具有抗高温蠕变性的铁素体不锈钢制造技术

一种具有提高的高温机械性能的铁素体不锈钢包含大于２５重量％铬、０．７５－小于１．５重量％钼、最高０．０５重量％碳和铌、钛和钽中至少一种的铁素体不锈钢，其中铌、钛和钽重量百分数的总和满足方程：０．４≤（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋１／２（％Ｔａ））≤１。该铁素体不锈钢的热膨胀在于２０℃（６８°Ｆ）－１０００℃（１８３２°Ｆ）下稳定氧化锆的热膨胀摄氏度的约２５％内，并且该铁素体不锈钢显示至少一种选自以下的蠕变性能，９００℃（１６５２°Ｆ）下，至少１０００ｐｓｉ的蠕变断裂强度；在１０００ｐｓｉ的负荷、９００℃（１６５２°Ｆ）下，至少为１００小时的１％蠕变应变时间；和在１０００ｐｓｉ的负荷、９００℃（１６５２°Ｆ）下，至少为２００小时的２％蠕变应变时间。该钢特别适用于高温场合，包括但不限于固体氧化物燃料电池中的集电互连、窑炉硬件、用于化学过程、石化、发电和污染控制工业的设备以及用于处理熔融铜及其它熔融金属的设备。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有抗高温蠕变性的铁素体不锈钢专利技术人John F.Grubb有关申请的交叉文献没有涉及联邦政府资助研究或开发的声明没有专利技术的
和工业实用性本专利技术涉及一种铁素体不锈钢合金。更具体地，本专利技术涉及的一种铁素体不锈钢合金，具有显微结构的稳定性和机械性能使其特别适用于高温场合。这种应用包括，但不限于，固体氧化物燃料电池中的集电互连、窑炉硬部件、用于化学过程、石化、发电和污染控制工业的设备以及用于处理熔融铜及其它熔融金属的设备。专利技术背景描述燃料电池是高效、对环境有利的发电装置。燃料电池运转的基本原理是通过燃料的燃烧而产生电流。燃料是通过已知为电解质的可渗透阻挡层(permeable barrier)而与氧化剂分开。电解质的燃料一侧上的氢原子被电离。产生的质子通过电解质，同时释放的电子运行穿过外电路。与燃料一侧相反，在电解质的空气一侧上，两个质子与氧原子和两个电子结合而形成水分子，释放热量并形成电路。通过在外电路中使用电子作功而从该过程中吸取能量。对于在较高温度下运转的燃料电池，由空气一侧上的反应释放的热量也可以用于燃料重整(fuel reformation)或加热应用，提高电池总的运转效率。目前，引人更注目的一类燃料电池是固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC’s在高温(1450-1800°F(788-982℃))下运转，这指的是它们可以在内部重整常见的烃类燃料如天然气、柴油、气油、醇和煤气成为氢气和一氧化碳。内部重整使热能循环并消除了对昂贵的铂基金属催化剂的需要。氢和一氧化-->碳都可用作SOFC中的燃料。以前详细说明的普通燃料电池反应的改性中，氢与氧结合。电解质是一种能对氧离子(O2-)而不是对质子的可渗透的氧化物陶瓷。因此，SOFC在相对于某些其它类型燃料电池来说是在相反方向下运转。除燃烧氢外，一氧化碳在阳极被氧化为二氧化碳，释放热量。这是一个优点，因为一氧化碳存在于未精炼的燃料中，并可以使低温燃料电池中毒，降低运转效率。小型SOFC’s在高达约50％的效率下运转。为了获得甚至更高的效率，中等大小和较大的SOFC’s可以与燃气轮机结合。得到的混合SOFC-燃气轮机组的效率可以达到70％。SOFC的设计上存在多个变体。电解质一般是一种氧化锆的形式，其通过加入抑制晶格变化的氧化物而稳定，并且当加热至高温时，提供高的离子电导率。通常，这种氧化物稳定的材料是已知的，本文中将其称为“稳定氧化锆”。通常，SOFC包括氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)作为稳定氧化锆电解质。报道的20℃(68°F)-10000(1832℃)下的YSZ的热膨胀系数(CTE)约为11×10-6/℃。已经对极高温度(1800°F(982℃))下运转且是大尺寸的相当简单结构的管状SOFC进行了研究。可以通过增加尺寸和器件中单个SOFC管的数量而使管状SOFC按比例增大。新近研究了“平面”SOFC(PSOFC)。PSOFC′s是相当紧凑的，并由许多平面电池构成。典型地，阳极和阴极板通常是陶瓷材料。可渗透的镍-氧化锆金属陶瓷也用于阳极。需要互连(interconnects)以收集由燃料电池产生的电子。互连也起氧化性和还原性气流的物理隔板的作用。因此，用于形成燃料电池互连的材料应该是导电的、抗氧化的且机械上稳定的，并且应该具有基本上与电池的陶瓷元件相匹配的热膨胀性能，所述陶瓷元件在物理上可以设置在互连附近。直到最近，SOFC互连通常由陶瓷材料制造，这种陶瓷材料在高温下是导电的并通常是掺有CaO或SrO的LaCrO3。