Присадочный материал для сварки
Изобретение относится к области металлургии, а именно к присадочному материалу для сварки, который может быть использован при сварке роторов газовых турбин. Присадочный материал содержит, вес.%: C 0,05-0,15, Cr 8-11, Ni 2,8-6, Mo 0,5-1,9, Mn 0,5-1,5, Si 0,15-0,5, V 0,2-0,4, B 0-0,04, Re 1-3, Ta 0,001-0,07, N 0,01-0,06, Pd 0-60 ч./млн, P не более 0,25, S не более 0,02, железо и неизбежные примеси - остальное. Присадочный материал характеризуется хорошей смачиваемостью, повышенным сопротивлением ползучести, высокой вязкостью. 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области технологии получения материалов. Оно относится к присадочному материалу для сварки на основе стали, характеризующемуся улучшенной плавкостью во время сварки и повышенным сопротивлением ползучести после затвердевания по сравнению с известными присадочными материалами для сварки.
Уровень техники
Как известно, роторы тепловых гидравлических машин, например газовых турбин, формируют из отдельных дисков, свариваемых затем между собой. Для этого, например, заявитель вот уже на протяжении десятилетий применяет способ дуговой сварки плавлением/сварки под флюсом.
В целях повышения эффективности газовых турбин последние эксплуатируются в числе прочего также при экстремально высоких рабочих температурах. Поэтому роторы должны обладать, с одной стороны, высоким сопротивлением ползучести при очень высоких температурах и, с другой стороны, также другими положительными механическими свойствами, а также хорошей неокисляемостью. Это справедливо, разумеется, и в отношении сварных швов, посредством которых соединены между собой роторные диски.
Для сварки под флюсом таких роторов газовых турбин из уровня техники известно применение присадочного материала следующего химического состава (количества в вес.%): 0,09-0,14 C, не более 0,40 S, не более 1,40 Mn, не более 0,025 P, не более 0,020 S, не более 11,00-12,50 Cr, 2,00-2,60 Ni, 0,95-1,80 Mo, 0,20-0,35 V, 0,020-0,055 N, остальное - железо.
Такой присадочный материал для сварки известен под названием SZW 3001-UP. Он поставляется в виде проволоки, при этом прочность на разрыв наплавленного металла составляет 700-1200 Н/мм2, допустимое отклонение прочности в партии не должно составлять более ±50 Н/мм2. Такой присадочный материал применяется в соответствии с Условиями поставки для сварки под флюсом и наплавкой.
Однако не во всех случаях этот материал отвечает жестким требованиям, предъявляемым к современным газовым турбинам, в частности, в отношении высокотемпературных свойств, таких, например, как сопротивление ползучести.
Из ЕР 2221393 А1 известен присадочный материал для сварки с улучшенными свойствами, используемый для сварки роторов газовых турбин и обладающий следующим химическим составом (количества в вес.%): 0,05-0,14 C, 8-13 Cr, 1-2,6 Ni, 0,5-1,9 Mo, 0,5-1,5 Mn, 0,15-0,5 Si, 0,2-0,4 V, 0-0,04 B, 2,1-4,0 Re, 0-0,07 Ta, 0 - не более 60 частей на миллион Pd, остальное - железо и неизбежные, технологически обусловленные примеси.
Однако желательно дополнительно улучшить свойства этого известного из ЕР 2221393 А1 присадочного материала для сварки, в частности, в отношении вязкости.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, присущих уровню техники. В основу изобретения положена задача создания устойчивого при высокой температуре присадочного материала для сварки на основе стали, которому наряду с хорошей плавкостью во время сварки и высокому сопротивлению ползучести после затвердевания также присущи хорошие вязкость и неокисляемость по сравнению с известными присадочными материалами для сварки.
