ПРИГОДНЫЙ ДЛЯ СВАРКИ, ЖАРОПРОЧНЫЙ, СТОЙКИЙ К ОКИСЛЕНИЮ СПЛАВ
HEAT-RESISTANT ALLOY SUITABLE FOR WELDING AND RESISTANT TO OXIDATION

Область применения
Изобретение относится к коррозионно-устойчивым сплавам на основе никеля, содержащим хром, алюминий и железо.
Предпосылки создания изобретения
Существует много коррозионно-устойчивых сплавов на основе никеля, содержащих хром и другие элементы, выбранные для того, чтобы обеспечить коррозионную устойчивость, особенно в коррозионной среде. Эти сплавы также содержат элементы, выбранные для того, чтобы обеспечить желаемые механические свойства, такие, как прочность на растяжение и пластичность. Многие из этих сплавов хорошо себя проявляют в некоторых средах и плохо в других коррозионных условиях. Некоторые сплавы, которые обладают отличной коррозионной устойчивостью, являются труднодсформируемыми и трудносвариваемыми. Поэтому, в области металлургии непрерывно совершенствуются сплавы, которые сочетают коррозионную устойчивость и способность поддаваться обработке, обеспечивая сплавам легкость формовки в емкости, трубы и другие формы, которые имеют длительный срок службы.
Патент Великобритании No. 1,512,984 предоставляет информацию о сплаве на основе никеля с номинальным содержанием 8-25% хрома, 2.5-8% алюминия и до 0.04% иттрия, который получают с помощью электрошлакового переплава электрода, который должен содержать более 0.02% иттрия. Американский патент No. 4,671,931 рекомендует применять от 4 до 6 процентов алюминия в никель-хром-алюминиевом сплаве для достижения исключительной стойкости к окислению путем образования обогащенной оксидом алюминия защитной окалины. Стойкость к окислению также увеличена путем добавления в сплав иттрия. Содержание железа ограничено до 8% максимум. Высокое содержание алюминия приводит к выделению осадков первичной гамма-фазы Ni3Al, которые обеспечивают высокую прочность при высокой температуре, особенно около 1400°F. Американский патент No. 4,460,542 описывает безиттриевый сплав на основе никеля, содержащий 14-18% хрома, 1.5-8% железа, 0.005-0.2% циркония, 4.1-6% алюминия и очень маленькое количество иттрия, не превышающее 0.04%, который обладает отличной стойкостью к окислению. Сплав в рамках этого патента был переведен на промышленную основу в качестве сплава HAYNES 214. Этот сплав содержит 14-18% хрома, 4.5% алюминия, 3% железа, 0.04% углерода, 0.03% циркония, 0.01% иттрия, 0.004% бора и никель - остальное.
Yoshitaka et al. в патенте Японии No. 06271993 описывает сплав на основе железа, содержащий 20-60% никеля, 15-35% хрома и 2.5-6.0% алюминия, который требует менее, чем 0.15% кремния и менее чем 0.2% титана.
Европейский патент No. 549 286 предоставляет информацию о никель-железо-хромовом сплаве, в котором должно быть 0.045-0.3% иттрия. Требуемые высокие уровни содержания иттрия не только увеличивают стоимость сплава, но также могут сделать сплав непригодным для производства труднодеформируемого сплава из-за образования никель-иттриевых соединений, которые вызывают растрескивание в процессе горячей обработки.
Патент США No. 5,660,938 предоставляет информацию о сплаве на основе железа с содержанием никеля 30-49%, хрома 13-18% хрома, 1.6-3.0% алюминия и 1.5-8% одного или более элементов Групп IVa и Va. Этот сплав содержит недостаточное количество алюминия и хрома для того, чтобы обеспечить образование защитной пленки оксида алюминия в условиях высокотемпературного окисления. Кроме того, элементы Групп IVa и Va могут способствовать образованию первичной гамма-формы, которая понижает пластичность при высокой температуре. Такие элементы, как цирконий, могут также вызывать образование серьезных горячих трещин в сварных швах во время затвердевания.
Патент США No. 5,980,821 предоставляет информацию о сплаве, который содержит только 8-11% железа и 1.8-2.4% алюминия и требует 0.01-0.15% иттрия и 0.01-0.20% циркония.
