Жаропрочный сплав на никелевой основе

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам, предназначенным для элементов, используемых в атомной энергетике, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, работающих при высоких температурах. Жаропрочный сплав на никелевой основе содержит, мас.%: углерод 0,02÷0,06, кремний 0,05÷0,30, марганец 1,3÷1,7, хром 18÷20, никель 53÷56, молибден 5,0÷7,0, вольфрам 2,0÷3,0, цирконий 0,05÷0,015, азот 0,01÷0,03, иттрий 0,01÷0,05, бор 0,001÷0,005, алюминий 0,05÷0,15, железо и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокими показателями длительной прочности при температурах 650-800°C, повышенной технологичностью при изготовлении крупногабаритных поковок и при сварке. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных и жаростойких сплавов, предназначенных для высокотемпературных элементов энергетического, нефтехимического и атомного оборудования.

Известно, что в указанной области для работы в области высоких температур применяются сплавы Incoloy 800, Inconel 617, Nicrofer 4722Co, Nicrofer 4626 MoW, 03Х21Н32М3Б, 03Х20Н45М4Б и др. [1-4]. Однако недостаточная длительная прочность и низкая технологичность не позволяют использовать их для изготовления оборудования. Сложности, возникающие при изготовлении крупных поковок и сварных конструкций, требуют создания сплава, имеющего высокую технологичность и высокую длительную прочность.

Наиболее близким к заявляемому сплаву по составу компонентов является сплав Nicrofer 4626MoW [3], содержащий, мас.%:

углерод	0,03÷0,06
кремний	0,8÷1,2
марганец	1,2÷2,0
хром	24÷26
никель	44,0÷47,0
молибден	2,5÷3,5
вольфрам	2,5÷3,5
кобальт	2,5÷3,5
железо и примеси	остальное

Жаростойкий сплав на основе никель-хром-железо с добавками молибдена и вольфрама разработан для высокой температуры. Имеет отличное сопротивление окислению, науглероживанию. Может быть использован в качестве конструкционного материала для камер сгорания газовых турбин, для конструктивных элементов оборудования нефтехимического синтеза.

Однако данный сплав не удовлетворяет требованиям для высокотемпературных элементов атомного оборудования по уровню длительной прочности и технологичности при изготовлении крупных поковок и сварных конструкций.

Сплав склонен к горячему трещинообразованию при ковке и сварке.

Техническим результатом изобретения является повышение технологичности при ковке и сварке, а также повышение длительной прочности при длительной эксплуатации при температурах 650÷800°C.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам и железо, дополнительно содержит цирконий, азот, иттрий, бор, алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,02÷0,06
кремний	0,05÷0,30
марганец	1,3÷1,7
хром	18÷20
никель	53÷56
молибден	5,0÷7,0
вольфрам	2,0÷3,0
цирконий	0,05÷0,15
азот	0,01÷0,03
иттрий	0,01÷0,05
бор	0,001÷0,005
алюминий	0,05÷0,15
железо и примеси	остальное

Кроме того, Mo+W не более 9% и не менее 7%, серы не более 0,015%, фосфора не более 0,015%, S+P≤0,025%

Из заявляемого сплава будут изготавливаться элементы оборудования, в котором большое количество сварных соединений. При выборе легирующих элементов и их количестве основное внимание уделялось свариваемости и технологичности производства поковок и сварных конструкций.

Была проведена количественная оценка влияния элементов на сопротивляемость сварных швов образованию горячих трещин. Критерием стойкости сварного соединения к образованию горячих трещин является показатель технологической прочности А_кр, т.е. максимальная скорость принудительной деформации свариваемых образцов, при которой не происходит образование горячих трещин [4]. Чем она выше, тем технологичнее ведет себя сплав.

Кремний оказывает отрицательное влияние на А_кр, понижая его [5, 6], и поэтому в заявляемой стали допускается не более 0,3 мас.%, в то время как в известной стали имеется 0,8÷1,2 мас.%.

Марганец оказывает положительное влияние на свариваемость, повышая А_кр, поэтому в заявляемом составе марганец находится в пределах 1,3÷1,7 мас.%.