Согласно изобретению указанная задача решается в результате того, что присадочный материал для сварки обладает следующим химическим составом (количества в вес.%):
0,05-0,15 C
8-11 Cr
2,8-6 Ni
0,5-1,9 Mo
0,5-1,5 Mn
0,15-0,5 Si
0,2-0,4 V
0-0,04 B
1-3 Re
0,001-0,07 Ta
0,01-0,06 N
0-60 ч./млн Pd
не более 0,25 P
не более 0,02 S
остальное - железо и неизбежные, технологически обусловленные примеси. По сравнению с известными из уровня техники материалами, используемыми в качестве присадочного материала для сварки, материал согласно изобретению отличается превосходно улучшенными свойствами сопротивления ползучести, а также существенно большей ударной вязкостью. При незначительном повышении показателей относительного удлинения при разрушении было установлено во время испытания на растяжение при комнатной температуре лишь незначительное снижение предела текучести и временного сопротивления разрыву.
Это объясняется сочетанием компонентов сплава, содержащихся в указанном диапазоне.
В частности, необходимо отметить следующее.
Cr представляет собой образующий карбиды элемент, который в приведенном диапазоне 8-11 вес.%, предпочтительно 10 вес.%, повышает неокисляемость, причем более высокие показатели ведут к нежелательным выделениям, вызывающим отрицательную хрупкость материала.
Re представляет собой элемент, который в указанных количествах 1-3 вес.%, предпочтительно 2,25 вес.%, очень хорошо способствует упрочнению твердого раствора и, следовательно, получению хороших прочностных показателей, в частности также хороших показателей сопротивления ползучести.
В представляет собой элемент, который в указанных количествах, не превышающих 0,04 вес.%, предпочтительно 0,02 вес.%, особенно предпочтительно 0,01 вес.%, упрочивает границы зерен. Кроме того, он также стабилизирует карбиды. Более высокие содержания бора являются критическими, так как они могут приводить к нежелательным выделениям бора, вызывающим эффект хрупкости. Взаимодействие бора с другими компонентами, в частности с Та (в количестве 0,001-0,07 вес.%), ведет к получению хороших прочностных показателей, в частности, касающихся ползучести.
Та действует в качестве элемента, упрочняющего выделения, и повышает прочность при высоких температурах. Если же использовать Та в количестве более 0,07 вес.%, то отрицательно снижается неокисляемость.
Si представляет собой элемент, который в указанном количестве 0,01-0,5 вес.%, предпочтительно 0,3 вес.%, повышает плавкость присадочного материала. Поэтому в случае использования присадочного материала согласно изобретению наплавленный металл является более текучим и можно проще проводить сварку. Дополнительно повышается неокисляемость, правда, вследствие добавки кремния возрастает образование нежелательных, вызывающих хрупкость фаз в материале.
Мn представляет собой элемент, стабилизирующий аустенит. В указанном количестве 0,5-1,5 вес.%, предпочтительно 1 вес.%, он повышает вязкость материала.
Ni также представляет собой стабилизирующий аустенит элемент. Повышенное по сравнению с известными из уровня техники материалами содержание никеля, составляющее 2,8-6 вес.%, предпочтительно 4 вес.%, вызывает резкое увеличение вязкости присадочного материала без существенного снижения сопротивления ползучести и предела прочности при комнатной температуре. Однако при содержании более 6 вес.% никель отрицательно сказывается на усталостные свойства, из-за чего этот показатель не следует превышать.
Mo и V представляют собой образующие карбиды элементы и при добавке в заявленных количествах (0,5-1,9 вес.%, предпочтительно 1,7 вес.%, Mo и 0,2-0,4 вес.%, предпочтительно 0,35 вес.%, V) положительно влияют на неокисляемость.
Даже при очень малых количествах (не более 60 ч./млн, предпочтительно 10 ч./млн) Pd может повышать прочность, поскольку он упрочивает твердый раствор и дополнительно повышает неокисляемость.
