коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора
Классы МПК: | C22C38/50 с титаном или цирконием |
Автор(ы): | Володин Сергей Иванович (RU), Баранов Александр Владимирович (RU), Чернаенко Татьяна Алексеевна (RU), Каштанов Александр Дмитриевич (RU), Степанов Василий Владимирович (RU), Повышев Игорь Анатольевич (RU), Морозов Олег Олегович (RU), Межонов Вадим Алексеевич (RU), Яковицкая Марина Валентиновна (RU), Петкова Ани Петрова (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-05-11 публикация патента:
20.02.2007 |
Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомной, термоядерной и водородной энергетике при производстве оборудования, газовых емкостей и других элементов внутрикорпусных систем реакторных установок. Техническим результатом данного изобретения является создание новой высокотехнологичной водородостойкой стали с улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение работоспособности и эксплуатационной надежности реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики. Предложена сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,005-0,02, кремний 0,2-0,5, марганец 0,1-0,5, хром 17,0-19,0, никель 12,0-14,0, титан 0,08-0,3, алюминий 0,1-0,5, иттрий 0,05-0,1, кальций 0,001-0,005, азот 0,005-0,01, сера 0,005-0,015, фосфор 0,005-0,03, железо остальное, при этом: суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%; суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,025%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%. 2 табл.
Формула изобретения
Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод | 0,005-0,02 |
Кремний | 0,2-0,5 |
Марганец | 0,1-0,5 |
Хром | 17,0-19,0 |
Никель | 12,0-14,0 |
Титан | 0,08-0,3 |
Алюминий | 0,1-0,5 |
Иттрий | 0,05-0,1 |
Кальций | 0,001-0,005 |
Азот | 0,005-0,01 |
Сера | 0,005-0,015 |
Фосфор | 0,005-0,03 |
Железо | Остальное |
при этом суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%; суммарное содержание углерода, азота не должно превышать 0,025%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомной, термоядерной и водородной энергетике при производстве оборудования, газовых емкостей и других элементов внутрикорпусных систем реакторных установок.
Известны металлические конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, нержавеющие стали марок 08Х18Н10Т, ОЗХ16Н15МЗ, ОЗХ18Н12), а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность внутрикорпусных элементов, трубопроводов и газовых емкостей технологических систем реакторного оборудования в условиях длительного взаимодействия с коррозионно-активными водородосодержащими рабочими средами.
Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является хромоникелевая сталь аустенитного класса марки ОЗХ18Н12 по ГОСТ 5632-72 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, мас.%:
углерод | 0,03 |
кремний | 0,04 |
марганец | 0,04 |
хром | 17,0-19,0 |
никель | 11,5-13,0 |
титан | 0,005 |
сера | 0,020 |
фосфор | 0,030 |
железо | остальное |
Данную марку стали в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная сталь характеризуется весьма низкой водородостойкостью при температурах эксплуатации реакторного оборудования и повышенной чувствительностью металла сварных соединений к коррозионному и водородному растрескиванию под напряжением. Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических, технологических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность материала в условиях длительной эксплуатации внутрикорпусного оборудования при воздействии коррозионно-активных водородосодержащих сред. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов [1-3] содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, во многом определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его важнейших служебных характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы внутрикорпусного оборудования реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.
Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно введены алюминий, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод | 0,005-0,02 |
кремний | 0,2-0,5 |
марганец | 0,1-0,5 |
хром | 17,0-19,0 |
никель | 12,0-14,0 |
титан | 0,08-0,3 |
алюминий | 0,1-0,5 |
иттрий | 0,05-0,1 |
кальций | 0,001-0,005 |
азот | 0,005-0,01 |
сера | 0,005-0,015 |
фосфор | 0,005-0,03 |
железо | остальное |
При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование наиболее оптимального структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных прочностных и деформационных характеристик материала, в частности:
- суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%;
- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,025%;
- суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.
Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность внутрикорпусных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.
Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок алюминия, иттрия и кальция, как элементов с высокими термодинамическими и особыми физико-химическими свойствами, в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь, хромом, никелем и кремнием улучшает ее структурную стабильность при рабочих температурах и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение диффузионной подвижности атомов водорода в кристаллической решетке аустенитной стали, а также повышает работу зарождения и развития дислокационных и межзеренных хрупких трещин при коррозионном и водородном растрескивании в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали наши исследования [4, 5], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и неметаллических включений по всему сечению слитка, крупных поковок и слябов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерен, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное снижение водородопроницаемости как основного металла, так и сварных соединений. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве тонколистового и трубного проката, а также других полуфабрикатов для изготовления сложнопрофильных газовых емкостей и сосудов. Введение алюминия, иттрия и кальция в сочетании с другими элементами вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в условиях одновременного воздействия растягивающих напряжений и коррозионной среды.
Модифицирование стали азотом в указанном соотношении с углеродом и титаном существенно улучшает структурную стабильность металла шва и ЗТВ, способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых при температурах технологических и сварочных нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в металле и повышает энергию активации диффузионных процессов атомов водорода, т.е. уменьшает его термодинамическую активность в -железе. При этом обеспечение требуемого уровня водородопроницаемости и основных физико-механических характеристик стали в условиях длительного воздействия рабочих температур и коррозионно-активных водородосодержащих сред достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей оптимальную плотность активных плотностей скольжения под действием эксплуатационных нагрузок и отражающей важный вклад дислокационной неупругости в процессы внутреннего трения. Вместе с тем следует отметить, что введение азота в указанном соотношении с углеродом и титаном способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости металла сварного шва и зоны термического влияния при сохранении необходимой коррозионно-механической прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью.
Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [4], что в заявляемой стали доля вязкой составляющей в зоне разрушения после наводороживания металла заметно возрастает по сравнению с известным составом. Увеличение суммарного содержания углерода и азота свыше указанного в формуле изобретения предела снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокаций в процессе последующих технологических нагревов и отрицательно влияет на деформационную способность и водородопроницаемость металла в процессе длительной эксплуатации.
Полученный более высокий уровень физико-механических, сварочно-технологических и служебных характеристик стали обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям - сере и фосфору.
В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских работ и заданий Правительства [6-8] выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки стали. Металл выплавлялся в вакуумной плазменно-дуговой печи емкостью 5 т с последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.
Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения всего комплекса наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки стали в промышленности и народном хозяйстве выразится в повышении работоспособности и эксплуатационных характеристик, а также экологической безопасности использования внутрикорпусных систем, тонкостенных трубопроводов и газовых емкостей реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.
Таблица 1 | |||||||||||||||||
Химический состав исследованных материалов | |||||||||||||||||
Состав | Условный № состава | Содержание элементов, масс.% | |||||||||||||||
С | Si | Mn | Cr | Ni | Ti | Al | Y | Ca | N | S | P | Al+Si | C+N | S+P | Fe | ||
Заявляемый | 1 | 0,005 | 0,2 | 0,1 | 17,0 | 12,0 | 0,08 | 0,5 | 0,05 | 0,001 | 0,01 | 0,005 | 0,02 | 0,7 | 0,015 | 0,025 | ост. |
2 | 0,01 | 0,4 | 0,3 | 18,0 | 13,0 | 0,2 | 0,1 | 0,08 | 0,003 | 0,008 | 0,010 | 0,03 | 0,5 | 0,018 | 0,04 | ост. | |
3 | 0,02 | 0,5 | 0,5 | 19,0 | 14,0 | 0,3 | 0,3 | 0,1 | 0,005 | 0,005 | 0,015 | 0,005 | 0,8 | 0,025 | 0,02 | ост. | |
Известный | 4 | 0,03 | 0,35 | 0,4 | 17,5 | 13,0 | 0,005 | - | - | - | - | 0,020 | 0,030 | - | - | 0,05 | ост. |
Таблица 2 | |||||||||||
Основные физико-механические, технологические и служебные свойства исследованных сталей | |||||||||||
Состав | Условный №состава | Механические свойства при растяжении | Свойства стали после наводороживания | Водородопроницаемость Р, см3·мм/см2 ·сек·атм0,5 | Выход годного при производстве тонколистового рулонного проката, % | ||||||
в | 0,2 | в | Предел усталости -1 | логарифмический декремент колебаний | |||||||
МПа | % | МПа | % | МПа | % | ||||||
Заявляемый | 1 | 510 | 190 | 50 | 75 | 480 | 30 | 230 | 8 | 3·10 7 | 85 |
2 | 530 | 200 | 45 | 75 | 490 | 25 | 235 | 6 | 2·107 | 85 | |
3 | 550 | 220 | 46 | 70 | 500 | 23 | 250 | 5 | 2·107 | 90 | |
Известный | 4 | 450 | 180 | 40 | 65 | 360 | 15 | 210 | 3 | 6·107 | 78 |
Примечание. 1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку. 2. Наводороживание образцов производилось в автоклавах при давлении водорода 10 атм, температуре 350°С и длительностью 500 час. 3. Усталостная прочность образцов определялась в условиях знакопеременного циклического нагружения на базе 5·10 7 циклов. 4. Измерение внутреннего трения, характеризующего структурное состояние металла, проводилось на установке Д-6М Института проблем прочности АН Украины. 5. Водородопроницаемость образцов исследуемых сталей определялась на газоанализирующей установке ВД-8, работающей на принципе объемно-метрического метода измерения стационарного потока водорода (Тисп. =350°С). |
ЛИТЕРАТУРА
1. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева "Машиностроительные стали" - справочник, изд-во "Машиностроение", Москва, 1989, с.254-257.
2. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные" (марки и технические требования), Москва, изд-во "Стандарт", 1977, с.13-20, 30-40 - прототип.
3. A.M.Паршин, И.А.Повышев и др. Современное состояние и перспективы развития коррозионностойких сталей с особыми физическими свойствами. - Материалы VII-й научно-технической конференции стран СНГ по проблеме "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов", Белгород, 1997, с.68-70.
4. В.В.Рыбин, И.А.Повышев "Физико-химические основы создания водородостойких сталей" - Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, т.2, Москва, 1998, с.461.
5. В.В.Васильев, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев "Проникновение водорода сквозь аустенитные коррозионностойкие материалы". - Сборник научных трудов "Вопросы судостроения", сер. "Металловедение", №26, Ленинград, 1978, С.55-56.
6. Федеральная целевая научно-техническая программа "Разработка и исследование конструкционных материалов термоядерных реакторов (ИТЭР, экспериментальные модули ИТЭР, ДЕМО и др.), а также тритийвоспроизводящих материалов и тритиевой технологии ТЯР (1997-2006 гг.)".
7. Постановление Правительства РФ от 18 марта 1992 г. №178 "О соглашении между Европейским сообществом по атомной энергии, Правительством Российской Федерации, Правительством Соединенных Штатов Америки и Правительством Японии о сотрудничестве в разработке технического проекта Международного термоядерного экспериментального реактора".
8. Постановление Правительства РФ от 19 сентября 1996 г. №1119 об утверждении федеральной целевой научно-технической программы "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку на 1996-1998 гг.".
Класс C22C38/50 с титаном или цирконием