尽管陶瓷通常是稳定的，但当长时间经受高温时，陶瓷也是脆性且相对昂贵，相对于金属来说，是电的不良导体。为此目的已经开发由铬基合金来制造某些金属的互连。该合金提供足够的抗氧化性，以及与稳定氧化锆匹配的良好热膨胀。然而，用于制造该合金的粉末冶金法使其非常昂贵，要向由该合金制造的SOFC′s投入大量的资金。由不锈钢制造SOFC互连优于陶瓷，因为钢具有更高的电导率，并且与陶瓷相比不易破碎。然而，与SOFC互连中使用不锈钢的有关的问题包括氧-->化、热膨胀和蠕变问题。氧化可以降低不锈钢导电的能力，从而随着时间降低电池的输出。标准的奥氏体不锈钢不提供与常规SOFC电解质陶瓷匹配的良好热膨胀。可以具有与该陶瓷电解质匹配的良好热膨胀的铁素体不锈钢具有低的抗蠕变性。例如，本专利技术人对若干市售不锈钢，包括E-BRITE(UNSS44627)、AL 29-4-2(UNS S44800)和ALFA-IV(Alloy Digest SS-677，ASMInternational)合金进行的试验证明，E-BRITE合金具有用于SOFC的可接受的热膨胀、良好热稳定性并形成合乎需要的Cr2O3氧化物。然而，E-BRITE合金的抗蠕变性小于用于SOFC所需的抗蠕变性。因此，有要求具有抗高温蠕变性、良好热稳定性及其它使其适合于用作SOFC′s中的集电互连和在其它高温场合，诸如用于化学过程、石化、发电和污染控制工业的设备以及窑炉硬部件和用于处理熔融金属的设备中使用的特性的改进不锈钢。专利技术概述本专利技术通过提供一种铁素体不锈钢来解决上述要求，该铁素体不锈钢包含大于25重量％的铬、0.75-最高1.5重量％的钼、最高0.05重量％的碳和铌、钛与钽中的至少一种，其中铌、钛和钽重量百分数的总和满足方程0.4≤(％ Nb+％Ti+1/2(％Ta))≤1。本专利技术的钢具有的CTE在20℃(68°F)-1000℃(1832°F)下稳定氧化锆的CTE的约25％之内。本专利技术的钢也具有至少选自以下的一种蠕变性能：900℃(1652°F)下至少1000psi的蠕变断裂强度；在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为100小时的1％蠕变应变时间；和在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为200小时的2％蠕变应变时间。本专利技术还提供一种用于制造铁素体不锈钢的方法，其中该方法包括形成含有大于25重量％铬、0.75-小于1.5重量％钼、最高0.05重量％碳和铌、钛和钽中至少一种的铁素体不锈钢，其中铌、钛和钽的总重量百分数满足方程式0.4≤(％Nb+％Ti+1/2(％Ta))≤1。该钢的CTE是在稳定氧化锆的CTE的约25％以内，优选的CTE大于20℃(68°F)-1000℃(1832°F)下稳定二氧化锆CTE的约25％及该值以内。该钢还具有至少一种选自以下的蠕变性能：900℃(1652°F)下，至少1000psi的蠕变断裂强度；在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为100小时的1％蠕变应变时间；和在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为200小时的2％蠕变应变时间。在随后的步骤中，对该钢进行固-->溶退火，然后从该退火温度下冷却。固溶退火优选是在至少高于该合金预定使用温度和1600°F(871℃)的温度下进行。如果需要，则对固溶退火的不锈钢进行沉淀热处理以使该钢硬化。本专利技术还提供由本专利技术不锈钢加工的制品。该制品可以使用常规方法制造。相对于其它铁素体不锈钢，本专利技术的不锈钢显示提高的高温机械性能，包括提高的抗高温蠕变性。该钢还将显示与YSZ，通常用作SOFC′s中电解质的稳定氧化锆匹配的良好热膨胀。因此，该钢适合于在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁素体不锈钢，包含：大于２５重量％的铬；０．７５－小于１．５重量％的钼；最高０．０５重量％的碳；和铌、钛和钽中的至少一种，其中铌、钛和钽重量百分数的总和满足以下方程０．４≤（％Ｎｂ＋％Ｔｉ＋１／２ （％Ｔａ））≤１，其中，该钢的热膨胀系数在于２０℃（６８°Ｆ）－１０００℃（１８３２°Ｆ）之间的稳定氧化锆的热膨胀系数的约２５％内，并且其中，该钢显示至少一种选自以下的蠕变性能：９００℃（１６５２°Ｆ）下，至少１０００ｐｓｉ的蠕变断 裂强度；在１０００ｐｓｉ的负荷、９００℃（１６５２°Ｆ）下，至少为１００小时的１％蠕变应变时间；和在１０００ｐｓｉ的负荷、９００℃（１６５２°Ｆ）下，至少为２００小时的２％蠕变应变时间。

【技术特征摘要】