Сплавы, перечисленные в вышеуказанных патентах, имеют проблемы, связанные со сваркой и формовкой, вызванные в значительной степени присутствием алюминия, особенно, если его содержание в сплаве составляет от 4 до 6%. В этих сплавах выделение осадков первичной гамма формы Ni3Al может происходить быстро во время охлаждения в заключительной операции отжига, что приводит к относительно высокому пределу текучести при комнатной температуре и соответствующей низкой пластичности даже в отожженном состоянии. Это делает сгибание и формовку более трудными по сравнению с твердым раствором упрочненного сплава на основе никеля. Высокое содержание алюминия также вносит проблемы, связанные с растрескиванием в результате деформационного старения во время сварки и последующей закалки. Эти сплавы также склонны к образованию усадочных трещин во время сварки и, в действительности, для сварки промышленного сплава, известного как сплав HAYNES 214, требуется химически модифицированный присадочный металл. Эти проблемы препятствуют развитию сварных трубных изделий и ограничивают рост рынка этого сплава.
Сущность изобретения
Сплав настоящего изобретения решает эти проблемы путем снижения отрицательного воздействия первичной гамма формы на высокотемпературную пластичность с помощью значительных добавок железа в диапазоне 25-32% и снижения уровней содержания алюминий+титан до диапазона 3.4-4.2%. Кроме того, добавки иттрия не требуются и могут быть заменены добавками мишметалла.
Недостатки известных сплавов Ni-Cr-Al-Y были устранены путем изменения состава с помощью замены никеля более высоким уровнем содержания железа. К тому же, был снижен уровень содержания алюминия, предпочтительно, примерно до 3% с текущего уровня 4.5%, являющегося обычным уровнем содержания для 214 сплава. Это снижение уменьшает объем фракции первичной гамма-формы, которая может выделяться в сплаве и улучшает устойчивость сплава к растрескиванию в результате деформационного старения. Это позволяет улучшить технологичность производства трубных изделий, а также обработку сварных швов для конечного потребителя. Также был увеличен уровень содержания хрома в сплаве, примерно до 18-25%, для обеспечения достаточной стойкости к окислению при пониженном уровне содержания алюминия. Незначительные количества кремния и марганца также были добавлены для улучшения стойкости к окислению.
Предлагается сплав на основе никеля, который содержит компоненты в следующем соотношении, масс.%: 25-30 железа, 18-25 хрома, 3.0-4.5 алюминия, 0.2-0.6 титана, 0.2-0.4 кремния и 0.2-0.5 марганца. Сплав может также содержать иттрий, церий и лантан в количествах до 0.01%. Углерод может присутствовать в количестве до 0.25%. Бор может содержаться в сплаве в количестве до 0.04%, цирконий может присутствовать в количестве до 0.02%. Остальное составляют никель и примеси. К тому же, общее содержание алюминия и титана должно быть между 3.4% и 4.2% и отношение хрома к алюминию должно быть, примерно, от 4.5 до 8.
Предлагается предпочтительная композиция сплава, состоящая из 26.8-31.8% - железа, 18.9-24.3% хрома, 3.1-3.9% алюминия, 0.3-0.4% титана, 0.2-0.35% кремния, 0.2%-0.4% марганца, до 0.005% каждого из иттрия, церия и лантана, до 0.06% углерода, менее 0.002% бора, менее 0.001% циркония, никель и примеси - остальное.
Предпочтительно также, чтобы общее содержание алюминия и титана было между 3.4% и 4.3%, и отношение хрома к алюминию было от 5.0 до 7.0.
Наиболее предпочтительная композиция содержит 27.5% железа, 20% хрома, 3.75% алюминия, 0.25% титана, 0.05% углерода, 0.3% кремния, 0.3% марганца, следы циркония и лантана, никель и примеси - остальное.
Другие предпочтительные композиции и преимущества данного сплава будут видны из описания предпочтительных вариантов изобретения и данных испытаний, которые приведены далее.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 является графиком, показывающим относительное удлинение при растяжении при 1400°F в зависимости от содержания Al+Ti.
Фигура 2 является графиком, показывающим относительного удлинения при растяжении при 1400°F в зависимости от отношения Cr/Al.
