ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Российский патент 2011 года по МПК C22C19/05 

Описание патента на изобретение RU2425901C1

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.

Похожие патенты RU2425901C1

название год авторы номер документа
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2018
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Вадеев Виталий Евгеньевич
RU2674274C1
Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, изготовленное из него 2021
  • Шильников Евгений Владимирович
  • Кабанов Илья Викторович
  • Троянов Борис Владимирович
  • Муруев Станислав Владимирович
  • Степанов Владимир Викторович
RU2807233C2
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Лимонова Елена Николаевна
  • Чабина Елена Борисовна
  • Филонова Елена Владимировна
  • Хвацкий Константин Константинович
RU2571674C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ЖЕЛЕЗО-ХРОМ-НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ 2009
  • Карзов Георгий Павлович
  • Марков Вадим Георгиевич
  • Зимин Герман Георгиевич
  • Яковлев Виталий Аверкиевич
  • Артемьева Дарина Александровна
RU2439191C2
ГРАНУЛИРУЕМЫЙ ВЫСОКОЖАРОПРОЧНЫЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ И ИЗДЕЛИЕ, ИЗГОТОВЛЕННОЕ ИЗ НЕГО 2016
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Оспенникова Ольга Геннадиевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Востриков Алексей Владимирович
  • Волков Александр Максимович
  • Иноземцев Александр Александрович
  • Гришечкин Александр Иванович
  • Перевозов Алексей Сергеевич
RU2623540C1
ЖАРОПРОЧНАЯ СТАЛЬ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА 2013
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Дуб Алексей Владимирович
RU2524465C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2013
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Орлов Александр Сергеевич
  • Ершов Николай Сергеевич
RU2515716C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ ЭТОГО СПЛАВА 2008
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Ломберг Борис Самуилович
  • Овсепян Сергей Вячеславович
  • Лимонова Елена Николаевна
  • Бакрадзе Михаил Михайлович
  • Чабина Елена Борисовна
  • Вавилин Николай Львович
RU2365657C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОТЛОВ И ПАРОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ ПРИ УЛЬТРАСВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ПАРА 2017
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Лубенец Владимир Платонович
  • Козлов Павел Александрович
  • Логашов Сергей Юрьевич
  • Яковлев Евгений Игоревич
RU2637844C1
Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него 2018
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Сидоров Виктор Васильевич
  • Мин Павел Георгиевич
  • Висик Елена Михайловна
  • Крамер Вадим Владимирович
RU2690623C1

Реферат патента 2011 года 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.

Формула изобретения RU 2 425 901 C1

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.%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2425901C1

С-ООЮЗНАЯ -;- ::я.~-'ч':-нсп||:; ^ П i ?iW ; ..;м:/^ iLvsl!БИБЛИОТЕКА 0
SU292479A1
ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2003
  • Богоявленский А.В.
  • Шарыпов А.З.
RU2264479C2
ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ 2003
  • Богоявленский А.В.
  • Шарыпов А.З.
RU2237741C1
Пресс для выдавливания из деревянных дисков заготовок для ниточных катушек 1923
  • Григорьев П.Н.
SU2007A1
УСТРОЙСТВО к ГОЛОВКЕ УТОЧНО-ПЕРЕМОТОЧНОГО АВТОМАТА ДЛЯ УКЛАДКИ НАМОТАННЫХ ШПУЛЬ 0
SU262673A1

RU 2 425 901 C1

Авторы

Карзов Георгий Павлович

Марков Вадим Георгиевич

Зимин Герман Георгиевич

Яковлев Виталий Аверкиевич

Артемьева Дарина Александровна

Даты

2011-08-10Публикация

2009-12-24Подача