Жаропрочный сплав на никелевой основе



Жаропрочный сплав на никелевой основе
Жаропрочный сплав на никелевой основе

 


Владельцы патента RU 2543587:

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, предназначенным для элементов, используемых в атомной энергетике, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, работающих при высоких температурах. Жаропрочный сплав на никелевой основе содержит, мас.%: углерод 0,02÷0,06, кремний 0,05÷0,30, марганец 1,3÷1,7, хром 18÷20, никель 53÷56, молибден 5,0÷7,0, вольфрам 2,0÷3,0, цирконий 0,05÷0,015, азот 0,01÷0,03, иттрий 0,01÷0,05, бор 0,001÷0,005, алюминий 0,05÷0,15, железо и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокими показателями длительной прочности при температурах 650-800°C, повышенной технологичностью при изготовлении крупногабаритных поковок и при сварке. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к металлургии жаропрочных и жаростойких сплавов, предназначенных для высокотемпературных элементов энергетического, нефтехимического и атомного оборудования.

Известно, что в указанной области для работы в области высоких температур применяются сплавы Incoloy 800, Inconel 617, Nicrofer 4722Co, Nicrofer 4626 MoW, 03Х21Н32М3Б, 03Х20Н45М4Б и др. [1-4]. Однако недостаточная длительная прочность и низкая технологичность не позволяют использовать их для изготовления оборудования. Сложности, возникающие при изготовлении крупных поковок и сварных конструкций, требуют создания сплава, имеющего высокую технологичность и высокую длительную прочность.

Наиболее близким к заявляемому сплаву по составу компонентов является сплав Nicrofer 4626MoW [3], содержащий, мас.%:

углерод 0,03÷0,06
кремний 0,8÷1,2
марганец 1,2÷2,0
хром 24÷26
никель 44,0÷47,0
молибден 2,5÷3,5
вольфрам 2,5÷3,5
кобальт 2,5÷3,5
железо и примеси остальное

Жаростойкий сплав на основе никель-хром-железо с добавками молибдена и вольфрама разработан для высокой температуры. Имеет отличное сопротивление окислению, науглероживанию. Может быть использован в качестве конструкционного материала для камер сгорания газовых турбин, для конструктивных элементов оборудования нефтехимического синтеза.

Однако данный сплав не удовлетворяет требованиям для высокотемпературных элементов атомного оборудования по уровню длительной прочности и технологичности при изготовлении крупных поковок и сварных конструкций.

Сплав склонен к горячему трещинообразованию при ковке и сварке.

Техническим результатом изобретения является повышение технологичности при ковке и сварке, а также повышение длительной прочности при длительной эксплуатации при температурах 650÷800°C.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам и железо, дополнительно содержит цирконий, азот, иттрий, бор, алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,02÷0,06
кремний 0,05÷0,30
марганец 1,3÷1,7
хром 18÷20
никель 53÷56
молибден 5,0÷7,0
вольфрам 2,0÷3,0
цирконий 0,05÷0,15
азот 0,01÷0,03
иттрий 0,01÷0,05
бор 0,001÷0,005
алюминий 0,05÷0,15
железо и примеси остальное

Кроме того, Mo+W не более 9% и не менее 7%, серы не более 0,015%, фосфора не более 0,015%, S+P≤0,025%

Из заявляемого сплава будут изготавливаться элементы оборудования, в котором большое количество сварных соединений. При выборе легирующих элементов и их количестве основное внимание уделялось свариваемости и технологичности производства поковок и сварных конструкций.

Была проведена количественная оценка влияния элементов на сопротивляемость сварных швов образованию горячих трещин. Критерием стойкости сварного соединения к образованию горячих трещин является показатель технологической прочности Акр, т.е. максимальная скорость принудительной деформации свариваемых образцов, при которой не происходит образование горячих трещин [4]. Чем она выше, тем технологичнее ведет себя сплав.

Кремний оказывает отрицательное влияние на Акр, понижая его [5, 6], и поэтому в заявляемой стали допускается не более 0,3 мас.%, в то время как в известной стали имеется 0,8÷1,2 мас.%.

Марганец оказывает положительное влияние на свариваемость, повышая Акр, поэтому в заявляемом составе марганец находится в пределах 1,3÷1,7 мас.%.