Фигура 3 является графиком, показывающим среднее количество подвергшегося воздействию металла в зависимости от отношения Cr/Al. в статических условиях испытания при 1800°F.
Фигура 4 является графиком, показывающим влияние содержания кремния на относительное удлинение при растяжении при 1400°F.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Пять плавок весом по 50 фунтов были расплавлены в индукционно-вакуумной печи (VIM), переплавлены методом электрошлакового переплава (ESR), подвергнуты процессу ковки и горячей прокатки при 2150°F в лист толщиной до 0.188'', холодной прокатке до листа толщиной до 0.063, и отожжены при 2000°F.
Пять сплавов имели химический состав, показанный в Таблице I:
Таблица I
Композиция, масс.%
Плавка А
Плавка В
Плавка С
Плавка D
Плавка Е
Ni
52.39
61.44
55.84
60.07
50.00
Fe
24.63
14.00
20.04
15.19
25.05
Al
3.0
3.28
3.49
4.06
3.86
Cr
19.50
19.67
19.72
19.86
19.51
С
0.047
0.049
0.046
0.05
0.051
B
0.004
0.004
0.003
0.005
0.004
Zr
0.02
0.05
0.05
0.02
0.02
Mn
0.23
0.23
0.23
0.23
0.24
Si
0.009
0.003
0.015
0.010
0.028
Y
0.001
0.008
0.005
0.007
0.006
Оценка образов этих сплавов и коммерческой плавки 214 сплава производилась испытанием на статическое окисление при 1800°F и испытанием на растяжение регулируемой скоростью нагрева (CHRT) для измерения механических свойств. Испытание регулируемой скоростью нагрева послужило инструментом для определения склонности сплава к растрескиванию в результате деформационного старения. Оказалось, что сплавы, которые имеют очень низкий процент относительного удлинения при минимальной усредненной пластичности, более склонны к растрескиванию в результате деформационного старения.
Результаты испытаний представлены в Таблицах II и III. Результаты испытания сплавов от А до Е приводят к заключению, что сплав Е является лучшим примером сплава, который обладает свойствами, близкими к желаемым. Например, он имеет: 1) стойкость к окислению при 1800°F, которая идентична 214 сплаву, и 2) CHRT пластичность при 1400°F, которая в шесть раз превышает 214 сплав. Единственным важным недостатком был предел текучести при 1400°F (как измерено в CHRT испытании). Он был значительно ниже, чем для 214 сплава (44.2 ksi vs. 71,9 ksi).
Таблица II
Результаты испытания на окисление при 1800°F в потоке воздуха (1008 часов).
Плавка А
Плавка В
Плавка С
Плавка D
Плавка Е
214 сплав, контрольный образец
Потеря металла (миль/поверхность)
0.06
0.07
0.05
0.05
0.04
0.04
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль
0.16
0.45
0.33
0.35
0.15
0.19
Среднее воздействие на металл, миль
0.22
0.52
0.38
0.4
0.19
0.23
Таблица III
Результаты испытания на растяжения Регулирующим Скорость Нагрева Испытанием (CHRT) при 1400°F
Плавка А
Плавка В
Плавка С
Плавка D
Плавка Е
214 сплав
0.2% предела текучести (YS), ksi
32.2
48.5
47.2
53.2
44.2
71.9
Макс.предел прочности на разрыв (UTS), ksi
32.9
55.5
51.3
61.4
48.9
87.1
Относительное удлинение, %
104
35
40
23.5
49.3
7.2
Были расплавлены дополнительно три плавки и обработаны в лист для развития способов улучшения предела текучести при 1400°F с помощью добавления небольшого количества элементов Группы Vb для уменьшения размера зерна. Экспериментальные плавки были обработаны до толщины листа 0.125'', который был отожжен при 2050°F для получения более тонкого размера зерна, чем плавки Примера 1. Три сплава номинальных композиций показаны в Таблице IV.
