Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомной, термоядерной и водородной энергетике при производстве оборудования, газовых емкостей и других элементов внутрикорпусных систем реакторных установок. Техническим результатом данного изобретения является создание новой высокотехнологичной водородостойкой стали с улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение работоспособности и эксплуатационной надежности реакторного оборудования термоядерной и водородной энергетики. Предложена сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,005-0,02, кремний 0,2-0,5, марганец 0,1-0,5, хром 17,0-19,0, никель 12,0-14,0, титан 0,08-0,3, алюминий 0,1-0,5, иттрий 0,05-0,1, кальций 0,001-0,005, азот 0,005-0,01, сера 0,005-0,015, фосфор 0,005-0,03, железо остальное, при этом: суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%; суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,025%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии конструкционных сталей и сплавов, содержащих в качестве основы железо с заданным соотношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в атомной, термоядерной и водородной энергетике при производстве оборудования, газовых емкостей и других элементов внутрикорпусных систем реакторных установок.

Известны металлические конструкционные материалы, применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, нержавеющие стали марок 08Х18Н10Т, ОЗХ16Н15МЗ, ОЗХ18Н12), а также другие аналоги, указанные в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные стали не обеспечивают требуемого уровня и стабильности основных физико-механических и служебных характеристик, что снижает работоспособность и эксплуатационную надежность внутрикорпусных элементов, трубопроводов и газовых емкостей технологических систем реакторного оборудования в условиях длительного взаимодействия с коррозионно-активными водородосодержащими рабочими средами.

Наиболее близкой к заявляемой композиции по назначению и составу компонентов является хромоникелевая сталь аустенитного класса марки ОЗХ18Н12 по ГОСТ 5632-72 [2], содержащая в своем составе легирующие элементы в следующем соотношении, мас.%:

углерод	≤0,03
кремний	≤0,04
марганец	≤0,04
хром	17,0-19,0
никель	11,5-13,0
титан	≤0,005
сера	≤0,020
фосфор	≤0,030
железо	остальное

Данную марку стали в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической документации рекомендуется использовать в различных отраслях промышленности и народного хозяйства в качестве конструкционного материала при производстве серийного оборудования общетехнического назначения. При этом известная сталь характеризуется весьма низкой водородостойкостью при температурах эксплуатации реакторного оборудования и повышенной чувствительностью металла сварных соединений к коррозионному и водородному растрескиванию под напряжением. Вместе с тем известной композиции свойственен широкий разброс и нестабильность основных физико-механических, технологических и служебных свойств, что не отвечает предъявляемым требованиям, определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность материала в условиях длительной эксплуатации внутрикорпусного оборудования при воздействии коррозионно-активных водородосодержащих сред. Согласно требованиям действующих государственных и отраслевых стандартов [1-3] содержание в сталях-аналогах ряда легирующих и примесных элементов, во многом определяющих требуемое структурное состояние металла и уровень его важнейших служебных характеристик, не контролируется и находится в весьма широких концентрационных пределах.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание высокотехнологичной стали, обладающей улучшенным комплексом основных физико-механических свойств, меньшей склонностью к водородному охрупчиванию и хрупкому разрушению, а также низким уровнем водородопроницаемости по сравнению с известными материалами, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы внутрикорпусного оборудования реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.

Технический результат достигается за счет того, что в состав известной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор и железо, дополнительно введены алюминий, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,005-0,02
кремний	0,2-0,5
марганец	0,1-0,5
хром	17,0-19,0
никель	12,0-14,0
титан	0,08-0,3
алюминий	0,1-0,5
иттрий	0,05-0,1
кальций	0,001-0,005
азот	0,005-0,01
сера	0,005-0,015
фосфор	0,005-0,03
железо	остальное

При этом введено ограничение суммарного содержания элементов, превышение которого отрицательно влияет на формирование наиболее оптимального структурного состояния и в значительной мере снижает заданный уровень основных прочностных и деформационных характеристик материала, в частности:

- суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%;

- суммарное содержание углерода и азота не должно превышать 0,025%;

- суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.

Соотношение указанных легирующих и примесных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала требуемый уровень и стабильность важнейших структурно-чувствительных характеристик материала, во многом определяющих высокую работоспособность и эксплуатационную надежность внутрикорпусных систем реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.

