Устойчивый к окислению никелевый сплав

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.

 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к оболочке термопар N-типа, подвергнутой воздействию окислительной атмосферы при очень высоких температурах, приблизительно 1100°C.

Такие жесткие эксплуатационные требования предъявляются, например, при измерении температуры в современных газовых турбинах. В частности, настоящее изобретение относится к сплаву никеля, стойкому к окислению с улучшенными свойствами ползучести.

ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Тип GT24/GT26 газовых турбин заявителя, которые известны из предшествующего уровня техники, работают на основе последовательного принципа сгорания. Это означает, что сжатый воздух нагревается в первой камере сгорания с помощью добавления около 50% от общего объема топлива (при базовой нагрузке). После этого продукты горения расширяются, проходя через первую турбину (одноступенчатая турбина высокого давления), где давление снижается примерно в два раза. Затем оставшееся топливо добавляется во вторую камеру сгорания, где продукты горения нагреваются второй раз до максимальной температуры на входе в турбину, и, наконец, расширяются в турбине низкого давления. Вторая камера сгорания предназначена для самовоспламенения, то есть температура выхлопных газов из первой турбины должна позволить возникнуть самовозгоранию в сочетании с топливом, инжектированным в упомянутую камеру. По этой причине необходимо вести мониторинг и измерять температуру потока горячего газа. Для этих целей заявитель использует термопары, снабженные оболочкой.

Известными сплавами для оболочки термопар являются, например, IN600, IN617 и так называемый HAYNES^®-214^®. Это - Y'-усиленный сплав Ni с 4,5% Al, с хорошей прочностью при растяжении и стойкостью к механическому разрушению, который показывает, к сожалению, неудовлетворительную работу в отношении стойкости к окислению и рассогласование по коэффициенту теплового расширения со сплавами термоэлектродов.

Другими коммерческими сплавами оболочки являются, например, Nicrobell^® и Pyrosil^®D, все они являются сплавами на основе Ni с различными дополнительными элементами в разных количествах, например, Si, Y, Mo. Они не показывают удовлетворительную стойкость к окислению в течение долгосрочных высокотемпературных применений.

Кроме того, хорошо известно использование Ni сплавов торговых марок Nisil (никель-кремний) и Nicrosil (никель-хром - кремний) в качестве электродов для термопары N-типа. Эти сплавы обладают улучшенной характеристикой окисления и показывают повышенную термоэлектрическую стабильность при температурных измерениях до 1200°C по сравнению с другими стандартными сплавами термопары на основе обычного металла, потому что их химический состав снижает термоэлектрическую неустойчивость. Это достигается путем повышения концентраций хрома и кремния в основном никеле, чтобы вызвать переход от внутреннего к внешнему режиму окисления, и путем выбора дополнительных элементов, например Mg, который окисляется с образованием диффузионного барьера и, следовательно, пленок, ингибирующих окисление. При этом использовании Nisil служит как отрицательный проводник термопары, а Nicrosil как положительный проводник термопары N-типа.

К сожалению, эти материалы показывают присущую им низкую сопротивляемость ползучести и обладают относительно низкой прочностью при растяжении и свойствами механического разрушения, которые требуют внимания при производстве и выборе совместимого материала оболочки.

Известный преждевременный отказ в работе электродов термопары N-типа особенно Nisil проводника был приписан несоответствию коэффициентов термического расширения между сплавами оболочки, такими как HAYNES®-214®, IN600 или ss316, и сплавами Nisil и Nicrosil электродов термопары. Токопроводящие электроды термопары могут выйти из строя механически из-за знакопеременных деформаций, возникающих при термоциклировании. Деформации вызваны, прежде всего, продольными натяжениями, которые возникают из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения термоэлементов и разнородных сплавов оболочки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков предшествующего уровня техники, которые были упомянуты.

В основу настоящего изобретения положена задача нахождения материала, подходящего для использования в качестве материала оболочки для электродов термопары N-типа, которые могут использоваться без каких-либо проблем в окислительной атмосфере газовых турбин при экстремально высоких температурах. При этих температурах материал оболочки должен обладать достаточной стойкостью к окислению и относительно хорошей стойкостью к механическому разрушению (хорошая долгосрочная надежность) и хорошей термоэлектрической стабильностью.

Согласно настоящему изобретению эта задача достигается с помощью никелевого сплава следующего химического состава, мас. %: 4-7 Cr, 4-5 Si, 0,1-0,2 Y, 0,1-2 Mg, 0,1-0,2 Hf, остальное Ni и неизбежные примеси.

Предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения представляется сплав следующего химического состава, мас. %: 6 Cr, 4,4 Si, 0,1 Y, 0,15 Mg, 0,1 Hf, остальное Ni и неизбежные примеси.

Сплав согласно настоящему изобретению показывает улучшенную стойкость к окислению при высоких температурах по сравнению с известными коммерческими материалами оболочки, такими как HAYNES^®-214^®, Nicrobell^® или Pyrosil^®D для электродов термопары N-типа, поэтому он может использоваться с преимуществом, как материал оболочки для термопар N-типа при очень высоких температурах в атмосфере окисления.