Таблица IV
Композиция экспериментальных плавок, масс.%
Элемент
Плавка F
Плавка G
Плавка H
Ni
45.86
45.68
45.6
Fe
29.61
30.32
29.87
Al
3.66
3.69
3.91
Cr
19.73
19.53
19.81
С
0.056
0.059
0.054
В
0.004
0.004
0.004
Zr
0.02
0.02
0.02
Mn
0.20
0.20
0.19
Si
0.27
0.27
0.27
Y
<0.005
<0.005
<0.005
Ti
-
0.26
-
V
-
-
0.20
Сплав F не имеет измельчающих добавок, сплав G содержит припой AIM на основе титана 0.3% и сплав Н содержит добавку ванадия (0.3% AIM). Легирующая добавка кремния также вводилась в эти сплавы. Сплавы были испытаны таким же способом, как и сплавы А-Е, за исключением стандартных испытаний на растяжение при 1400°F, которые проводились вместо многократных испытаний CHRT. Результаты показаны в Таблице V и VI.
Таблица V
Результаты испытания на окисление в потоке воздуха при 1800°F (1008 часов)
Сплав F
Сплав G
Сплав Н
214 сплав
Потеря металла, миль/поверхность
0.10
0.05
0.08
0.04
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль
0.66
0.38
0.58
0.39
Среднее воздействие на металл, миль
0.75
0.43
0.63
0.43
Таблица VI
Результаты испытания на растяжение
Плавка F
Плавка G
Плавка Н
214 сплав
0.2% предела текучести(YS), ksi
45.9
57.8
50.1
80
Макс. предел прочности на разрыв (UTS), ksi
57.4
70.9
59.8
102
Относительное удлинение, %
60.3
30.8
49.0
17
Результаты испытания сплавов показали более высокое окисление для сплава Е при 1800°F и более высокий предел текучести для сплава G при 1400°F по сравнению со сплавом Е. Ни одна из этих композиций сплавов не обладала всеми желаемыми свойствами.
Другие серии экспериментальных композиций с базовым химическим составом в промежутке между сплавом Е и сплавом G были расплавлены и переработаны в лист таким же способом, как и в предыдущих примерах. Основной целевой композицией был сплав, состоящий из Ni-27.5 Fe-19.5 Cr-3.8 Al. Легирующие добавки иттрия, которые обычно добавлялись к сплаву, состав которого описан в Американском патенте No. 4,671,931, для повышения стойкости к окислению, не вводились. Все экспериментальные плавки в этой группе, тем не менее, имели постоянную добавку мишметалла для введения следовых количеств редкоземельных элементов (главным образом церия и лантана). Титан добавлялся в маленьких количествах к сплаву G, что являлось одним из возможных способов повышения предела текучести при 1400°F. Для трех сплавов из четырех, в примере 3, содержание титана было увеличено примерно от 0.25% до 0.45%. Уровень кремния также колебался. Две плавки не имели легирующих добавок кремния, в то время как другие плавки содержали легирующие добавки кремния около 0.3%. Композиции экспериментальных плавок представлены в Таблице VII. Результаты оценки представлены в Таблицах VIII, IX и X.
Таблица VII
Композиции экспериментальных плавок, масс.%
Элемент
Плавка I
Плавка J
Плавка К
Плавка L
Ni
49.02
49.11
48.34
49.05
Fe
27.73
27.38
27.52
27.28
Al
3.80
3.99
3.87
4.00
Cr
19.22
19.31
19.42
19.00
С
0.05
0.048
0.051
0.051
В
<0.002
<0.002
<0.002
0.004
Zr
<0.01
<0.01
<0.01
0.02
Mn
0.2
0.21
0.18
0.2
Si
0.31
0.02
0.29
0.02
Ti
0.03
0.46
0.43
0.41
Y
<0.005
<0.005
<0.005
<0.005
Ce
0.006
<0.005
<0.005
<0.005
La
<0.005
<0.005
<0.005
<0.005
Таблица VIII
Результаты испытания на окисление при 1800°F в потоке воздуха (1008 часов)
Плавка I
Плавка J
Плавка К
Плавка L
214 контрольный сплав
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль
0.29
0.06
0.11
0.51
0.39
Среднее воздействие на металл, миль
0.29
0.09
0.14
0.54
0.43
Таблица IX
Результаты испытания на растяжение
Плавка I
Плавка J
Плавка К
Плавка L
214 сплав
0.2% предела текучести (YS), ksi
43.8
59.0
59.9
61.8
80
Макс.предел прочности на разрыв (UTS), ksi
56.4
69.2
71.0
72.0
102
Относительное удлинение, %
38.8
8.4
16.4
15.9
17
Данные результатов испытания на растяжение при 1400°F показывают значительный эффект. Пластичность упала с 38% для сплава I (3.8% Al и отсутствие титана) до уровня 8-16% для других трех сплавов (J, К и L), содержащих примерно от 3.9 до 4.0% Al и 0.45% титана. Это указывает на то, что Ni-Fe-Cr-Al сплав настоящего изобретения был чувствительным к общему содержанию алюминия и титана (элементам, образующим первичную гамма-фазу). Низкие значения пластичности в диапазоне 1400°F служат признаком выделения первичной гамма-фазы.
