Жаропрочный сплав



 


Владельцы патента RU 2447172:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением, и может быть использовано при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности. Заявлен жаропрочный сплав, содержащий, 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. Сплав обладает повышенным уровнем сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности. Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из данного сплава позволяет в 1,5-2,0 раза повысить ресурс их работы. 3 табл., 1 пр.

 

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 8×10-3
2 2403 6 3×10-3
3 3780 8 4×10-4
4 3040 13 6×10-4
5 1840 38 9×10-3
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).

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, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и барий при следующем соотношении компонентов, 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 выполнении следующих условий:


суммарное содержание кальция и бария не превышает 0,31 мас.%.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным хромоникелевым сплавам с аустенитной структурой, и может быть использовано при изготовлении отливок для коллекторов и реакционных труб печей риформинга крупнотоннажных агрегатов аммиака и метанола с температурой эксплуатации до 1200°С и давлении до 50 атм.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным никелевым жаропрочным сплавам для изготовления деталей, например лопаток газотурбинных двигателей, работающих при температурах 1000°С и выше в условиях сложного комплексного нагружения, отливаемых методом направленной кристаллизации и имеющих направленную столбчатую или монокристальную структуру.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, подходящим для литья конструктивных элементов газовой турбины. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким сплавам на основе системы Fe-Cr-Ni, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к упрочненным гамма-штрих фазой суперсплавам на основе никеля, и может быть использовано в деталях газовых турбин.
Изобретение относится к сварке и может быть использовано для выполнения разнородных сварных соединений корпусных конструкций атомного и энергетического машиностроения из низколегированных сталей и заварки выборок при исправлении дефектов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным литейным сплавам на основе никеля, используемым для изготовления высоконагруженных деталей, а именно лопаток газовых турбин с направленной столбчатой и монокристаллической структурой, работающих при температурах 1000°С и выше.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин ГТД и ГТУ, преимущественно монокристаллических лопаток и других элементов горячего тракта турбины.

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству никелевых жаропрочных сплавов с поликристаллической равноосной структурой и изготовлению из них деталей газотурбинных двигателей, например сопловых и рабочих лопаток газовых турбин и роторов.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаропрочным сплавам на основе интерметаллида Ni 3Al, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, например, сопловых и рабочих лопаток, блоков сопловых лопаток, сегментов камеры сгорания, створок и других деталей газотурбинных двигателей авиационной промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к суперсплаву на никелевой основе с упрочняющей гамма-штрих-фазой, и может быть использовано в горячих компонентах, таких как лопатки турбин
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, таких как направляющие аппараты компрессоров и сопловые аппараты турбин из деформированных и литых жаропрочных никелевых сплавов

Изобретение относится к области металлурги, в частности к сплавам на основе никеля, и его применению
Изобретение относится к коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления цельнолитых и металлокерамических зубных коронок и мостовидных протезов

Изобретение относится к способу нанесения теплобарьерного покрытия на основе диоксида циркония на монокристаллический жаропрочный сплав на основе никеля, имеющего следующий состав, мас.%: 3,5-7,5 Сr, 0-1,5 Мо, 1,5-5,5 Re, 2,5-5,5 Ru, 3,5-8,5 W, 5-6,5 Al, 0-2,5 Ti, 4,5-9 Та, 0,08-0,12 Hf, 0,08-0,12 Si, остальное до 100% составляют Ni и неизбежные примеси
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для производства методом направленной кристаллизации деталей высокотемпературных газовых турбин ГТД и ГТУ, преимущественно монокристаллических рабочих, сопловых лопаток и других элементов горячего тракта турбины, длительно работающих при температурах, превышающих 1000°С
Изобретение относится к подходящему для обжига сплаву для получения облицованной керамикой реставрации зуба, например, для получения коронок, мостов, пломб и других зубных протезов, которые должны быть снабжены керамической поверхностью, а также к соответствующей облицованной реставрации зуба

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым в качестве материала для получения износо- и коррозионно-стойких покрытий на функционально- конструкционных элементах методом микроплазменного или сверхзвукового холодного газодинамического напыления

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим суперсплавам на основе никеля
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сплавов на основе интерметаллида Ni3 Аl и изделиям, получаемым из них методом направленной кристаллизации, с монокристаллической или столбчатой структурами, например лопаток газовых турбин, работающих при температурах до 1200°С
Наверх