Совместное воздействие снижения содержания кремния и увеличение марганца в сплаве позволяет иметь высокие технологические характеристики при сварке заявленного состава.

Хром в интервале 18÷20 мас.% упрочняет твердый раствор, связывает углерод в мелкие карбиды. При большем содержании хрома во время эксплуатации оборудования при 650÷800°C в сплаве появляется сигма-фаза и происходит коагуляция карбидов Me₂₃C₆ на границах зерен, что резко снижает длительную прочность и приводит к охрупчиванию сплава. Поэтому в предлагаемой стали содержание хрома не превышает 20% (18÷20%), тогда как в прототипе он содержится в количестве 24÷26 мас.%.

Кобальт в прототипе содержит в своем составе 0,5÷2,5 мас.%. Сплав, используемый в реакторном оборудовании, не должен содержать кобальт, т.к. он является радиоактивным элементом с большим периодом полураспада и является нежелательным. Поэтому кобальт из состава заявляемой стали полностью выведен и вместо кобальта для увеличения стабильности аустенита сплава добавляется никель. Содержание никеля в заявляемом составе 53÷56 мас.%, в то время как в прототипе его содержание находится в пределах 44÷47 мас.%.

Молибден и вольфрам являются сильными упрочнителями твердого раствора (аустенита), т.к., имея большие радиусы атома, создают искажения кристаллической решетки, препятствующие продвижению дислокаций. Но при суммарном содержании молибдена и вольфрама более 10 мас.% образуются фаза Лавеса Fe₂(MoW) и µ-фаза типа Ni₇ (W, Mo, Co), которые ухудшают длительную прочность при высокотемпературной эксплуатации.

Известно [7, 8], что в никелевых сплавах для увеличения прочности и стабильности свойств необходимо соблюдать соотношение $$\frac{Mo}{W}=\frac{2-2,5}{1}$$ . В этом случае выпадение фаз минимальное. Поэтому в заявляемую сталь были введены 5÷7 мас.% Mo и 2,3÷3,0 W вместо 2,5÷3,5 мас.% Mo и 2,5÷3,5 мас.% W, имеющихся в прототипе. Известно, что как Mo, так и W повышают А_кр, улучшая свариваемость сплава [6].

Цирконий при температурах остывания слитка и ковки (1100÷1300°C) связывает углерод и азот в мелкие карбиды и карбонитриды, создавая центры кристаллизации и измельчая зерно. При эксплуатации карбонитриды циркония находятся в теле зерна, упрочняя его и повышая длительную прочность.

Алюминий вводится в сплав для улучшения раскисления, т.к. содержание другого раскислителя (Si) минимально.

Иттрий вводится в сплав для повышения высокотемпературных пластических свойств, т.к. он очищает границы зерен от примесей, вступая с ними в химические соединения. Известно [9], что введение 0,01÷0,05% иттрия в сплав Х20Н32М3Б повышает относительное удлинение на 10÷15% при температурах испытания 1000÷1250°. Технологичность при ковке слитков и поковок существенно повышается.

Бор вводится в сплав как модификатор и очиститель границ зерен, создавая с примесями тугоплавкие соединения.

Совместное действие иттрия, циркония и бора, очищающих границы зерен от легкоплавких примесей, таких как сера, фосфор, олово, мышьяк, сурьма повышает технологичность и длительную прочность сплава.

На Челябинском металлургическом комбинате были выплавлены 3 опытно-промышленные плавки весом 6 и 0,5 т из заявляемого сплава и прототипа (1 плавка). Химический состав приведен в таблице 1. Сплавы выплавлялись в вакуумно-индукционных печах и подвергались обработке давлением на промышленном прессовом оборудовании. После термической обработки (1100°C) были изготовлены образцы на кратковременное растяжение и длительную прочность, на горячее скручивание и технологическую прочность (А_кр).