Результаты испытания на окисление при 1800°F были обнадеживающими. Средние результаты воздействия на металл показывают, что стойкость к окислению была в целом лучше, чем сплава G. Сплав J, например, имел очень ограниченное внутреннее окисление и имел лучшие при 1800°F окислительные характеристики (0.09 миль) из всех испытанных экспериментальных сплавов.
Образцы экспериментальных плавок были также испытаны на окисление в потоке воздуха. Это испытание, в котором образцы помещаются во вращающуюся карусель, которая подвергается воздействию газообразных продуктов горения со скоростью 0.3 маха. Каждые 30 минут карусель выводилась из зоны горения и охлаждалась воздухом, нагнетаемым при температуре менее чем 300°F. Карусель затем возвращалась обратно в зону горения на следующие 30 минут. Испытание длилось около 1000 часов или 2000 циклов. В заключение испытания, образцы оценивались на потери металла и внутреннее окисление с помощью металлографических методов. Результаты представлены в Таблице X. Неожиданно, в условиях динамического испытания, сплав J начал работать плохо, и фактически был снят с испытания после завершения 889 часов. Испытываемые образцы показали признаки повреждения оксидной пленки, как и образцы сплава L. Одним из изменений при воспроизведении экспериментальных составов сплавов от I до L являлось добавление кремния (0.3%). Сплавы J и L были расплавлены без введения легирующих добавок кремния, хотя сплавы I и К их имели. Далее выяснилось, что существует положительное воздействие добавок кремния на динамическую стойкость к окислению. В статическом окислении все результаты были менее, чем 0.6 миль, и испытание мало отличалось от испытания в динамических условиях. Более того, результаты для сплавов I и К показали меньшие средние значения воздействия на металл, чем в случае контрольного образца 214 сплава при том же режиме эксперимента. Только сплав К соответствовал всем свойствам, которые необходимо было достичь.
Таблица X
Результаты динамического испытания окисления при 1800°F/1000 часов
Плавка I
Плавка J
Плавка К
Плавка L
214 контрольный сплав
Потеря металла, миль/сторона
1.0
2.3
0.9
1.4
1.3
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль
0.7
5.2
0.0
2.0
1.1
Среднее воздействие на металл, миль
1.7
7.5<sup>(1)</sup>
0.9
3.4
2.4
(1) широкий разброс наблюдался в дублирующих образцах (например, 11.1 и 3.9 миль), оба образца начали повреждаться и были сняты после 889 часов.
Серии шести экспериментальных сплавов были расплавлены и переработаны для анализа эффекта роста уровней хрома при одновременном снижении уровней алюминия и при сохранении постоянным уровня железа. Седьмая плавка была расплавлена для анализа высоких уровней железа и хрома. Эти композиции сплавов подверглись холодной прокатке в листы и отжигу при 2075°F 715 минут/закалка в воде. Целевые композиции показаны в Таблице XI. Результаты оценок показаны в Таблицах XII и XIII. Предел текучести имел тенденцию к росту с Al+Ti, что явилось неожиданностью. Должно быть видно, что оптимальный сплав будет требовать более, чем около 3.8% Al+Ti для достижения 1400°F уровней прочности более чем 50 Ksi, но в целом, минимальное значение 3.4 является приемлемым, как доказывают характеристики сплава Р. Все сплавы О, Р и S обладают свойствами, которые необходимо достичь.
