жаропрочный сплав на никелевой основе
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом |
Автор(ы): | Карзов Георгий Павлович (RU), Марков Вадим Георгиевич (RU), Зимин Герман Георгиевич (RU), Яковлев Виталий Аверкиевич (RU), Артемьева Дарина Александровна (RU) |
Патентообладатель(и): | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ ПРОМЕТЕЙ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-12-24 публикация патента:
10.08.2011 |
Изобретение относится к области металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля и может быть использовано для изготовления из этих сплавов высокотемпературных элементов энергетического оборудования. Заявлен жаропрочный сплав на никелевой основе. Сплав содержит, мас.%: углерод 0,01-0,05, кремний 0,08-0,30, марганец 1,3-1,7, хром 19,0-21,0, никель 53,0-56,0, молибден 5,0-7,0, вольфрам 2,0-3,0, цирконий 0,05-0,15, церий 0,05-0,10, ниобий 0,20-0,30, азот 0,010-0,040, титан 0,025-0,200, железо и примеси -остальное. При этом соблюдаются следующие соотношения: Mo+W 8-9 мас.%, Nb/(C+N) 3. Технический результат - получение сплава с высоким уровнем длительной прочности на базе 100000 часов при температуре 650°С при сохранении высокого уровня технологичности. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Формула изобретения
1. Жаропрочный сплав на никелевой основе, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам, цирконий, ниобий, азот, титан, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий при следующем содержании компонентов, мас.%:
Углерод | 0,01-0,05 |
Кремний | 0,08-0,30 |
Марганец | 1,3-1,7 |
Хром | 19,0-21,0 |
Никель | 53,0-56,0 |
Молибден | 5,0-7,0 |
Вольфрам | 2,0-3,0 |
Цирконий | 0,05-0,15 |
Церий | 0,05-0,10 |
Ниобий | 0,20-0,30 |
Азот | 0,010-0,040 |
Титан | 0,025-0,200 |
Железо и примеси | Остальное, |
при соблюдении следующих соотношений:
суммарное содержание молибдена и вольфрама не превышает 8-9 мас.%, отношение содержания ниобия к суммарному содержанию углерода и азота Nb/(C+N) 3.
2. Жаропрочный сплав на никелевой основе по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей он содержит серу, фосфор, сурьму, олово, мышьяк при их содержании, мас.%:
Сера | 0,010 |
Фосфор | 0,015 |
Сурьма | 0,005 |
Олово | 0,003 |
Мышьяк | 0,005 |
3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей S+P+Sn+Sb+As не более 0,030 мас.%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов, содержащих в качестве основы никель, хром, железо, молибден, вольфрам, а также углерод, кремний, марганец, цирконий, церий, азот, ниобий, титан. Сплав предназначен для высокотемпературных элементов энергетического оборудования нового поколения. Сплав обеспечивает значение длительной прочности не менее 140 МПа при температурах 620-680°С в течение 105 часов под нагрузкой 70 МПа в конструкциях энергоблоков, рассчитанных на суперсверхкритические параметры пара.
Известно, что в указанной области техники для работы в области температур 650-700°С применяются сплавы Incoloy 800 and Inconel 617.
Однако недостаточная длительная прочность этих материалов не позволяет использовать их при температурах более 650°С. Структурные превращения, развивающиеся в сплавах при эксплуатации, ухудшают их длительную прочность. Наиболее близким к заявленному сплаву по составу компонентов является сплав на никелевой основе, содержащий, в мас.% [6]:
Железо | 17,0-25,0 |
Хром | 14,0-20,0 |
Кремний | 0,5-2,0 |
Марганец | 0,1-2,0 |
Углерод | 0,04-0,10 |
Кальций | 0,02-0,10 |
Азот | 0,010-0,080 |
Титан | 0,025-0,045 |
Цирконий | 0,04-0,17 |
Иттрий | 0,03-0,08 |
Молибден, Вольфрам, Кобальт | не более 0,1 |
Никель | остальное |
Данный сплав предназначен для изготовления термопар для работы в агрессивных средах, элементов атомных реакторов, автоклавов и бандажей доменных печей. Его рабочая температура ограничивается значением 700°С.
Однако данный сплав не удовлетворяет требованиям для высокотемпературных элементов по уровню длительной прочности на временной базе 10 5 часов, что делает невозможным его применение для конструкций энергоблоков, рассчитанных на суперсверхкритические параметры пара.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание жаропрочного сплава, обладающего повышенным уровнем кратковременных и длительных механических свойств на базе 100000 часов при температуре 650°С.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый сплав по сравнению с прототипом дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
Углерод | 0,01-0,05 |
Кремний | 0,08-0,30 |
Марганец | 1,3-1,7 |
Хром | 19,0-21,0 |
Никель | 53,0-56,0 |
Молибден | 5,0-7,0 |
Вольфрам | 2,0-3,0 |
Цирконий | 0,05-0,15 |
Церий | 0,05-0,10 |
Ниобий | 0,20-0,30 |
Азот | 0,010-0,040 |
Титан | 0,025-0,200 |
Железо и примеси | остальное |
При этом должны соблюдаться следующие соотношения:
- суммарное содержание примесей (P+Sn+Sb+As) должно быть не более 0,030%;
- суммарное содержание молибдена и вольфрама не должно превышать 8-9 мас.%;
- должно выполняться следующее соотношение, в мас.%:
Nb/(C+N)>3;
Азот в сплаве с 55% никеля в количестве 0,01-0,04 мас.% расширяет -область и способствует большей устойчивости аустенита при холодной деформации. Азот способствует образованию нитридных и карбонитридных фаз при старении с размерами, соизмеримыми с наноразмерами, которые, располагаясь по границам зерен, увеличивают прочность межкристаллитных слоев и тем самым повышают длительную прочность.
