ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
HEAT RESISTANT ALLOY ON NICKEL BASE

5
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 10 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.
5
Однако данный сплав не удовлетворяет требованиям для высокотемпературных элементов по уровню длительной прочности на временной базе 10 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 γ-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.
7
6
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 Ni(W,Mo,Cr), 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
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
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 10<sup>5</sup> 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.