US 2001-11-30 09/998,4871.一种铁素体不锈钢，包含：大于25重量％的铬；0.75-小于1.5重量％的钼；最高0.05重量％的碳；和铌、钛和钽中的至少一种，其中铌、钛和钽重量百分数的总和满足以下方程0.4≤(％Nb+％Ti+1/2(％Ta))≤1，其中，该钢的热膨胀系数在于20℃(68°F)-1000℃(1832°F)之间的稳定氧化锆的热膨胀系数的约25％内，并且其中，该钢显示至少一种选自以下的蠕变性能：900℃(1652°F)下，至少1000psi的蠕变断裂强度；在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为100小时的1％蠕变应变时间；和在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为200小时的2％蠕变应变时间。2.权利要求1的铁素体不锈钢，其中该钢的热膨胀系数至少与20℃(68°F)-1000℃(1832°F)间的稳定二氧化锆的热膨胀系数一样大。3.权利要求1的铁素体不锈钢，其中该钢的热膨胀系数是在20℃(68°F)-1000℃(1832°F)间的氧化钇稳定的氧化锆的热膨胀系数的约25％之内。4.权利要求1的铁素体不锈钢，其中该钢包含不大于0.50重量％的钛。5.权利要求1的铁素体不锈钢，其中该钢包含不大于0.005重量％的碳。6.权利要求1的铁素体不锈钢，还包含至少一种选自下面的元素，最高0.1重量％的铈、最高0.05重量％的镧和最高0.05重量％的锆。7.权利要求1的铁素体不锈钢，其中该钢包含不大于35重量％的铬。8.权利要求1的铁素体不锈钢，其中铌、钛和钽重量百分数的总和满足以下方程0.5≤(％Nb+％Ti+1/2(％Ta))≤0.75。9.一种铁素体不锈钢，包含：25-最高35％的铬；0.75-小于1.5重量％的钼；最高0.005重量％的碳；-->铌、钛和钽中的至少一种，其中该钢包含不大于0.50重量％的钛，并且铌、钛和钽重量百分数的总和满足以下方程0.5≤(％Nb+％Ti+1/2(％Ta))≤0.75，其中，该钢的热膨胀系数是在20℃(68°F)-1000℃(1832°F)间的稳定氧化锆的热膨胀系数的约25％内，并且其中，该钢显示至少一种选自以下的蠕变性能：900℃(1652°F)下，至少1000psi的蠕变断裂强度；在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为100小时的1％蠕变应变时间；和在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为200小时的2％蠕变应变时间。10.权利要求9的铁素体不锈钢，其中该钢的热膨胀系数至少与20℃(68°F)-1000℃(1832°F)间的稳定的氧化锆的热膨胀系数一样大。11.权利要求9的铁素体不锈钢，其中该钢的热膨胀系数是和在20℃(68°F)-1000℃(1832°F)间的下氧化钇稳定的氧化锆的热膨胀系数一样大。12.一种用于制造铁素体不锈钢的方法，该钢的热膨胀系数是在20℃(68°F)-1000℃(1832°F)间的稳定氧化锆的热膨胀系数的约25％内，并具有至少一种选自以下的蠕变性能：900℃(1652°F)下，至少1000psi的蠕变断裂强度；在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为100小时的1％蠕变应变时间；和在1000psi的负荷、900℃(1652°F)下，至少为200小时的2％蠕变应变时间，该方法包括：提供一种包含大于25重量％铬、0.75-小于1.5重量％钼、最高0.05重量％碳和铌、钛和钽中至少一种的铁素体不锈钢，其中铌、钛和钽重量百分数的总和满足以下方程0.4≤(％Nb+％Ti+1/2(％Ta))≤1；和固溶退火该钢。13.权利要求12的方法，还任选地包含通过沉淀热处理该钢而使其硬化。14.权利要求12的方法，其中固溶退火该钢包括，在至少高于该钢预定使用温度和1600°F(871℃)的温度下加热该钢。15.权利要求12的方法，其中该钢的热膨胀系数至少与20℃(68°F)-1000℃(1832°F)下稳定氧化锆的热膨胀系数一样大。16.权利要求12的方法，其中该钢的热膨胀系数在20℃(68°F)-1000℃(1832°F)下氧化钇稳定的氧化锆的热膨胀系数的约25％之内。-->17.权利要求12的方法，其中该钢包含不大于0.50重量％的钛。18.权利要求12的方法，其中该钢包含不大于0.005重量％的碳。19.权利要求12的方法，其中该钢还包含至少一种选自下面的元素：最高0.1重量％的铈、最高0.05重量％的镧和最高0.05重量％的锆。20.权利要求12的方法，其中该...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰F格拉布，
申请(专利权)人：ATI资产公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]