Ниобий в количестве 0,20-0,30 мас.% введен в сплав, в первую очередь, для стабилизации азота и помимо этого, располагаясь по границам зерен, упрочняет их и повышает длительную прочность. При введении его вместе с элементами, вызывающими дисперсионное твердение, устраняет чрезмерное охрупчивание.
Титан вводится в сплав для повышения длительной прочности. Содержание титана ограничивается 0,20 мас.%, так как при повышении его содержания понижается твердость и прочность, вследствие того, что титан связывает углерод в стойкие карбиды титана, которые в процессах дисперсионного упрочнения участия не принимают.
Церий повышает технологичность при горячей пластической деформации. При содержании церия до 0,1 мас.% он действует как модификатор и измельчает структуру слитка, в конечном счете, повышает технологическую пластичность и длительную прочность.
Содержание углерода поддерживают не выше 0,05 мас.% для того, чтобы уменьшить концентрацию карбидов, выделяющихся преимущественно по границам зерен и при определенных морфологиях отрицательно влияющих на длительную прочность и пластичность сплава.
Количество кремния ограничено не более 0,30 мас.%, т.к. этот элемент ухудшает свариваемость и вызывает межкристаллитное окисление.
Марганец в пределах 1,3-1,7 мас.% повышает технологическую прочность при сварке.
Хром в интервале 19,0-21,0 мас.% упрочняет твердый раствор и обеспечивает жаростойкость при высоких температурах.
Молибден 5,0-7,0 мас.%, вольфрам 2,0-3,0 мас.% - основные элементы-упрочнители твердого раствора. Суммарное содержание молибдена и вольфрама не должно превышать 8-9 мас.%, так как эти элементы (совместно с хромом) образуют охрупчивающую µ-фазу типа Ni7(W,Mo,Cr)6, которая ухудшает длительную прочность никелевых сплавов при высокотемпературной эксплуатации.
Цирконий 0,05-0,15 мас.% стабилизирует структуру, связывая углерод в устойчивые карбиды ZrC, упрочняет границы зерен, тем самым, повышает прочность при высоких температурах.
Для повышения структурной стабильности сплава, образования в процессе старения в достаточном количестве карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых в широком интервале температур технологических и сварочных нагревов, что способствует снижению структурной неоднородности, должно выполняться соотношение Nb/(C+N) 3.
При длительном воздействии повышенных рабочих температур до 650°С возможна сегрегация примесных элементов, таких как Р, Sn, Sb и As, на границах зерен. При этом наблюдается снижение сопротивления хрупкому разрушению и межзеренному разрушению, в связи с этим необходимо ограничивать суммарное содержание данных элементов (P+Sn+Sb+As) не более 0,03%.
Были произведены 3 опытно-промышленные плавки на ООО "Ласмет" весом по 100 кг. Сплав выплавлялся в вакуумно-индукционных печах емкостью 0,5-12 т. Полученный металл подвергался обработке давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании.
Вакуумная выплавка обеспечивает существенное уменьшение содержания как вредных примесей (особенно серы), так и примесей цветных металлов. Этот рафинирующий эффект создает резерв повышения деформируемости сплава, особенно в сочетании с применением при выплавке чистых шихтовых материалов.
Материал подвергался термической обработке, после чего были изготовлены образцы на статическое растяжение и длительную прочность.
Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1, механические и служебные свойства - в таблице 2 и 3 соответственно.
Результаты сравнительных испытаний металла плавок показывают преимущество сплава заявленного состава по кратковременным механическим свойствам и по длительным механическим свойствам.
Таблица 2 | ||||||
Механические свойства предлагаемого и известного сплавов | ||||||
Сплав | Условный номер плавки | Температура испытания, °С | Механические свойства | |||
В, МПа | 0,2, МПа | , % | , % | |||
не менее | ||||||
Предлагаемый | 1 | 650 | 534 | 201 | 60,9 | 72,3 |
2 | 650 | 530 | 215 | 67,5 | 71 | |
3 | 650 | 527 | 197 | 65,3 | 72,1 | |
Известный | 4 | 450 | 475 | 145 | 54,5 | 64,7 |
Примечания: | ||||||
1. Приведены усредненные результаты по 3-м образцам на точку. | ||||||
2. Образцы испытаны после аустенизации при температуре 1100°С, охлаждение на воздухе. |
Таблица 3 | ||
Предел длительной прочности предлагаемого и известного сплавов | ||
Сплав | Условный номер плавки | Предел длительной прочности на базе 105 часов при 650°С, МПа |
Предлагаемый | 1 | 155 |
2 | 162 | |
3 | 160 | |
Известный | 4 | 96 |
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 756867, кл. С22С 19/05, 1980.
2. Патент РФ № 2194788, кл. С22С 38/50, С22С 30/00, 2002.
3. Технический отчет по этапу 3 темы № 291д-85, от 26.11.85.
4. "Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System", F.Starr and A.Shibli International Symposium on Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.
5. К.А.Ланская. Жаропрочные стали. - М.: Металлургия, 1969. - 246 с.
6. А.П.Шлямнев и др. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справочник. - М.: Интермет Инжиниринг. - 2000. - 232 с.