Введение в заявляемую сталь микролегирующих и модифицирующих добавок алюминия, иттрия и кальция, как элементов с высокими термодинамическими и особыми физико-химическими свойствами, в указанном соотношении с другими легирующими элементами, и в первую очередь, хромом, никелем и кремнием улучшает ее структурную стабильность при рабочих температурах и, как следствие, весь комплекс основных физико-механических и служебных свойств, положительно влияющих на снижение диффузионной подвижности атомов водорода в кристаллической решетке аустенитной стали, а также повышает работу зарождения и развития дислокационных и межзеренных хрупких трещин при коррозионном и водородном растрескивании в условиях статического и динамического нагружений. При этом, как показали наши исследования [4, 5], происходит более равномерное распределение легирующих элементов и неметаллических включений по всему сечению слитка, крупных поковок и слябов, металл эффективнее очищается от вредных примесей и газов, тоньше и чище становятся границы зерен, увеличивается прочность межкристаллитной связи, что в целом обеспечивает значительное снижение водородопроницаемости как основного металла, так и сварных соединений. Снижается склонность стали к структурной анизотропии и существенно улучшается ее технологичность на стадии металлургического передела, что повышает выход годного при промышленном производстве тонколистового и трубного проката, а также других полуфабрикатов для изготовления сложнопрофильных газовых емкостей и сосудов. Введение алюминия, иттрия и кальция в сочетании с другими элементами вне указанных в формуле изобретения пределов снижает эффективность их положительного влияния и не приводит к заметному улучшению этих структурно-чувствительных характеристик работоспособности материала в условиях одновременного воздействия растягивающих напряжений и коррозионной среды.

Модифицирование стали азотом в указанном соотношении с углеродом и титаном существенно улучшает структурную стабильность металла шва и ЗТВ, способствует формированию при соответствующей термообработке в достаточном количестве мелкодисперсных карбидных и нитридных фаз, термодинамически устойчивых при температурах технологических и сварочных нагревов, что обеспечивает снижение структурной неоднородности в металле и повышает энергию активации диффузионных процессов атомов водорода, т.е. уменьшает его термодинамическую активность в γ-железе. При этом обеспечение требуемого уровня водородопроницаемости и основных физико-механических характеристик стали в условиях длительного воздействия рабочих температур и коррозионно-активных водородосодержащих сред достигается за счет формирования устойчивой дислокационной структуры, определяющей оптимальную плотность активных плотностей скольжения под действием эксплуатационных нагрузок и отражающей важный вклад дислокационной неупругости в процессы внутреннего трения. Вместе с тем следует отметить, что введение азота в указанном соотношении с углеродом и титаном способствует образованию высокодисперсных карбонитридов титана и повышению отпускоустойчивости металла сварного шва и зоны термического влияния при сохранении необходимой коррозионно-механической прочности стали с высокой пластичностью и вязкостью.

Фрактографический анализ поверхности изломов образцов методом сканирования на растровом электронном микроскопе показал [4], что в заявляемой стали доля вязкой составляющей в зоне разрушения после наводороживания металла заметно возрастает по сравнению с известным составом. Увеличение суммарного содержания углерода и азота свыше указанного в формуле изобретения предела снижает дисперсность образующихся фаз внедрения и затрудняет равномерность их распределения по объему зерна, что ослабляет механизм закрепления дислокаций в процессе последующих технологических нагревов и отрицательно влияет на деформационную способность и водородопроницаемость металла в процессе длительной эксплуатации.

Полученный более высокий уровень физико-механических, сварочно-технологических и служебных характеристик стали обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям - сере и фосфору.

В ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с другими предприятиями отрасли в соответствии с планом проводимых научно-исследовательских работ и заданий Правительства [6-8] выполнен необходимый комплекс лабораторных, расчетных и опытно-промышленных работ по выплавке, пластической и термической обработкам создаваемой марки стали. Металл выплавлялся в вакуумной плазменно-дуговой печи емкостью 5 т с последующей обработкой давлением на промышленном кузнечно-прессовом и прокатном оборудовании с получением полуфабрикатов требуемого сортамента.

Химический состав исследованных материалов, а также результаты определения всего комплекса наиболее важных свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.

Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанной марки стали в промышленности и народном хозяйстве выразится в повышении работоспособности и эксплуатационных характеристик, а также экологической безопасности использования внутрикорпусных систем, тонкостенных трубопроводов и газовых емкостей реакторных установок термоядерной и водородной энергетики.