При разработке технологии изготовления труб из сплава необходимо проводить испытание на горячее скручивание при высоких температурах. Проведенные исследования (см. табл.2) показали, что число скручиваний заявляемого сплава при температурах 1050÷1250°C имеют более высокие значения по сравнению с известным сплавом, аналогичные результаты получены при растяжении образцов при температурах 1000 и 1100°C. Относительное сужение заявляемого сплава выше, чем известного. Оба фактора свидетельствуют о том, что заявляемый сплав гораздо технологичнее известного при высокотемпературной деформации.

А_кр является показателем свариваемости материалов, характеризующим стойкость металла шва к образованию горячих трещин. Ранее были указаны элементы, снижающие и повышающие этот показатель.

Как показывает таблица 2, суммарное влияние всех элементов позволило увеличить А_кр в заявляемом сплаве до 2,29÷3,49 мм/мин, тогда как в известном сплаве эта величина составляет 1,03 мм/мин.

Таким образом, сварные швы из заявляемого сплава более технологичны, и сплав может быть сварен без горячих трещин.

Испытания на длительную прочность при различных температурах (650÷850°C) проводились на 4-5 образцах каждой плавки, и результаты определения σ_дп за 10⁴ час представлены в табл.3.

Известный сплав имеет предел длительной прочности ниже, чем σ_дп заявляемого сплава.

Это объясняется тем, что в заявляемом сплаве добавлено содержание молибдена, проведена очистка границ зерен с помощью таких элементов, как иттрий, цирконий, алюминий, бор, добавлен азот, создающий мелкие нитриды и карбонитриды, уменьшено содержание хрома и кремния.

Таблица 3
Длительная прочность сплавов
Сплав	Условный №	Длительная прочность на базе 104 час при температурах, °C
600	650	700	750	800	850
Заявляемый	1	195	170	90	64	45	28
	2	196	180	96	65	47	31
3	200	176	100	67	48	30
Известный	4	150	130	80	60	42	26

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент РФ №2194788, кл. C22C 38/50, C22C 30/00, 2002.

2. «Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System». F. Starr and A. Shibli. International Symposium of Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.

3. Справочник «Коррозионностойкие жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы».-М.: Интермет Инжиниринг. 2000. стр. 219.

4. В.М. Заболотский и др. «Исследование свариваемости высоконикелевых аустенитных сплавов типа 03Х20Н45М3Б. Вопросы судостроения. Сварка, 1982, вып.33, стр.62-65.

5. М.Х. Шоршоров и др. «Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов».-М.: Машиностроение, 1974, с.189-198.

6. Ю.В. Дынькова и др. «Влияние кремния, алюминия, ниобия, марганца на технологическую прочность стали марки 03Х21Н32М3Б». Вопросы судостроения. Сварка, 1979 г., вып.28, стр. 69-74.

7. Ю.М. Трапезников, А.С. Михайлов. Прогнозирование склонности жаропрочной стали к выделению охрупчивающих фаз. Вопросы судостроения. Металловедение, 1985, №43.

8. Ю.М. Трапезников, А.С. Михайлов. Выбор легирующего комплекса в целях разработки материала для длительной работы при температуре до 900°C. Технология судостроения, 1985, №12.

9. Ю.М. Трапезников, Б.И. Бережко, Г.Г. Зимин. Исследование влияния технологии изготовления трубной заготовки на свойства стали 03Х20Н32М3Б. Вопросы судостроения. Сер. Металлургия, вып.29, 1980.

1. Жаропрочный сплав на никелевой основе, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, азот, иттрий, бор, алюминий при следующем содержании компонентов, мас. %:

углерод	0,02÷0,06
кремний	0,05÷0,30
марганец	1,3÷1,7
хром	18÷20
никель	53÷56
молибден	5,0÷7,0
вольфрам	2,0÷3,0
цирконий	0,05÷0,15
азот	0,01÷0,03
иттрий	0,01÷0,05
бор	0,001÷0,005
алюминий	0,05÷0,15
железо и примеси	остальное

при этом Mo+W не более 9 мас.% и не менее 7 мас.%.

2. Жаропрочный сплав на никелевой основе по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей содержит серу и фосфор при их содержании, мас. %:

сера	не более 0,015
фосфор	не более 0,015,

при этом суммарное содержание серы и фосфора не более 0,025 мас.%.