Жаропрочный сплав на никелевой основе

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля и может быть использовано для изготовления из этих сплавов высокотемпературных элементов энергетического оборудования. Заявлен жаропрочный сплав на никелевой основе. Сплав содержит, 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 соблюдаются следующие соотношения: Mo+W≤8-9 мас.%, Nb/(C+N)≥3. Технический результат - получение сплава с высоким уровнем длительной прочности на базе 100000 часов при температуре 650°С при сохранении высокого уровня технологичности. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

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 10⁵ 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.

Однако данный сплав не удовлетворяет требованиям для высокотемпературных элементов по уровню длительной прочности на временной базе 10⁵ 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.

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 Ni₇(W,Mo,Cr)₆, 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
			σВ, МПа	σ0,2, 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 105 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.

1. Жаропрочный сплав на никелевой основе, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам, цирконий, ниобий, азот, титан, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий при следующем содержании компонентов, 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 соблюдении следующих соотношений:
суммарное содержание молибдена и вольфрама не превышает 8-9 мас.%, отношение содержания ниобия к суммарному содержанию углерода и азота Nb/(C+N)≥3.

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

Сера	≤0,010
Фосфор	≤0,015
Сурьма	≤0,005
Олово	≤0,003
Мышьяк	≤0,005

3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что суммарное содержание примесей S+P+Sn+Sb+As не более 0,030 мас.%.