Aleación a base de níquel para forjar.

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.

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 (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 en la superaleación reduce su aptitud de mecanización en caliente. La fase 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 (temperatura umbral a la que desaparecen precipitados de la fase ) .

Cuanto mayor sea la cantidad de precipitados de fase en la aleación, mayor es la resistencia mecánica de la aleación, por lo que es deseable incrementar la cantidad de precipitados de fase a las temperaturas de uso de la aleación. Sin embargo, un incremento de la cantidad de precipitados de fase 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 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 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 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 , 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

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 a temperaturas más bajas y desestabilizarla a temperaturas más altas. Y finalmente los inventores han encontrado las composiciones 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 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)

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.

(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.

(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 una temperatura de 750ºC o más, son de la aleación a base de níquel para forjar.... [Seguir leyendo]

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.