Таблица XI
Композиции экспериментальных сплавов, масс.%
Элемент, масс.%
Плавка М
Плавка N
Плавка О
Плавка Р
Плавка Q
Плавка R
Плавка S
Ni
51.07
49.61
47.18
47.13
45.58
44.08
39.32
Cr
15.98
18.04
20.2
21.86
23.94
25.9
24.26
Fe
26.78
26.92
27.55
26.86
26.95
26.86
31.8
Al
4.73
4.27
3.87
3.12
2.45
2.06
3.53
Ti
0.36
0.34
0.35
0.34
0.32
0.32
0.32
Mn
0.26
0.25
0.26
<0.01
0.27
0.26
0.26
Si
0.32
0.28
0.32
0.33
0.33
0.31
0.27
С
0.054
0.06
0.06
0.06
0.06
0.05
0.05
Y
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
<0.002
Ce
<0.005
<0.006
<0.005
<0.005
<0.005
<0.008
<0.008
Al+Ti
5.09
4.61
4.22
3.46
2.77
2.38
3.85
Cr/Al
3.4
4.2
5.2
7.0
9.8
12.6
6.9
Таблица XII
Результаты испытания на растяжение при 1400°F
Плавка М
Плавка N
Плавка О
Плавка Р
Плавка Q
Плавка R
Плавка S
0.2% предела текучести (YS), ksi
66.1
63.0
58.2
52.3
47.0
43.4
54.9
Макс.предел прочности на разрыв (UTS), ksi
78.9
73.4
69.8
62.7
56.5
52.7
64.6
Относительное удлинение, %
0**
4.4
26.6
23.8
37.9
50.0
38.8
** оба образца разрушились в контрольной метке, установленные средние контрольные значения длины 3.7%
Данные по пластичности при растяжении при 1400°F для шести экспериментальных сплавов (увеличение хрома при снижении алюминия) при постоянном уровне железа показано на Фигуре 1 в зависимости от объединенного содержания алюминия и титана. Относительное удлинение при растяжении при 1400°F имеет тенденцию к уменьшению при увеличении Al+Ti с резким падением пластичности при превышении Al+Ti около 4.2%. Поэтому для лучшего баланса свойств при повышенных температурах (например, прочность и хорошая пластичность) установлен критический верхний предел 4.2% Al+Ti. Из сплава S можно сделать заключение, что оптимальный сплав должен содержать более 3.8% Al+Ti для достижения соответствующего предела текучести при 1400°F, но менее чем 4.2% Al+Ti для сохранения соответствующей пластичности. График пластичности при растяжении при 1400°F в зависимости от отношения Cr/Al для экспериментальных сплавов Таблицы XI показан на Фигуре 2, иллюстрируя влияние роста отношения Cr/Al. Хорошая пластичность отмечена при отношении Cr/Al более 4.5. Это отношение может применяться к сплаву S, даже если он имеет более высокий уровень железа.
Результаты статического испытания на окисление 1400°F показаны в Таблице XIII и графике на Фигуре 3 как функции отношения Cr/Al при постоянном уровне железа. Значения, полученные для сплава N, были непостоянными и, следовательно, не включены в таблицу. Значительное влияние отношения Cr/Al видно из фигуры. Наилучшая стойкость к окислению была получена, когда отношение было примерно от 4.5 до 8. Стойкость к окислению сплава S была не такой хорошей, как плавок со значениями Cr/Al внутри этого диапазона, возможно, по причине более высокого содержания железа. Однако он имеет стойкость к окислению такую же хорошую, как 214 сплав, показанный в Таблице V.
Таблица XIII
Результаты 1800°F статического испытания на окисление.
Плавка М
Плавка О
Плавка Р
Плавка Q
Плавка R
Плавка S
Потеря металла, миль/сторона
0.04
0.03
0.06
0.05
0.08
0.03
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль
0.15
0.14
0.11
0.26
0.49
0.36
Среднее воздействие на металл, миль
0.26
0.17
0.17
0.31
0.57
0.39
Был получен один дополнительный сплав (Плавка Т). Он имел композицию, близкую к Плавке J в Таблице VII, сплаву, близкому к предпочтительному варианту этого изобретения, но содержание Al+Ti было ниже, и отношение Cr/Al было немного выше. К сплаву Т было добавлено небольшое количество кремния, тогда как к сплаву J кремний не добавлялся. Полученная композиция показана в Таблице XIV. Образцы холоднокатаного листа Плавки Т были подвергнуты воздействию 2100°F/15 минут отжига/RAC. Дублирующие испытания на растяжение были проведены при комнатной температуре и при повышении температуры от 1000 до 1800°F с интервалом в 200 градусов. Результаты представлены в Таблице XV. Было обнаружено, что начиная от 1000°F, предел текучести увеличивается до максимального значения при 1400°F (57 Ksi) и затем резко падает. Относительная пластичность наблюдалась при 1200°F - 1400°F при минимальном пластическом удлинении 12% при 1400°F. Удлинение в 12% было выше, чем у Плавки J (8.4%). Сплав Т обладал всеми необходимыми свойствами.