В результате добавки 0,01-0,06 вес.%, предпочтительно 0,04 вес.%, N достигается образование VN, представляющего собой очень стабильный и оказывающий благоприятное воздействие на ползучесть, т.е. на сопротивление ползучести материала. В сочетании с повышенным содержанием Ni в присадочном материале для сварки согласно изобретению обеспечивается по сравнению с известным из уровня техники материалом более оптимальная комбинация высокой вязкости с очень хорошим сопротивлением ползучести.
Краткое описание чертежей
На чертежах представлены примеры выполнения изобретения. При этом на них изображено:
фиг.1 - предел текучести и прочность на разрыв в виде гистограмм для некоторых из исследованных сплавов;
фиг.2 - предел удлинения при разрыве в виде гистограмм для тех же исследованных сплавов на фиг.1;
фиг.3 - время до разрыва при 600°C/160 МПа в виде гистограммы для некоторых из исследованных сплавов на фиг.1;
фиг.4 - результаты испытаний на ударную вязкость при комнатной температуре.
Осуществление изобретения
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью примеров своего выполнения и чертежей.
Были использованы известные из уровня техники стандартные сплав SZW 3001 и сплав SZWX3 из ЕР 2221393 А1 в качестве сравнительных сплавов, а также материалы SZWX5-7 согласно изобретению. Химические составы (количества в вес.%) приведены в нижеследующей таблице 1.
| Таблица 1 | |||
| Химический состав исследованных сплавов | |||
| SZW3001 | SZWX3 | SZWX5-7 | |
| Fe | Остальное | Остальное | Остальное |
| Cr | 12 | 12 | 10 |
| Ni | 2,3 | 2,3 | 4 |
| Mn | 1 | 1 | 1 |
| Si | 0,4 | 0,4 | 0,27 |
| C | 0,12 | 0,12 | 0,12 |
| Mo | 1,7 | 1,7 | 1,7 |
| V | 0,35 | 0,35 | 0,35 |
| B | - | - | 0,01 |
| Re | - | 3 | 2,25 |
| Ta | - | 0,01 | 0,001 |
| N | 0,002 | 0,002 | 0,04 |
| P | <0,025 | <0,025 | <0,025 |
| S | <0,02 | <0,02 | <0,02 |
| Pd | 0 | 0,005 | 0,001 |
Сплавы согласно изобретению были получены следующим образом.
В виде слитков диаметром около 50 мм их неоднократно расплавляли в электродуговой печи. Затем их подвергли релаксационному отжигу (610°C/6 ч/охлаждение вместе с печью). После этого изготовили обычным способом образцы для испытаний на растяжение и сопротивление ползучести, а также небольшие образцы размером 3×4×27 мм для испытаний на ударную вязкость, имевшие V-образный надрез глубиной 1 мм, радиусом 0,1 мм и с углом раскрытия кромок 60°.
На фиг.1 и 2 для сравнительного материала SZW3001 и присадочного материала SZWX7 согласно изобретению представлены результаты испытаний на растяжение наплавленного металла при комнатной температуре.
На фиг.1 показаны в виде гистограмм соответственно предел текучести (горизонтальная штриховка) и прочность на разрыв (диагональная штриховка). Правда сплав SZWX7 имел незначительное снижение прочности по сравнению с применявшимся ранее присадочным материалом SZW3001 и известным из ЕР 2221393 А1 присадочным материалом SZWX3 (не показан на фиг.1, 2). Так, например, предел текучести снизился с 914 до 865 МПа, прочность на разрыв - 1147 и 1143 МПа до 1041 МПа, зато при противонатяжении относительное удлинение при разрыве возросло согласно ожиданию до 22% против 20,9 и 18,5% (см. фиг.2).