Таблица 1
Химический состав исследованных материалов
Состав	Условный № состава	Содержание элементов, масс.%
		С	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	Al	Y	Ca	N	S	P	Al+Si	C+N	S+P	Fe
Заявляемый	1	0,005	0,2	0,1	17,0	12,0	0,08	0,5	0,05	0,001	0,01	0,005	0,02	0,7	0,015	0,025	ост.
	2	0,01	0,4	0,3	18,0	13,0	0,2	0,1	0,08	0,003	0,008	0,010	0,03	0,5	0,018	0,04	ост.
	3	0,02	0,5	0,5	19,0	14,0	0,3	0,3	0,1	0,005	0,005	0,015	0,005	0,8	0,025	0,02	ост.
Известный	4	0,03	0,35	0,4	17,5	13,0	0,005	-	-	-	-	0,020	0,030	-	-	0,05	ост.

Таблица 2
Основные физико-механические, технологические и служебные свойства исследованных сталей
Состав	Условный №состава	Механические свойства при растяжении	Свойства стали после наводороживания	Водородопроницаемость Р, см3·мм/см2·сек·атм0,5	Выход годного при производстве тонколистового рулонного проката, %
		σв	σ0,2	δ	ψ	σв	δ	Предел усталости σ-1	логарифмический декремент колебаний
		МПа	%	МПа	%	МПа	%
Заявляемый	1	510	190	50	75	480	30	230	8	3·107	85
	2	530	200	45	75	490	25	235	6	2·107	85
	3	550	220	46	70	500	23	250	5	2·107	90
Известный	4	450	180	40	65	360	15	210	3	6·107	78
Примечание. 1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку. 2. Наводороживание образцов производилось в автоклавах при давлении водорода 10 атм, температуре 350°С и длительностью 500 час. 3. Усталостная прочность образцов определялась в условиях знакопеременного циклического нагружения на базе 5·107 циклов. 4. Измерение внутреннего трения, характеризующего структурное состояние металла, проводилось на установке Д-6М Института проблем прочности АН Украины. 5. Водородопроницаемость образцов исследуемых сталей определялась на газоанализирующей установке ВД-8, работающей на принципе объемно-метрического метода измерения стационарного потока водорода (Тисп.=350°С).

ЛИТЕРАТУРА

1. В.Н.Журавлев, О.И.Николаева "Машиностроительные стали" - справочник, изд-во "Машиностроение", Москва, 1989, с.254-257.

2. ГОСТ 5632-72 "Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные" (марки и технические требования), Москва, изд-во "Стандарт", 1977, с.13-20, 30-40 - прототип.

3. A.M.Паршин, И.А.Повышев и др. Современное состояние и перспективы развития коррозионностойких сталей с особыми физическими свойствами. - Материалы VII-й научно-технической конференции стран СНГ по проблеме "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов", Белгород, 1997, с.68-70.

4. В.В.Рыбин, И.А.Повышев "Физико-химические основы создания водородостойких сталей" - Материалы XVI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, т.2, Москва, 1998, с.461.

5. В.В.Васильев, Ю.И.Звездин, И.А.Повышев "Проникновение водорода сквозь аустенитные коррозионностойкие материалы". - Сборник научных трудов "Вопросы судостроения", сер. "Металловедение", №26, Ленинград, 1978, С.55-56.

6. Федеральная целевая научно-техническая программа "Разработка и исследование конструкционных материалов термоядерных реакторов (ИТЭР, экспериментальные модули ИТЭР, ДЕМО и др.), а также тритийвоспроизводящих материалов и тритиевой технологии ТЯР (1997-2006 гг.)".

7. Постановление Правительства РФ от 18 марта 1992 г. №178 "О соглашении между Европейским сообществом по атомной энергии, Правительством Российской Федерации, Правительством Соединенных Штатов Америки и Правительством Японии о сотрудничестве в разработке технического проекта Международного термоядерного экспериментального реактора".

8. Постановление Правительства РФ от 19 сентября 1996 г. №1119 об утверждении федеральной целевой научно-технической программы "Международный термоядерный реактор ИТЭР и научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в его поддержку на 1996-1998 гг.".

Коррозионно-стойкая сталь с низкой водородопроницаемостью для внутрикорпусных систем термоядерного реактора, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, серу, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, иттрий, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,005-0,02
Кремний	0,2-0,5
Марганец	0,1-0,5
Хром	17,0-19,0
Никель	12,0-14,0
Титан	0,08-0,3
Алюминий	0,1-0,5
Иттрий	0,05-0,1
Кальций	0,001-0,005
Азот	0,005-0,01
Сера	0,005-0,015
Фосфор	0,005-0,03
Железо	Остальное

при этом суммарное содержание алюминия и кремния не должно превышать 0,8%; суммарное содержание углерода, азота не должно превышать 0,025%; суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.