Таблица XIV
Композиция для сплава Т, масс.
Элемент
Плавка Е
Ni
48.78
Cr
18.94
Fe
27.3
Al
3.82
Ti
0.32
Al+Ti
4.14
Si
0.21
Mn
0.21
С
0.06
Y
<0.002
Се
<0.005
La
<0.005
Таблица XV
Результаты испытания на растяжение для сплава Т
Температура испытания, (°F)
0.2% предела текучести (YS), ksi
Макс. предел прочности на разрыв (UTS), ksi
Относительное удлинение, %
Комнатная температура
42.6
100.9
51.1
1000
38.5
89.3
64.8
1200
52.0
76.0
18.2
1400
56.9
66.5
12.0
1600
13.9
20.1
115.8
1800
6.6
9.7
118.7
Представляет интерес, почему несколько сплавов, близких к предпочтительным вариантам сплавов K, O, Р, S и Т, имели разную пластичность при 1400°F. Например, почему пластичность Плавки N настолько выше, чем для сплавов J и Т? После обращения к существующему химическому анализу каждой плавки было обнаружено, что добавки кремния были полезными для пластичности сплавов при 1400°F, содержащих Al+Ti в диапазоне от 3.8% до 4.2%. Ссылаясь на четыре экспериментальные плавки в Таблице VII, необходимо заметить, что сплав К был расплавлен как кремний содержащий дубликат для «не содержащего кремний» сплава J. Содержание кремния в сплаве К было 0.29% и его пластичность при 1400°F была 16.4%, равная двойному значению для сплава J, не содержащему кремний. Фигура 4 является графиком зависимости % относительного удлинения четырех сплавов при 1400°F, имеющих примерно такую же композицию, и это показывает влияние кремния на улучшение горячей пластичности при растяжении. Это ясно показывает, что содержание кремния должно быть примерно около 0.2% для хорошей пластичности при 1400°F, и, таким образом, хорошей устойчивости к растрескиванию при деформационном старении. Это наблюдение было совершенно неожиданным.
Предполагалось, что это высокое содержание кремния может привести к проблеме свариваемости, известной как образование горячих трещин, которая возникает в шве металла во время затвердевания. Для проверки этого, образцы экспериментальных Плавок J, К, N и Т, которые имели похожие композиции, за исключением содержаний кремния, были оценены с помощью проведения уменьшенной модели испытания Varestraint test. Образцы сплава Е, которые были испытаны, включены для иллюстрации негативного воздействия бора и циркония. Результаты обобщены в Таблице XVI.
Таблица XVI
Результаты уменьшенной модели испытания Varestraint test на свариваемость: (общая длина трещины при увеличении деформации на 1.6%). Значения, представленные в милях, являются средним значением двух испытаний
Плавка J
Плавка Т
Плавка К
Плавка N
Плавка Е
Ссылка 2 сплав
% Si
0.02
0.21
0.29
0.32
0.028
нет
B, Zr, %
-
-
-
-
0.004, 0.02
нет
Средняя общая длина трещины, миль
78
77
80
109
153
171
Данные показывают, что неблагоприятное воздействие добавок кремния отсутствовало до его содержания 0.29%. Когда содержание кремния было выше примерно 0.3%, склонность к образованию и росту горячих сварочных трещин увеличилась примерно на 40%. Однако, наблюдалось, что склонность сплава N к образованию и росту горячих сварочных трещин была по-прежнему ниже, чем 214 сплава. Результаты для сплава Е показывают, что присутствие бора и циркония оказывает отрицательное воздействие на склонность к образованию и росту горячих сварочных трещин. Эти элементы обычно добавляются к 214 сплаву. Если эти элементы убрать из сплава Е и добавить от 0.2 до 0.6 титана и от 0.2 до 0.4 кремния, в этом случае можно ожидать, что полученный сплав будет иметь хорошую устойчивость к образованию и росту горячих сварочных трещин и всеми свойствами, заявленными в этом изобретении. Этот модифицированный сплав Е будет содержать 25.05% железа, 3.86% алюминия, 19.51% хрома, 0.05% углерода, менее 0.025% циркония, 0.2-0.4% кремния, 0.2-0.6% титана, менее 0.005% каждого из иттрия, церия и лантана, никель и примеси остальное.
