本受讓人的美國專利申請20150023788中公開了對該問題的一種解決方案，其中渦輪增壓器渦輪機分隔壁在渦輪機殼體中破裂的傾向通過使分隔壁的質量更接近于所述分隔壁與流經該分隔壁的排氣之間的瞬態熱傳遞而匹配來最小化。這通過提供具有基本上由Log²曲線限定的橫截面形狀的所述分隔壁來實現。然而，該解決方案僅適用于分隔壁內徑的區域。破裂能夠發生在渦輪機殼體中的任何地方。有必要從整體上提高渦輪機殼體的TMF加載性能。

US 9,359,938(Schall)教導了一種具有碳化物結構的奧氏體鐵基材料，其特征在于非常好的耐摩擦磨損性。該合金包含元素碳(C)0.1-0.5重量％、鉻(Cr)20-28重量％、錳(Mn)至多1.3重量％、硅(Si)0.5-1.8重量％、鈮(Nb)0.5-2.0重量％、鎢(W)0.8-4.0重量％、釩(V)0-1.8重量％、鎳(Ni)20-28重量％，其余為鐵(Fe)。然而，熱-機械疲勞(TMF)加載性能還需要進一步提高。

還需要改進渦輪機殼體的耐腐蝕性和抗氧化性；以及改進尺寸穩定性和高溫強度；以及蠕變強度和斷裂強度。

發明內容