[发明专利]具有增强的高温抗氧化性的镍和铬基铁合金

说明书

富含镍和铬的高耐热奥氏体铁基合金。该合金表现出改进的细树枝状碳化物结构，并且能够承受重复的热伸长和应变，这对于暴露于废气流的废气涡轮增压器部件例如涡轮机壳体是特别重要的。该合金还确保了非常好的热‑机械疲劳(TMF)加载性能。显著降低了部件的热开裂问题。合金受镍、铌、铈、钒元素关系的影响。本发明进一步涉及一种用于防止裂纹形成并且用于使涡轮增压器涡轮机壳体中的氧化最小化的方法。

发明背景

技术领域

本发明涉及富含镍和铬的高耐热奥氏体铁基合金。该合金表现出改进的细树枝状碳化物结构，并且能够承受重复的热伸长和应变，这对于暴露于废气流的废气涡轮增压器部件例如涡轮机壳体特别重要。该合金还保证了非常好的热-机械疲劳(TMF)加载性能。部件的热开裂问题受到决定性影响。本发明合金受元素镍、铌、铈和钒之间关系的影响。本发明进一步涉及一种用于防止裂纹形成并且用于使涡轮增压器涡轮机壳体中的氧化最小化的方法。

背景技术

废气涡轮增压器从发动机废气中提取能量以驱动压缩机以增加每个工作冲程的可燃混合物的通过量，从而在较小的发动机中实现较大排量发动机的性能。对涡轮增压器的材料提出了非常高的要求。这些材料必须表现出耐腐蚀性、抗氧化性、抗裂性，并且必须保持尺寸稳定性，并且尤其表现出良好的热-机械疲劳(TMF)加载性能，甚至在高达约1100℃的非常高的温度下。

由于不均匀的温度分布，强大的热-机械力作用在涡轮机壳体上。涡轮机壳体内的热场在角度和径向上是不均匀的。在角度意义上，涡轮机壳体的最热部分位于涡轮机底座处，在此处废气进入涡轮机壳体，并且温度随着蜗壳朝向舌部减小而冷却。在径向意义上，温度随着排气从蜗壳的顶部朝向车轮流动而增加。从图形上看，涡轮机壳体像蜗牛壳体一样盘绕。从结构上看，涡轮机壳体的几何形状和壁厚变化很大。由于这些设计和热差异，热力倾向于使蜗牛壳体试图展开，并且如果蜗壳以任何方式受到约束，则倾向于扭曲。在分开的蜗壳涡轮机壳体的情况下，该分隔壁与这些侧壁一起限制该蜗壳展开。分隔壁在其最大直径处受到约束，因为它连接到蜗壳壁上，但在其内径处不受约束，在该内径处它也逐渐变细。该锥形区域特别容易受到来自热应力的拉伸载荷的影响，热应力本身表现为通常的径向裂纹。此外，因为分隔壁具有比其他大致平行的壁更低的热质量，所以分隔壁既加热又冷却得更快；这在分隔壁中产生了更大的低循环疲劳，并因此增加了破裂的倾向。此外，如图1所示，在涡轮蜗壳被用于保持脉冲分离的至少一个分隔壁分隔的情况下，暴露于废气流的内表面积显著增加。脉冲分离还增加了通过涡轮机壳体的流动的不稳定性。当压力脉冲穿过蜗壳时，振动应力可能导致任何表面氧化层自由断裂，这可能导致对涡轮机叶轮的损坏。由于这些原因，较高程度的抗氧化性将是有益的。

在转让给本受让人的美国专利申请20150023788中公开了对该问题的一种解决方案，其中涡轮增压器涡轮机分隔壁在涡轮机壳体中破裂的倾向通过使分隔壁的质量更接近于所述分隔壁与流经该分隔壁的排气之间的瞬态热传递而匹配来最小化。这通过提供具有基本上由Log²曲线限定的横截面形状的所述分隔壁来实现。然而，该解决方案仅适用于分隔壁内径的区域。破裂能够发生在涡轮机壳体中的任何地方。有必要从整体上提高涡轮机壳体的TMF加载性能。

US 9,359,938(Schall)教导了一种具有碳化物结构的奥氏体铁基材料，其特征在于非常好的耐摩擦磨损性。该合金包含元素碳(C)0.1-0.5重量％、铬(Cr)20-28重量％、锰(Mn)至多1.3重量％、硅(Si)0.5-1.8重量％、铌(Nb)0.5-2.0重量％、钨(W)0.8-4.0重量％、钒(V)0-1.8重量％、镍(Ni)20-28重量％，其余为铁(Fe)。然而，热-机械疲劳(TMF)加载性能还需要进一步提高。

还需要改进涡轮机壳体的耐腐蚀性和抗氧化性；以及改进尺寸稳定性和高温强度；以及蠕变强度和断裂强度。

发明内容