Таблица XVII
Сплавы, обладающие желаемыми свойствами
Модиф. сплав E
Плавка К
Плавка О
Плавка P
Плавка S
Плавка T
Ni
остальное
48.34
47.18
47.13
39.32
48.78
Fe
25.05
27.28
27.55
26.86
31.8
27.3
Al
3.86
3.87
3.87
3.12
3.53
3.82
Cr
19.51
19.42
20.2
21.86
24.26
18.94
С
0.05
0.051
0.06
0.06
0.05
0.06
В
<0.002
-
-
-
-
Zr
<0.025
<0.01
-
-
-
-
Mn
0.18
0.26
<0.01
0.26
0.21
Si
0.2-0.4
0.29
0.32
0.33
0.27
0.21
Ti
0.2-0.6
0.43
0.35
0.34
0.32
0.32
Y
<0.005
<0.005
<0.002
<0.002
<0.002
<0.005
Ce
<0.005
<0.005
<0.005
<0.005
0.008
<0.005
La
<0.005
<0.005
-
-
-
<0.005
Al+Ti
4.06-4.26
3.83
4.22
3.46
3.85
4.14
Cr/Al
5.0
5.0
5.2
7.0
6.8
5.0
-He измерялись
Таблица XVII содержит результаты испытания сплавов, обладающих желаемыми свойствами, и композиция каждого сплава приводится в сравнении с модифицированной Плавкой Е.
На основании этой Таблицы и фигур можно сделать вывод о том, что желаемые свойства могут быть получены в сплаве, содержащем 25-32% железа, 18-25% хрома, 3.0-4.5% алюминия, 0.2-0.6% титана, 0.2-0.4% кремния и 0.2-0.5% марганца. Сплав может также содержать иттрий, церий и лантан в количестве до 0.01% каждого. Углерод может присутствовать в количестве до 0.25%, но, как правило, будет присутствовать на уровне менее чем 0.10%. Бор может присутствовать в сплаве до 0.004% и цирконий до 0.025%. Марганец может присутствовать до 0.01%. Следовые количества ниобия могут присутствовать до 0.01%. Каждый из вольфрама и молибдена может присутствовать в количестве до 0.5%. До 0.2% в сплаве может присутствовать кобальт. Никель и примеси - остальное. К тому же, общее содержание алюминия и титана должно быть между 3.4% и 4.2% и отношение хрома к алюминию должно быть примерно от 4.5 до 8. Однако более желательные свойства будут обнаружены в сплавах, которые содержат 26.8-31.8% железа, 18.9-24.3% хрома, 3.1-3.9% алюминия, 0.3-0.4% титана, 0.25-0.35% кремния, до 0.35% марганца, до 0.005% каждого из иттрия, церия и лантана, до 0.06% углерода, менее 0.004% бора, менее 0.01% циркония, никель и примеси - остальное. Предпочтительно, чтобы общее количество алюминия и титана было от 3.4% до 4.2% и чтобы отношение хрома к алюминию было от 5.0 до 7.0.
Можно сделать заключение, что оптимальная композиция сплава для достижения желаемых свойств должна содержать 27.5% железа, 20% хрома, 3.75% алюминия, 0.25% титана, 0.05% углерода, 0.3% кремния, 0.25% марганца, до 0.015% следовые количества церия и лантана, никель и примеси - остальное.
Несмотря на то, что было дано описание определенных предпочтительных вариантов сплава, необходимо понимать, что этот сплав ими не ограничивается и может быть осуществлен разными способами в пределах приведенной ниже формулы изобретения.