На фиг.3 показаны усталостные свойства наплавленного металла. На ней представлено время до разрыва при 600°C при нагружении 160 МПа в виде гистограммы исследованных материалов. Исследованные образцы согласно изобретению характеризовались предпочтительно существенно лучшими показателями сопротивления ползучести по сравнению с известными из уровня техники присадочными материалами SWZ 3001 и SZWX3 (последний на фиг.3 не показан). Наиболее отчетливо это преимущество проявилось в образце из SZWX5. При указанных выше условиях его стойкость была выше приблизительно в 11 раз (4300 ч) по сравнению со сравнительными образцами из SZW3001 (396 ч) и приблизительно в пять раз выше по сравнению со сравнительным образцом из SZWX3 (838 ч). В отношении образца из SWX7 можно было сделать вывод об аналогичных свойствах, так как через 3400 часов нагрузки при указанных выше условиях он все еще не был разрушен, как это показано стрелкой на фиг.3.
Наконец, на фиг.4 показана ударная вязкость надрезанного наплавленного металла, которую определяли для разных материалов с помощью очень малых образцов при комнатной температуре. В отношении изготовленных из присадочного материала согласно изобретению образцов была установлена ударная вязкость при наличии надреза, превысившая приблизительно в пять раз тот же показатель для сравнительного образца из SZW3001.
Такое очень хорошее сочетание свойств (превосходная вязкость при очень хороших усталостных свойствах и лишь незначительное снижение прочности) достигается за счет указанных комбинаций из разных элементов сплава.
Большей частью это объясняется тем, что данный сплав содержит наряду с компонентами известного из уровня техники присадочного материала SZW 3001 дополнительно, с одной стороны, 1-3 вес.%, в частности 2,25 вес.%, Re и, с другой стороны, 0,01 вес.% В. В данном случае рений выступает в качестве очень хорошего упрочняющего твердый расплав элемента, в то время как бор стабилизирует карбиды и снижает их укрупнение. Оба этих механизма повышают сопротивление ползучести наплавленного металла. Кроме того, сопротивление ползучести возрастает вследствие образования VN, вызываемого добавкой N в количестве 0,01-0,6 вес.%, предпочтительно 0,04 вес.%. Вследствие увеличения доли N предпочтительно до 4 вес.% значительно улучшается вязкость, в частности ударная вязкость. Правда, содержание Ni не должно превышать 6 вес.%, так как в противном случае вследствие образования аустенита структура становится неоптимальной и поэтому сопротивление ползучести отрицательно снижается.
Исследованный материал согласно изобретению отличается очень хорошей плавкостью, благодаря чему во время использования в качестве присадочного материала для сварки наплавленный металл является более текучим и легче проводится сварка. Дополнительно отмечается предпочтительно повышенная неокисляемость, вследствие чего он может использоваться предпочтительно при сварке роторов газовых турбин.
Само собой разумеется, что изобретение не ограничивается описанными примерами своего выполнения.
1. Присадочный материал для сварки, который имеет следующий химический состав, вес.%:
0,05-0,15 С
8-11 Cr
2,8-6 Ni
0,5-1,9 Mo
0,5-1,5 Mn
0,15-0,5 Si
0,2-0,4 V
0-0,04 В
1-3 Re
0,001-0,07 Та
0,01-0,06 N
0-60 ч./млн Pd
не более 0,25 Р
не более 0,02 S
остальное - железо и неизбежные, технологически обусловленные примеси.
2. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,10-0,14 вес.%, предпочтительно 0,12 вес.%, С.
3. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 10 вес.% Cr.
4. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 3-4 вес.% Ni.
5. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 1 вес.% Mn.
6. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,2-0,3 вес.% Si.
7. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 1,7 вес.% Mo.
8. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 2,25 вес.% Re.
9. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,005-0,02 вес.%, предпочтительно 0,01 вес.%, В.
10. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 10 ч./млн Pd.
11. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,35 вес.% V.
12. Присадочный материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит 0,001 вес.% Та.
13. Присадочный материал по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что он содержит 0,02-0,05 вес.%, предпочтительно 0,04 вес.%, N.