Совместное воздействие снижения содержания кремния и увеличение марганца в сплаве позволяет иметь высокие технологические характеристики при сварке заявленного состава.

Хром в интервале 18÷20 мас.% упрочняет твердый раствор, связывает углерод в мелкие карбиды. При большем содержании хрома во время эксплуатации оборудования при 650÷800°C в сплаве появляется сигма-фаза и происходит коагуляция карбидов Me23C6 на границах зерен, что резко снижает длительную прочность и приводит к охрупчиванию сплава. Поэтому в предлагаемой стали содержание хрома не превышает 20% (18÷20%), тогда как в прототипе он содержится в количестве 24÷26 мас.%.

Кобальт в прототипе содержит в своем составе 0,5÷2,5 мас.%. Сплав, используемый в реакторном оборудовании, не должен содержать кобальт, т.к. он является радиоактивным элементом с большим периодом полураспада и является нежелательным. Поэтому кобальт из состава заявляемой стали полностью выведен и вместо кобальта для увеличения стабильности аустенита сплава добавляется никель. Содержание никеля в заявляемом составе 53÷56 мас.%, в то время как в прототипе его содержание находится в пределах 44÷47 мас.%.

Молибден и вольфрам являются сильными упрочнителями твердого раствора (аустенита), т.к., имея большие радиусы атома, создают искажения кристаллической решетки, препятствующие продвижению дислокаций. Но при суммарном содержании молибдена и вольфрама более 10 мас.% образуются фаза Лавеса Fe2(MoW) и µ-фаза типа Ni7 (W, Mo, Co), которые ухудшают длительную прочность при высокотемпературной эксплуатации.

Известно [7, 8], что в никелевых сплавах для увеличения прочности и стабильности свойств необходимо соблюдать соотношение M o W = 2 2 , 5 1 . В этом случае выпадение фаз минимальное. Поэтому в заявляемую сталь были введены 5÷7 мас.% Mo и 2,3÷3,0 W вместо 2,5÷3,5 мас.% Mo и 2,5÷3,5 мас.% W, имеющихся в прототипе. Известно, что как Mo, так и W повышают Акр, улучшая свариваемость сплава [6].

Цирконий при температурах остывания слитка и ковки (1100÷1300°C) связывает углерод и азот в мелкие карбиды и карбонитриды, создавая центры кристаллизации и измельчая зерно. При эксплуатации карбонитриды циркония находятся в теле зерна, упрочняя его и повышая длительную прочность.

Алюминий вводится в сплав для улучшения раскисления, т.к. содержание другого раскислителя (Si) минимально.

Иттрий вводится в сплав для повышения высокотемпературных пластических свойств, т.к. он очищает границы зерен от примесей, вступая с ними в химические соединения. Известно [9], что введение 0,01÷0,05% иттрия в сплав Х20Н32М3Б повышает относительное удлинение на 10÷15% при температурах испытания 1000÷1250°. Технологичность при ковке слитков и поковок существенно повышается.

Бор вводится в сплав как модификатор и очиститель границ зерен, создавая с примесями тугоплавкие соединения.

Совместное действие иттрия, циркония и бора, очищающих границы зерен от легкоплавких примесей, таких как сера, фосфор, олово, мышьяк, сурьма повышает технологичность и длительную прочность сплава.

На Челябинском металлургическом комбинате были выплавлены 3 опытно-промышленные плавки весом 6 и 0,5 т из заявляемого сплава и прототипа (1 плавка). Химический состав приведен в таблице 1. Сплавы выплавлялись в вакуумно-индукционных печах и подвергались обработке давлением на промышленном прессовом оборудовании. После термической обработки (1100°C) были изготовлены образцы на кратковременное растяжение и длительную прочность, на горячее скручивание и технологическую прочность (Акр).

При разработке технологии изготовления труб из сплава необходимо проводить испытание на горячее скручивание при высоких температурах. Проведенные исследования (см. табл.2) показали, что число скручиваний заявляемого сплава при температурах 1050÷1250°C имеют более высокие значения по сравнению с известным сплавом, аналогичные результаты получены при растяжении образцов при температурах 1000 и 1100°C. Относительное сужение заявляемого сплава выше, чем известного. Оба фактора свидетельствуют о том, что заявляемый сплав гораздо технологичнее известного при высокотемпературной деформации.