Здесь не существует значительного несоответствия в коэффициентах теплового расширения между представленным сплавом и электродами термопар N.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Примерные варианты осуществления настоящего изобретения иллюстрируются на чертежах, в которых:

на фиг.1 показаны результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре для сплава согласно настоящему изобретению и для разных коммерческих сплавов;

на фиг.2 показаны результаты испытаний ползучести при температуре 800°C/50 MПa для сплава согласно настоящему изобретению и для разных коммерческих сплавов; и

на фиг.3 показаны характеристики окисления при температуре 1100°C для сплава согласно настоящему изобретению и для разных коммерческих сплавов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение более подробно поясняется ниже на основании примерного варианта осуществления и графиков.

В таблице 1 приведен список соответствующих химических составов испытуемых сплавов. Легирующие компоненты приводятся в мас. %.

Сплав Nisil-M1 является сплавом согласно настоящему изобретению, в то время как другие 5 сплавов являются коммерчески доступными технологическими материалами. Это своего рода разновидность микролегированного Nisil с добавлением 0,1 Y, 0,1 Hf и значительным содержанием хрома (Cr6%). Большое преимущество Nisil-M1 состоит в том, что нет никакого изменения в поведении теплового расширения по сравнению с Nisil.

Образцы размером с кнопку для испытаний различных материалов с номинальным составом в соответствии с таблицей 1 (без HAYNES®-214^®) были приготовлены плавлением в дуговой печи. Химический состав Nisil-M1 был разработан так, чтобы одновременно обладать улучшенной стойкостью к окислению и коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения электродов термопары, сделанных из Nisil или Nicrosil. Приготовленные образцы размером с пуговицу были в значительной степени холоднокатаными при комнатной температуре со степенью деформации приблизительно 70%.

Холоднокатаные образцы были термически обработаны при температуре 800°C в течение 1 часа для того, чтобы достигнуть полностью рекристаллизованной структуры. Образцы для испытания мини-размеров были изготовлены путем машинной обработки заготовок, прошедших термическую обработку.

На фиг.1 показаны результаты испытаний на растяжение при комнатной температуре для этих сплавов, а также соответствующие свойства HAYNES^®-214^®, как описано в литературе (смотри HAYNES^®214^® ALLOY, HD-3008D, Haynes International, Inc. 2008).

Как ожидалось, HAYNES^®-214^® показал высокий предел прочности при растяжении по сравнению с другими сплавами, но сплав согласно настоящему изобретению Nisil-M1 показал улучшенную прочность при растяжении по сравнению с Nisil и Nicrosil. Это результат различного химического состава, а именно Cr и Hf. Оба элемента повышают предел ползучести и стойкость к окислению.

Результаты механического разрушения при температуре 800°C/50 MПa представлены на фиг.2. Сплав в соответствии с настоящим изобретением Nisil-M1 имеет высокое относительное удлинение (почти 45%) и намного лучший характер изменения механического разрушения, чем у Nisil, но ниже по сравнению с Nicrosil и оболочкой коммерческих сплавов Nicrobell^® или Pyrosil^®D.

Плоские образцы для испытаний упомянутых сплавов, включая HAYNES^®-214^®, были испытаны окислением на воздухе при температуре 1000°C в течение более чем 1500 часов. На фиг.3 представлены результаты окисления как привес массы на cм² этих сплавов.

Как можно видеть на этой фигуре, Nisil-m1 показывает улучшенную стойкость к окислению по сравнению с Nicrosil и оболочной коммерческих сплавов Nicrobell^® или Pyrosil^®D, но лишь незначительно хуже, чем Nisil и HAYNES^®- 214^®.

Термопары N-типа сплавов (Nisil и Nicrosil) обладают относительно низким пределом прочности при растяжении и механическом разрушении. Эти характеристики требуют внимания при производстве и выборе совместимого материала оболочки. Это поможет избежать механического нарушения электродов термопары из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения между электродами термопары и материалом оболочки. Хотя коммерческие материалы оболочки Nicrobell^® или Pyrosil^®D обладают близкими коэффициентами теплового расширения, что и у материалов электродов термопар (Nisil, Niscrosil), они не удовлетворяют требованиям относительно стойкости к окислению в течение длительного времени при высоких температурах применения. Это может быть достигнуто с помощью сплава согласно настоящему изобретению.

1. Стойкий к окислению сплав никеля, характеризующийся тем, что он имеет следующий химический состав, мас.%: 4-7 Cr, 4-5 Si, 0,1-0,2 Y, 0,1-0,2 Mg, 0,1-0,2 Hf, остальное Ni и неизбежные примеси.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание Cr составляет 5-6 мас. %.

3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что содержание Cr составляет 6 мас. %.

4. Сплав п.1, отличающийся тем, что содержание Si составляет 4,4 мас. %.

5. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание Y составляет 0,1 мас. %.

6. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание Mg составляет 0,15 мас. %.

7. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание Hf составляет 0,1 мас. %.

8. Сплав по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он предназначен для изготовления оболочки электродов термопары N-типа.