ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ
REFRACTORY ALLOY

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением и может использоваться при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности, в частности при изготовлении реакционных змеевиков.
Известен жаропрочный сплав [1], содержащий мас.%:
Углерод
0,35-0,55
Азот
0,02-0,05
Хром
22-27
Никель
25-40
Ниобий
1,0-2,0
Вольфрам
0,5-5,0
Молибден
0,2-0,6
Титан
0,05-0,6
Кремний
0,8-2,0
Марганец
0,8-1,5
Бор
0,0005-0,005
Алюминий
0,1-1,0
Медь
0,1-1,0
Магний
0,01-0,1
Цирконий
0,005-0,15
Иттрий
0,008-0,1
Железо
остальное
при выполнении условия
К недостаткам указанного сплава относится низкий уровень пластичности (менее 5%) в условиях статических напряжений при температуре 1000°C и низкая сопротивляемость сплава к коррозионно-механическому воздействию при температуре 1100°C. Указанные недостатки в условиях эксплуатации приводят к выходу из строя реакционной трубной системы пиролизных змеевиков, что значительно уменьшает срок «межремонтного пробега».
Известен также жаропрочный сплав [2], принятый за прототип, следующего химического состава (мас.%):
Углерод
0,35-0,55
Азот
0,02-0,05
Хром
22,0-27,0
Никель
25,0-40,0
Ниобий
1,0-2,0
Вольфрам
0,5-5,0
Молибден
0,2-0,6
Титан
0,05-0,6
Кремний
0,8-2,0
Марганец
0,8-1,5
Алюминий
0,1-1,0
Медь
0,1-1,0
Магний
0,01-0,1
Цирконий
0,005-0,15
Иттрий
0,008-0,1
Бор
0,007-0,01
Церий
0,022-0,063
Лантан
0,006-0,027
Неодим
0,002-0,005
Празеодим
0,005-0,008
Железо
остальное
при этом должны выполняться два условия:
Этот сплав обладает повышенной стойкостью в воздушной среде к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения при максимальных рабочих температурах 1100°C и повышенной пластичностью, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока «межремонтного пробега» высокотемпературных змеевиков.
Недостатком сплава является повышенная скорость ползучести, что приводит к значительным формоизменениям трубной системы и ее преждевременному выходу из строя, а также недостаточная длительная прочность и жаростойкость.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава, обладающего более высокими характеристиками сопротивления ползучести, длительной прочности и жаростойкости.
Технический результат изобретения достигается тем, что заявляемый жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, при выполнении условий 1 и 2
дополнительно содержит кальций и барий, а также повышенные концентрации вольфрама, хрома, никеля и ограниченное содержание железа при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Углерод
0,35-0,55
Азот
0,02-0,05
Хром
28,0-36,0
Железо
3,0-5,0
Ниобий
1,0-2,0
Вольфрам
0,5-8,0
Молибден
0,2-0,6
Титан
0,05-0,6
Кремний
0,8-2,0
Марганец
0,8-1,5
Алюминий
0,1-1,0
Медь
0,1-1,0
Магний
0,01-0,1
Цирконий
0,005-0,15
Иттрий
0,008-0,1
Бор
0,007-0,01
Кальций
0,01-0,2
Барий
0,01-0,3
Церий
0,022-0,063
Лантан
0,006-0,027
Неодим
0,002-0,005
Празеодим
0,005-0,008
Никель
остальное
При этом должно выполняться следующее условие: суммарное содержание кальция и бария не должно превышать 0,31 мас.%.
Увеличение содержания хрома и углерода при повышении содержания никеля способствует увеличению удельного объема карбидной фазы, выделяющейся на границах кристаллов и дендритных ячеек, при этом формируется карбидный каркас, что тормозит развитие пластического течения по границам, тем самым снижается скорость ползучести и увеличивается длительная прочность.
Хромоникелевая основа сплава при высокой концентрации хрома (28-36%) и ограниченного содержания железа 3-5% способствует образованию более стойкой окалины, состоящей из окислов типа шпинелей, обеспечивающая улучшение жаростойкости при 1100°C.
В то же время хромоникелевая основа сплава при повышенном содержании вольфрама, не ухудшая пластичности, улучшает структурную стабильность твердого раствора избыточных фаз в условиях воздействия циклических и статических нагрузок.
Введение в состав литого жаропрочного сплава суммарной концентрации микродобавок кальция и бария обеспечивает высокую эффективность раскисления расплава, увеличивая тем самым эффект усвояемости границами сплава церия, лантана, неодима и празеодима с целью увеличения значений характеристик длительной прочности и жаростойкости заявленного состава сплава.
Суммарное количество кальция и бария, не более 0,31 мас.%, определяет их оптимальную концентрацию, когда содержание кислорода в сплаве составляет не более 0,0025 мас.%.