Акр является показателем свариваемости материалов, характеризующим стойкость металла шва к образованию горячих трещин. Ранее были указаны элементы, снижающие и повышающие этот показатель.

Как показывает таблица 2, суммарное влияние всех элементов позволило увеличить Акр в заявляемом сплаве до 2,29÷3,49 мм/мин, тогда как в известном сплаве эта величина составляет 1,03 мм/мин.

Таким образом, сварные швы из заявляемого сплава более технологичны, и сплав может быть сварен без горячих трещин.

Испытания на длительную прочность при различных температурах (650÷850°C) проводились на 4-5 образцах каждой плавки, и результаты определения σдп за 104 час представлены в табл.3.

Известный сплав имеет предел длительной прочности ниже, чем σдп заявляемого сплава.

Это объясняется тем, что в заявляемом сплаве добавлено содержание молибдена, проведена очистка границ зерен с помощью таких элементов, как иттрий, цирконий, алюминий, бор, добавлен азот, создающий мелкие нитриды и карбонитриды, уменьшено содержание хрома и кремния.

Таблица 3
Длительная прочность сплавов
Сплав Условный № Длительная прочность на базе 104 час при температурах, °C
600 650 700 750 800 850
Заявляемый 1 195 170 90 64 45 28
2 196 180 96 65 47 31
3 200 176 100 67 48 30
Известный 4 150 130 80 60 42 26

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент РФ №2194788, кл. C22C 38/50, C22C 30/00, 2002.

2. «Fundamental Issues in the Development of Austenitic and Nickel Based Alloys for Advanced Supercritical Steam System». F. Starr and A. Shibli. International Symposium of Ultra-High Temperature Materials, Tajimi, Japan, 2000.

3. Справочник «Коррозионностойкие жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы».-М.: Интермет Инжиниринг. 2000. стр. 219.

4. В.М. Заболотский и др. «Исследование свариваемости высоконикелевых аустенитных сплавов типа 03Х20Н45М3Б. Вопросы судостроения. Сварка, 1982, вып.33, стр.62-65.

5. М.Х. Шоршоров и др. «Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов».-М.: Машиностроение, 1974, с.189-198.

6. Ю.В. Дынькова и др. «Влияние кремния, алюминия, ниобия, марганца на технологическую прочность стали марки 03Х21Н32М3Б». Вопросы судостроения. Сварка, 1979 г., вып.28, стр. 69-74.

7. Ю.М. Трапезников, А.С. Михайлов. Прогнозирование склонности жаропрочной стали к выделению охрупчивающих фаз. Вопросы судостроения. Металловедение, 1985, №43.

8. Ю.М. Трапезников, А.С. Михайлов. Выбор легирующего комплекса в целях разработки материала для длительной работы при температуре до 900°C. Технология судостроения, 1985, №12.

9. Ю.М. Трапезников, Б.И. Бережко, Г.Г. Зимин. Исследование влияния технологии изготовления трубной заготовки на свойства стали 03Х20Н32М3Б. Вопросы судостроения. Сер. Металлургия, вып.29, 1980.

1. Жаропрочный сплав на никелевой основе, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, вольфрам и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, азот, иттрий, бор, алюминий при следующем содержании компонентов, мас. %:

углерод 0,02÷0,06
кремний 0,05÷0,30
марганец 1,3÷1,7
хром 18÷20
никель 53÷56
молибден 5,0÷7,0
вольфрам 2,0÷3,0
цирконий 0,05÷0,15
азот 0,01÷0,03
иттрий 0,01÷0,05
бор 0,001÷0,005
алюминий 0,05÷0,15
железо и примеси остальное

при этом Mo+W не более 9 мас.% и не менее 7 мас.%.

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

сера не более 0,015
фосфор не более 0,015,

при этом суммарное содержание серы и фосфора не более 0,025 мас.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к дисперсионно-упрочненным жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано в качестве материала для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реакторов на быстрых нейтронах.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионно-стойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 700-900°C.