Выбранные пределы микролегирования активными элементами Са и Ва при указанной концентрации кислорода сохраняют практически неизменным кристаллическое строение и фазовый состав сплава, существенно улучшают состояние межкристаллитных границ, обеспечивая при высокой температуре увеличение их стойкости к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения.
Пример конкретного выполнения.
Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» была проведена выплавка и исследованы свойства следующих сплавов:
- Сплавы с содержанием ингредиентов, выходящих за пределы заявляемых концентраций (плавки №1, 2)
- Заявляемый сплав (плавки №3, 4)
- Сплав прототипа (плавка №5)
Сплавы получали в открытой индукционной печи с использованием высококачественных шихтовых материалов и специальной лигатуры, содержащей вводимые элементы. Жидкий металл, который в процессе ведения плавок находился под защитой аргона, разливали в чугунные изложницы. Вес слитков составлял 23-25 кг.
Для проведения коррозионно-механических испытаний и испытаний на длительную прочность из центральной части слитка на расстояние 10 мм от края вырезали разрывные образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 30 мм.
В таблице 1 представлен химический состав исследуемых сплавов. Свойства полученных сплавов представлены: в таблице 2 - результаты испытаний на длительную прочность; в таблице 3 - результаты коррозионных испытаний.
Таблица 1
Условный номер плавки
Содержание элементов, мас.%
C
N
Cr
Ni
Nb
Mo
W
Ti
Si
Mn
Al
Cu
Zr
Mg
Y
1
0,34
0,021
27,0
ост.
0,98
0,18
8,5
0,62
1,0
0,7
0,09
0,09
0,004
0,011
0,007
2
0,56
0,04
37,0
ост.
2,1
0,62
0,4
0,004
2,1
1,6
1,1
1,1
0,16
0,008
0,1
3
0,55
0,05
36,0
ост.
2,0
0,6
8,0
0,6
2,0
1,5
1,0
1,0
0,15
0,1
0,1
4
0,35
0,02
28,0
ост.
1,0
0,2
0,5
0,05
0,8
0,8
0,1
0,1
0,005
0,01
0,008
5 (прототип)
0,45
0,04
27,0
35,0
2,0
0,25
1,8
0,06
1,55
1,0
0,3
0,25
0,06
0,08
0,009
Продолжение таблицы 1
Условный номер плавки
Содержание элементов, мас.%
C+N-(Nb+2Ti)/10
(La+Ce+Nd+Pr)/B
Ca+Ba
B
La
Ce
Nd
Pr
Fe
Ca
Ba
1
0,012
0,005
0,021
0,0022
0,009
2,8
0,21
0,004
0,13
3,1
0,214
2
0,006
0,028
0,065
0,004
0,004
6,5
0,007
0,32
0,28
15,1
0,327
3
0,01
0,021
0,063
0,002
0,008
3,0
0,2
0,01
0,28
10,0
0,21
4
0,007
0,006
0,022
0,005
0,005
5,0
0,01
0,3
0,26
5,4
0,31
5 прототип
0,007
0,015
0,009
0,008
0,003
ост.
-
-
0,278
5,0
-
Таблица 2
Условный номер плавки
Характеристики жаропрочности сплава при температуре 1100°C и напряжении 10 МПа
Минимальное время до разрушения (τ), час
Относительное удлинение (δ), %
Скорость ползучести (V), %, час
1
1993
6
8×10<sup>-3</sup>
2
2403
6
3×10<sup>-3</sup>
3
3780
8
4×10<sup>-4</sup>
4
3040
13
6×10<sup>-4</sup>
5
1840
38
9×10<sup>-3</sup>
Таблица 3
Условный номер плавки
Скорость окисления сплава при температуре 1100°C, мм/год
1
0,75
2
0,46
3
0,21
4
0,25
5
1,1
Из таблиц 2 и 3 следует, что состав плавок 1 и 2 не обеспечивает улучшение комплекса служебных характеристик, в частности, несмотря на повышенную сопротивляемость окислению и сравнительно небольшое превосходство в жаропрочности, эти сплавы характеризуются низкой пластичностью и пониженным сопротивлением ползучести.
Анализ данных таблиц 2 и 3 по плавкам 3 и 4 свидетельствует о том, что заявляемый сплав существенно превосходит прототип по длительной прочности (примерно в 2 раза), по жаростойкости (примерно в 5 раз), при этом сохраняется приемлемый уровень длительной пластичности сплава (8-13%) и увеличивается сопротивляемость высокотемпературной ползучести (более чем в 10 раз).
Таким образом, заявленный состав сплава существенно превосходит сплав прототипа по сопротивлению ползучести, жаростойкости и длительной прочности при температуре 1100°C.
Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из заявленного сплава, обладающего улучшенным комплексом служебных характеристик, позволяет, за счет повышения уровня сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности увеличить в 1,5-2,0 раза ресурс работы установок.
Источники информации
1. Патент РФ №2026401, С22С 19/05.
2. Патент РФ №2350674, С22С 19/05 (прототип).