Изобретение относится к металлургии, к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионностойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок (ГТУ), работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-890°C.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Сплав, мас.%: хром - 4,0-6,0; кобальт - 8,0-11,0; молибден - 2,5-3,5; вольфрам - 6,0-8,0; алюминий - 5,4-6,2; углерод 0,05-0,16; бор - 0,008-0,04; цирконий - 0,01-0,05; титан - 0,5-2,5; церий - 0,002-0,02; иттрий - 0,001-0,01; лантан - 0,002-0,02; рений - 1,0-2,0; тантал - 4,0-6,0; никель - остальное.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным прецизионным сплавам на основе никеля для получения покрытий микроплазменным или холодным сверхзвуковым напылением.

Изобретение относится к жаропрочному сплаву на основе никеля. Сплав содержит, мас.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным сплавам на основе никеля для получения износостойких покрытий на металлические конструктивные элементы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным жаропрочным коррозионностойким сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах при температурах 800-1000°C.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля для изготовления механических компонентов турбомашин. Суперсплав на основе никеля для механических компонентов турбомашин содержит, мас.%: хром - от 3 до 7, вольфрам - от 3 до 15, тантал - от 4 до 6, алюминий - от 4 до 8, углерод менее 0,8, никель и примеси - остальное. Сплав характеризуется высокой механической, химической и термической стойкостью. Механические компоненты, изготовленные из заявленного сплава, могут эксплуатироваться при высоких температурах. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам для защитного покрытия конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления. Защитное покрытие для защиты конструктивного элемента газовой или паровой турбины от коррозии и/или окисления, в частности, при высоких температурах, выполненное в виде одиночного металлического слоя из сплава, содержащего, вес.%: 24-26 кобальта, 12-14 хрома, 10-12 алюминия, 0,2-0,5 по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий и редкоземельные элементы, никель - остальное. Покрытие не содержит тантала, рения, кремния. Покрытие характеризуется высокими показателями стойкости к высокотемпературной коррозии и окислению. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к стойким к окислению сплавам на основе никеля. Стойкий к окислению сплав никеля содержит, мас.%: 4-7 Cr, 4-5 Si, 0,1-0,2 Y, 0,1-0,2 Mg, 0,1-0,2 Hf, Ni и неизбежные примеси - остальное. Сплав может быть использован в качестве материала оболочки термопар N-типа, так как имеет улучшенные свойства ползучести при высоких температурах. 7 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов для сварочной проволоки и может быть использовано для сварки деталей из высоконикелевых сплавов высокотемпературных установок с температурой эксплуатации до 950оC. Сварочная проволока содержит, мас.%: углерод 0,01-0,05, кремний 0,05-0,2, марганец 1,3-2,0, хром 14,0-16,0, молибден 6,0-7,0, вольфрам 2,5-3,5, железо 17,0-20,0, азот 0,01-0,04, иттрий 0,01-0,1, цирконий 0,05-0,15, кальций 0,001-0,1, сера менее 0,010, фосфор менее 0,015, никель - остальное. Сварочная проволока характеризуется повышенными технологической прочностью и высокими кратковременными механическими свойствами и длительной прочностью при температурах до 950оC. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на никелевой основе, имеющим высокие значения горячей обрабатываемости, ударной вязкости и пластичности после долговременного использования. Жаропрочный сплав на Ni-основе состоит из, % по массе: С≤0,15, Si≤2, Mn≤3%, Р≤0,03, S≤0,01, Cr 15 или более и менее 28, Mo от 3 до 15, Со более 5 и не более 25, Al от 0,2 до 2, Ti от 0,2 до 3, Nd от f1 до 0,08 и О≤0,4Nd. При этом нижний предел содержания Nd определен следующим выражением f1=1,7×10-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)}, где d - средний размер зерна, мкм, и каждый символ элемента означает содержание в % по массе. Сплав характеризуется повышенной пластичностью после долговременной эксплуатации при высоких температурах, при этом может быть предотвращено SR-растрескивание. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Выпускной клапан (1) предназначен для использования в двигателе внутреннего сгорания. Выпускной клапан (1) содержит стержень (14) и клапанный диск (11) на нижнем конце стержня (14). Клапанный диск (11) на своей верхней поверхности имеет посадочную фаску (10). Клапанный диск (11) выполнен из основного материала, посадочная фаска состоит из материала посадочной фаски, который отличается от основного материала. Материал посадочной фаски представляет собой сплав на основе никеля. Сплав, с указанием состава в процентах по весу и без учета обычных примесей и неизбежных остаточных количеств компонентов раскислителей, включает по меньшей мере от 34,0 до 44,0% Cr, совокупное количество Nb и Та в диапазоне по меньшей мере от 2,8 до 6,1%, от 0,3 до 2,0% Ti, не более 0,2% Al, не более 0,04% В, не более 0,8% Fe, не более 0,04% С, не более 0,4% Si и остальное количество Ni, где количество Ti+Nb+0,5×Ta варьирует в диапазоне от 3,4 до 6,6%, при этом количество Nb+0,5×Ta составляет менее 3,0%, если количество Ti составляет свыше 1,5%. Раскрыт способ изготовления выпускного клапана. Технический результат заключается в улучшении механических свойств клапана в сочетании с повышением устойчивости к высокотемпературной коррозии. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 табл., 7 ил.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к припоям на основе никеля, которые могут использоваться при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин газотурбинных двигателей. Припой на основе никеля содержит, мас.%: хром 8,0-15,0; бор 2,0-3,5; алюминий 3,0-5,0; ниобий 3,0-5,0; кобальт 12,0-17,5; титан 1,5-3,7; никель - остальное. Припой может быть использован для пайки деформируемых и интерметаллидных никелевых жаропрочных сплавов с температурой пайки не выше 1220°C, при этом обеспечивается прочность паяных соединений на уровне 0,8 от прочности соединяемых материалов. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к прецизионным сплавам на основе системы никель-хром, работающих в широком диапазоне температур и предназначенных для реализации микрометаллургических процессов получения функциональных покрытий на основе порошковых материалов и литых микропроводов с высокой микротвердостью. Сплав системы никель-хром содержит, мас. %: Cr 12,0-18,0, Mn 7,0-10,5, Sn 2,0-3,0, Si 1,0-1,5, W 0,8-2,5, Re 0,9-1,8, Се 0,2-0,6, La 0,1-0,5, Y 0,3-0,7, Ni остальное. Сплав получен при введении марганца, кремния и олова в виде интерметаллидов Mn2Si и Mn2Sn, причем соотношение марганца и кремния в интерметаллиде Mn2Si составляет 5:1. Изобретение позволяет получать порошковые композиции, функциональные покрытия, микропровода с более высокой микротвердостью. 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления рабочих лопаток газотурбинных установок. Шихтовая заготовка содержит, мас.%: углерод 0,07-0,12, хром 12,9-13,5, кобальт 5,3-5,9, вольфрам 6,7-7,3, молибден 0,8-1,2, алюминий 3,2-3,5, титан 4,4-4,7, бор 0,010-0,015, медь ≤0,04, сера ≤0,005, фосфор ≤0,005, азот ≤15 ppm, кислород ≤15 ppm, кальций 0,00-0,02, магний 0,00-0,02, марганец 0,01-0,3, по меньшей мере два элемента, выбранные из группы: железо, кремний и барий, ≤0,2 каждого и по меньшей мере два элемента, выбранные из группы: иттрий, лантан, неодим, самарий, 0,005-0,05 каждого, никель - остальное. Обеспечивается повышение структурной однородности и длительной прочности лопаток с равноосной структурой, полученных литьем с использованием шихтовой заготовки, повышение сопротивления окислению и коррозионным воздействиям, повышение структурной стабильности на ресурс, повышение прочности и пластичности. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитному покрытию для защиты конструкционной детали от коррозии и/или окисления. Безрениевый сплав на основе никеля, обладающий стойкостью к коррозии и/или окислению, содержит, в вес.%: кобальт 24-26, хром 12-15, алюминий 10,5-11,5, по меньшей мере один элемент из скандия и/или редкоземельных элементов, в частности иттрий, 0,1-0,7, тантал 0,1-3, необязательно кремний 0,05-0,6, никель - остальное. Защитное покрытие выполнено из заявленного сплава. Конструкционная деталь, в частности, конструкционная деталь (120, 130, 155) газовой турбины (100), содержащая подложку (4) из сплава на основе никеля или на основе кобальта, защитное покрытие и керамический термобарьерный слой (10), причем упомянутый керамический термобарьерный слой (10) нанесен, в частности, на защитное покрытие (7). Защитное покрытие имеет высокую устойчивость к высокотемпературной коррозии и окислению, имеет долговременную стабильность. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх