ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ Российский патент 2015 года по МПК C22C19/05 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к жаропрочному сплаву на Ni-основе. Более конкретно, изобретение относится к высокопрочному жаропрочному сплаву на Ni-основе, имеющему превосходные горячую обрабатываемость и ударную вязкость, и пластичность после долговременного использования, который применяют в качестве материала для труб, толстой пластины для деталей, имеющих термостойкость и сопротивление давлению, пруткового материала, кованых изделий, и тому подобных, в энергетических котлах, на предприятиях химической промышленности, и тому подобных.

Уровень техники

[0002] В недавние годы в мире сооружены несколько новых котлов с суперсверхкритическими параметрами пара, которые работают при повышенных температуре и давлении для достижения высокой производительности.

[0003] Более конкретно, в некоторых проектах температура пара, которая до сих пор составляла около 600°С, дополнительно повышена до 650°С или выше, и далее до 700°С или выше. Это обосновывается тем фактом, что энергосбережение, эффективное использование ресурсов и сокращение выбросов газообразного СО₂ для сохранения окружающей среды представляют собой сложные задачи для разрешения энергетических проблем и составляют важную часть политики развития промышленности. В случае энергетических котлов, в которых сжигают ископаемое топливо, и реакторов для химической промышленности, предпочтительными являются высокопроизводительные котлы и реакторы с суперсверхкритическими параметрами пара.

[0004] Такие высокие температура и давление пара также повышают температуру трубы пароперегревателя в котле, трубы реактора для химической промышленности, и толстой пластины и кованого изделия, используемых в качестве детали, имеющей термостойкость и сопротивление давлению, до 700°С или выше во время реальной эксплуатации. Поэтому сплав, применяемый в неблагоприятных условиях окружающей среды в течение длительного периода времени, должен иметь превосходные характеристики не только в отношении высокотемпературной прочности и высокотемпературной коррозионной стойкости, но также долговременную стабильность микроструктуры металла, растяжимость при разрушении вследствие ползучести, и стойкость к совместному действию ползучести и усталости.

[0005] Кроме того, в ходе проведения работ по техническому обслуживанию, таких как ремонт после долговременной эксплуатации, подвергшийся старению в течение длительного времени материал необходимо вырезать, подвергнуть обработке или наплавке, и поэтому в недавние годы возникла настоятельная необходимость не только в характеристиках нового материала, но и в доброкачественности старого материала.

[0006] Для соответствия жестким требованиям сплав на Fe-основе, такой как аустенитная нержавеющая сталь, проявляет недостаточное сопротивление разрушению при ползучести. Поэтому неизбежным оказывается применение сплава на Ni-основе, в котором используется выделение γ'-фазы или тому подобной.

[0007] Соответственно этому, Патентные Документы 1-8 раскрывают сплавы на Ni-основе, которые содержат Mo и/или W, для достижения твердорастворного упрочнения, и содержат Al и Ti для использования дисперсионного упрочнения γ'-фазой, которая представляет собой интерметаллическое соединение, или чтобы специально использовать дисперсионное упрочнение посредством Ni₃(Al, Ti), для применения в вышеописанной неблагоприятной высокотемпературной окружающей среде.

[0008] В сплавах, представленных в Патентных Документах 4-6, вследствие содержания 28% или более Cr, также выделяется и содействует упрочнению большое количество α-Cr-фазы, имеющей объемно-центрированную кубическую структуру (bcc) кристаллической решетки.

Список цитированной литературы

Патентный Документ

[0009]

Патентный Документ 1 JP51-84726A

Патентный Документ 2 JP51-84727A

Патентный Документ 3 JP7-150277A

Патентный Документ 4 JP7-216511A

Патентный Документ 5 JP8-127848A

Патентный Документ 6 JP8-218140A

Патентный Документ 7 JP9-157779A

Патентный Документ 8 JP2002-518599A

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0010] Сплавы на Ni-основе, раскрытые в Патентных Документах 1-8, имеют более низкую пластичность, чем пластичность общеупотребительной аустенитной стали, поскольку выделяется γ'-фаза, или выделяются γ'-фаза и α-Cr-фаза, и могут претерпевать изменения с течением времени, в особенности когда используются в течение длительного периода времени, так что пластичность и ударная вязкость их в значительной степени снижаются по сравнению с новым материалом.

[0011] При периодическом обследовании после долговременной эксплуатации и при работах по техническому обслуживанию, выполняемых вследствие аварии или неисправности во время эксплуатации, дефектный материал должен быть частично вырезан и заменен новым материалом, и в этом случае новый материал должен быть приварен к старому материалу, используемому непрерывно. Кроме того, в зависимости от ситуации, должна быть выполнена работа для частичного изгибания.

[0012] Однако, патентные Документы 1-8 не раскрывают мер противодействия для ограничения повреждений материала, вызванных длительной эксплуатацией. То есть в Патентных Документах 1-8 не проведены исследования того, как ограничить долговременное старение, и как обеспечить надежный и безотказный материал в современной крупногабаритной установке, эксплуатируемой в среде с высокими температурой и давлением, который бывшая установка не имела.

[0013] Настоящее изобретение было выполнено с учетом этих обстоятельств, и соответственно этому, его целью является создание жаропрочного сплава на Ni-основе, в котором сопротивление разрушению при ползучести повышено путем твердорастворного упрочнения и дисперсионного упрочнения γ'-фазой, достигается существенное улучшение пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах и может быть предотвращено межзеренное растрескивание для снятия напряжений (SR-растрескивание), которое создает проблему при ремонтной сварке и тому подобном.

Разрешение проблемы

[0014] Авторы настоящего изобретения изучили повышение пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах и предотвращение SR-растрескивания сплава на Ni-основе с использованием дисперсионного упрочнения γ'-фазой (далее называемого «γ'-упрочненным сплавом на Ni-основе»). В результате авторы настоящего изобретения получили важные сведения, указанные в следующем пункте (а).

[0015] (а) Для повышения пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах и предотвращения SR-растрескивания γ'-упрочненного сплава на Ni-основе является действенным содержание неодима (Nd).

В результате проведенных дополнительно разнообразных экспериментов авторы настоящего изобретения получили сведения как совокупность следующих фактов (b)-(е).

[0016] (b) Важными показателями повышения пластичности и предотвращения SR-растрескивания являются средний размер зерна и степень внутризеренного упрочнения.

[0017] (с) Степень внутризеренного упрочнения может быть количественно задана уровнями содержания Al, Ti и Nb, которые представляют собой стабилизирующие γ'-фазу элементы, и формируют γ'-фазу вместе с Ni.

[0018] (d) Минимальное необходимое количество Nd, содержащегося для повышения пластичности и предотвращения SR-растрескивания, варьирует соответственно среднему размеру зерна и степени внутризеренного упрочнения.

[0019] (е) Чтобы обеспечить количество Nd, эффективное для содействия повышению пластичности и предотвращению SR-растрескивания, необходимо строго регулировать содержание кислорода соответственно содержанию Nd.

[0020] Настоящее изобретение было выполнено на основе вышеописанных обнаруженных фактов, и его сущность заключается в жаропрочном сплаве на Ni-основе, описываемом в нижеследующих пунктах (1)-(3).

[0021] (1) Жаропрочный сплав на Ni-основе, состоящий, в процентах по массе, из С: 0,15% или менее, Si: 2% или менее, Mn: 3% или менее, Р: 0,03% или менее, S: 0,01% или менее, 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 или менее, причем остальное количество составляют Ni и примеси, причем f1 имеет отношение к нижеследующей формуле, и в формуле «d» означает средний размер зерна (мкм), и каждый символ элемента означает содержание (% по массе) этого элемента, и, подобным образом, Nd в 0,4Nd означает содержание (% по массе) Nd.

f1=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)}.

[0022] (2) Жаропрочный сплав на Ni-основе, состоящий, в процентах по массе, из С: 0,15% или менее, Si: 2% или менее, Mn: 3% или менее, Р: 0,03% или менее, S: 0,01% или менее, 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 f2 до 0,08%, и О: 0,4Nd или менее, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент из Nb: 3,0% или менее, и W: менее 4%, причем Mo+(W/2): 15% или менее, причем остальное количество составляют Ni и примеси, причем f2 имеет отношение к нижеследующей формуле, и в формуле «d» означает средний размер зерна (мкм), и каждый символ элемента означает содержание (% по массе) этого элемента, и, подобным образом, каждый символ элемента в 0,4Nd и Mo+(W/2) также означает содержание (% по массе) Nd.

f2=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)+(Nb/92,91)}.

[0023] (3) Жаропрочный сплав на Ni-основе, описанный в вышеуказанном пункте (1) или (2), причем сплав содержит один или более видов элементов, выбранных из следующих групп от <1> до <4>, вместо части Ni:

<1> В: 0,01% или менее, Zr: 0,2% или менее, и Hf: 1% или менее,

<2> Mg: 0,05% или менее, Са: 0,05% или менее, Y: 0,5% или менее, La: 0,5% или менее, и Се: 0,5% или менее,

<3> Та: 8% или менее, и Re: 8% или менее,

<4> Fe: 15% или менее.

[0024] «Примеси» в выражении «Ni и примеси» остального количества означает загрязняющие примеси, примешанные из руды или скрапа, использованных в качестве сырьевого материала, из производственной среды при изготовлении, и тому подобного, когда жаропрочный сплав изготавливают на промышленной основе.

Преимущественные результаты изобретения

[0025] Жаропрочный сплав на Ni-основе согласно настоящему изобретению представляет собой сплав, в котором достигается существенное повышение пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах, и, кроме того, может быть предотвращено SR-растрескивание, которое создает проблему при ремонтной сварке и тому подобном. Поэтому жаропрочный сплав на Ni-основе может быть надлежащим образом использован в качестве материала для труб, толстой пластины для деталей, имеющих термостойкость и сопротивление давлению, пруткового материала, кованых изделий и тому подобных, в энергетических котлах, на предприятиях химической промышленности и тому подобных.

Описание вариантов осуществления изобретения

[0026] Обоснование ограничения химического состава жаропрочного сплава на Ni-основе в настоящем изобретении является таким, как описано ниже. В нижеследующем описании символ «%», представляющий содержание каждого элемента, означает «% по массе».

[0027] С: 0,15% или менее

С (углерод) представляет собой элемент, эффективный для обеспечения предела прочности при растяжении и предела ползучести, в результате образования карбидов, которые необходимы, когда материал используют в высокотемпературной среде, и поэтому он соответственно содержится согласно настоящему изобретению. Однако если содержание С превышает 0,15%, возрастает количество карбидов, которые не образуют твердый раствор, будучи в растворенном состоянии, так что углерод (С) не только не содействует повышению высокотемпературной прочности, но также С ухудшает механические характеристики, такие как ударная вязкость и свариваемость. Поэтому содержание С устанавливали на 0,15% или менее. Содержание С предпочтительно составляет 0,1% или менее.

[0028] Для достижения эффекта от добавления углерода (С) нижний предел содержания С предпочтительно составляет 0,005%, и более предпочтительно 0,01%. Еще более предпочтительно нижний предел содержания С составляет 0,02%.

[0029] Si: 2% или менее

Si (кремний) добавляют в качестве раскислителя. Если содержание Si превышает 2%, снижаются свариваемость и горячая обрабатываемость. Кроме того, стимулируется образование фазы интерметаллического соединения, такой как σ-фаза и тому подобная, так что снижаются ударная вязкость и пластичность вследствие ухудшения структурной стабильности при высоких температурах. Поэтому содержание Si регулируют на 2% или менее. Содержание Si предпочтительно составляет 1,0% или менее, более предпочтительно 0,8% или менее.

[0030] Для достижения эффекта от добавления Si нижний предел содержания Si предпочтительно составляет 0,05%, более предпочтительно 0,1%.

[0031] Mn: 3% или менее

Mn (марганец) проявляет раскисляющее действие, подобно Si, и также является эффективным в плане улучшения горячей обрабатываемости благодаря связыванию серы (S), которая содержится как загрязняющая примесь в сплаве, с образованием сульфида. Однако, если содержание Mn повышается, стимулируется формирование оксидной пленки типа шпинели, и ухудшается устойчивость к окислению при высоких температурах. Поэтому содержание Mn составляет 3% или менее. Содержание Mn предпочтительно составляет 2,0% или менее, более предпочтительно 1,0% или менее.

[0032] Для достижения эффекта от добавления Mn нижний предел содержания Mn предпочтительно устанавливают на 0,05%, и более предпочтительно регулируют на 0,08%. Еще более предпочтительно нижний предел содержания Mn составляет 0,1%.

[0033] Р: 0,03% или менее

Р (фосфор) содержится в сплаве в качестве загрязняющей примеси и заметно снижает свариваемость и горячую обрабатываемость, если содержится в больших количествах. Поэтому содержание Р регулировали на 0,03% или менее. Содержание Р следует делать настолько низким, насколько возможно, и предпочтительно оно составляет 0,02% или менее, более предпочтительно 0,015% или менее.

[0034] S: 0,01% или менее

S (сера), подобно фосфору, содержится в сплаве в качестве загрязняющей примеси и заметно снижает свариваемость и горячую обрабатываемость, если содержится в больших количествах. Поэтому содержание S регулировали на 0,01% или менее.

[0035] В случае, если особое значение придают горячей обрабатываемости, содержание S предпочтительно составляет 0,005% или менее, более предпочтительно 0,003% или менее.

[0036] Cr: не менее 15% и менее 28%

Cr (хром) представляет собой важный элемент для достижения эффекта улучшения коррозионной стойкости до превосходной степени, такой как устойчивость к окислению, устойчивость к оксидированию в атмосфере паров воды и высокотемпературная коррозионная стойкость. Однако если содержание Cr составляет менее 15%, желательный эффект не может быть достигнут. С другой стороны, если содержание Cr превышает 28%, микроструктура становится нестабильной, приводя к ухудшению горячей обрабатываемости, выделению σ-фазы и тому подобному. Поэтому содержание Cr устанавливали на 15% или более, и менее 28%. Нижний предел содержания Cr предпочтительно составляет 18%. Кроме того, верхний предел содержания Cr предпочтительно составляет 26%, более предпочтительно 25%.

[0037] Mo: от 3 до 15%

Mo (молибден) растворяется в исходной фазе и проявляет действие, состоящее в повышении сопротивления разрушению при ползучести и снижении коэффициента линейного расширения. Для достижения этих эффектов должны содержаться 3% или более Mn. Однако, если содержание Mn превышает 15%, снижается горячая обрабатываемость и структурная стабильность. Поэтому содержание Mn устанавливают на величину от 3 до 15%.

[0038] В дополнение к Mo в вышеописанном диапазоне содержания, может содержаться W в описываемом далее количестве. Однако в этом случае содержание Mo должно быть таким, чтобы сумма содержания Mo и половины содержания W, т.е. [Mo+(W/2)], составляла 15% или менее.

[0039] Предпочтительный нижний предел содержания Mo составляет 4%, и предпочтительный верхний предел его составляет 14%. Более предпочтительно, нижний предел содержания Mo составляет 5%, и верхний предел его более предпочтительно составляет 13%.

[0040] Со: более 5% и не более 25%

Со (кобальт) растворяется в исходной фазе и повышает сопротивление разрушению при ползучести. Кроме того, Со также проявляет эффект дополнительного улучшения сопротивления разрушению при ползучести в результате увеличения степени выделения γ'-фазы, в особенности в диапазоне температур от 750°С или выше. Для достижения этих эффектов Со должен содержаться в количестве более 5%. Однако, если содержание Со превышает 25%, снижается горячая обрабатываемость. Поэтому содержание Со регулируют на величину более 5% и не более 25%.

[0041] В случае, если важным является баланс между горячей обрабатываемостью и сопротивлением разрушению при ползучести, предпочтительный нижний предел содержания Со составляет 7%, и предпочтительный верхний предел его составляет 23%. Более предпочтительный нижний предел содержания Со составляет 10%, и верхний предел его более предпочтительно составляет 22%.

[0042] В случае, если особое значение придают сопротивлению разрушению при ползучести, в особенности в диапазоне температур 750°С или выше, Со предпочтительно содержится в количестве 17% или более, и еще более предпочтительно, когда содержатся более 20% кобальта.

[0043] Al: от 0,2 до 2%

Al (алюминий) является важным элементом в сплаве на Ni-основе, который выделяет γ'-фазу (Ni₃Al), интерметаллическое соединение, и значительно повышает сопротивление разрушению при ползучести. Для достижения этого эффекта Al должен содержаться в количестве 0,2% или более. Однако, если содержание Al превышает 2%, снижается горячая обрабатываемость, и становятся затруднительными горячая штамповка и изготовление труб в горячем состоянии. Поэтому содержание Al устанавливали на величину от 0,2 до 2% или менее. Предпочтительный нижний предел содержания Al составляет 0,8%, и предпочтительный верхний предел его составляет 1,8%. Более предпочтительный нижний предел содержания Al составляет 0,9%, и верхний предел его более предпочтительно составляет 1,7%.

[0044] Ti: от 0,2 до 3%

Ti (титан) является важным элементом в сплаве на Ni-основе, который формирует γ'-фазу (Ni₃(Al,Ti)), которая представляет собой интерметаллическое соединение, вместе с Al, и значительно повышает сопротивление разрушению при ползучести. Для достижения этого эффекта титан должен содержаться в количестве 0,2% или более. Однако если содержание Ti превышает 3%, снижается горячая обрабатываемость, и становятся затруднительными горячая штамповка и изготовление труб в горячем состоянии. Поэтому содержание Ti регулировали на величину от 0,2 до 3%. Предпочтительный нижний предел содержания Ti составляет 0,3%, и предпочтительный верхний предел его составляет 2,8%. Более предпочтительный нижний предел содержания Ti составляет 0,4%, и верхний предел его более предпочтительно составляет 2,6%.

[0045] Nd: от f1 до 0,08% (когда Nb не содержится), или от f2 до 0,08% (когда Nb содержится)

Nd (неодим) представляет собой важный элемент, характеризующий жаропрочный сплав на Ni-основе в соответствии с настоящим изобретением. То есть Nd является важным элементом, который очень эффективен в улучшении пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах и предотвращении SR-растрескивания упрочненного γ'-фазой сплава на Ni-основе. Для достижения этих эффектов, Nd в количестве f1 или большем, причем значение f1 представлено описанной ниже формулой с учетом среднего размера «d» зерна (мкм) и содержания (% по массе) Al и Ti, должен содержаться в случае, если жаропрочный сплав на Ni-основе не содержит Nb, и также Nd в количестве f2 или большем, причем значение f2 представлено описанной ниже формулой с учетом среднего размера «d» зерна (мкм) и содержания (% по массе) Al, Ti и Nb, должен содержаться в случае, если жаропрочный сплав на Ni-основе содержит Nb.

f1=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)},

f2=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)+(Nb/92,91)}.

[0046] На повышение пластичности и предотвращение SR-растрескивания также влияют средний размер зерна и степень внутризеренного упрочнения. Степень внутризеренного упрочнения зависит от количеств Al, Ti и Nb, которые представляют собой стабилизирующие γ'-фазу элементы и образуют γ'-фазу вместе с Ni. Поэтому минимальное необходимое количество Nd, которое должно содержаться для улучшения пластичности и предотвращения SR-растрескивания, варьирует соответственно среднему размеру зерна и степени внутризеренного упрочнения.

[0047] С другой стороны, если содержание Nd является чрезмерным и превышает 0,8%, снижается горячая обрабатываемость и ухудшается пластичность вследствие включений. Поэтому содержание Nd устанавливали на значение от f1 до 0,08% (когда Nb не содержится) или на значение от f2 до 0,08% (когда Nb содержится).

[0048] Как правило, Nd также содержится в мишметалле. Поэтому Nd в вышеописанном количестве может содержаться, будучи добавленным в форме мишметалла.

[0049] О: 0,4Nd или менее

О (кислород) содержится в сплаве как загрязняющая примесь и снижает горячую обрабатываемость и пластичность. Более того, в случае настоящего изобретения, когда содержится Nd, кислород (О) легко соединяется с Nd с образованием оксидов, и нежелательно сокращает вышеописанное действие неодима (Nd), состоящее в повышении пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах и предотвращении SR-растрескивания. Поэтому содержанию О устанавливают верхний предел, и содержание О регулировали на значение 0,4Nd или менее, то есть 0,4, или меньше доли содержания Nd. Содержание О предпочтительно делают столь низким, насколько возможно.

[0050] Один из жаропрочных сплавов на Ni-основе согласно настоящему изобретению состоит из вышеописанных элементов от С до О, причем остальное количество составляют Ni и примеси.

[0051] Ниже разъясняется Ni в остальном количестве жаропрочного сплава на Ni-основе согласно настоящему изобретению.

[0052] Ni (никель) представляет собой элемент для стабилизации аустенитной структуры и является элементом, важным также для обеспечения коррозионной стойкости. В настоящем изобретении содержание Ni не требует конкретного определения, и получается как содержание после вычитания доли загрязняющих примесей из остаточного количества. Однако содержание Ni в остаточном количестве предпочтительно превышает 50%, и более предпочтительно превышает 60%.

[0053] Как уже было описано, термин «примеси» означает загрязняющие примеси, занесенные из руды и скрапа, использованных в качестве сырьевого материала, из производственной среды при изготовлении и тому подобных источников, когда жаропрочный сплав изготавливают в промышленном масштабе.

[0054] Еще один из жаропрочных сплавов на Ni-основе согласно настоящему изобретению дополнительно содержит элементы одного или более видов из Nb, W, В, Zr, Hf, Mg, Са, Y, La, Се, Та, Re и Fe, в дополнение к вышеописанным элементам.

[0055] Ниже разъясняются технологические преимущества этих необязательных элементов и обоснования для ограничения уровней их содержания.

[0056] Как Nb, так и W действуют как повышающие предел ползучести. Поэтому эти элементы могут присутствовать.

[0057] Nb: 3,0% или менее

Назначением Nb (ниобия) является повышение предела ползучести. То есть Nb формирует γ'-фазу, которая представляет собой интерметаллическое соединение, вместе с Al и Ti, и действует как фактор повышения предела ползучести. Поэтому ниобий может содержаться. Однако, если содержание Nb возрастает и превышает 3,0%, снижаются горячая обрабатываемость и ударная вязкость. Поэтому содержание Nb в то время, когда он присутствует, устанавливали на 3,0% или менее. Содержание Nb, когда он содержится, предпочтительно составляет 2,5% или менее.

[0058] С другой стороны, для достижения эффекта от добавления Nb, содержание Nb предпочтительно составляет 0,05% или более, более предпочтительно 0,1% или более.

[0059] W: менее 4% (однако Mo+(W/2): 15% или менее)

W (вольфрам) проявляет действие, состоящее в повышении предела ползучести. То есть W растворяется в исходной фазе и действует как фактор повышения предела ползучести в качестве упрочняющего твердый раствор элемента. Поэтому W может содержаться. Однако, если содержание W увеличивается до 4% или более, снижается горячая обрабатываемость. Кроме того, настоящим изобретением предусматривается содержание Mo. Если Mo и W содержатся совокупно в таком количестве, что сумма содержания Mo и половины содержания W, то есть [Mo+(W/2)], составляет более 15%, в значительной степени снижается горячая обрабатываемость. Поэтому содержание W, когда он содержится, регулировали на величину менее 4%, и дополнительно устанавливали так, что [Mo+(W/2)] составляет 15% или менее. Содержание вольфрама в то время, когда он присутствует, предпочтительно составляет 3,5% или менее.

[0060] С другой стороны, для достижения стабильного эффекта от добавления W, содержание W предпочтительно составляет 1% или более, более предпочтительно 1,5% или более.

[0061] Описанные выше Nb и W могут содержаться либо как только в виде одного элемента, либо совокупно в двух видах. Общее количество этих элементов, содержащихся совместно, предпочтительно составляет 6% или менее.

[0062] Любой из элементов В, Zr и Hf, относящихся к группе <1>, действует как фактор повышения предела ползучести. Поэтому эти элементы могут содержаться.

[0063] В: 0,01% или менее

В (бор) проявляет действие, состоящее в повышении предела прочности при ползучести. Бор (В) также действует как фактор улучшения высокотемпературной прочности. То есть В присутствует на границах зерен в виде простого вещества и проявляет действие, состоящее в ограничении межзеренного проскальзывания, обусловленное зернограничным упрочнением во время эксплуатации при высоких температурах. Кроме того, В присутствует в карбонитридах совместно с С и N, и проявляет действие, состоящее в повышении предела прочности при ползучести вследствие ускорения выделения тонкодисперсных фаз карбонитридов, и также действует как фактор повышения высокотемпературной прочности. Поэтому бор (В) может содержаться. Однако, если содержание В возрастает и превышает 0,01%, ухудшается свариваемость. Поэтому содержание В, когда он присутствует, устанавливали на 0,01% или менее. Верхний предел содержания В, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,008%, более предпочтительно 0,006%.

[0064] С другой стороны, для стабильного достижения эффекта от добавления бора (В) нижний предел содержания В предпочтительно составляет 0,0005%, и более предпочтительно 0,001%.

[0065] Zr: 0,2% или менее

Zr (цирконий) представляет собой элемент для зернограничного упрочнения и действует как фактор повышения предела ползучести. Zr также проявляет действие, состоящее в улучшении пластичности при разрушении. Поэтому Zr может содержаться. Однако, если содержание Zr повышается и превышает 0,2%, снижается горячая обрабатываемость. Поэтому содержание Zr, когда он присутствует, устанавливали на 0,2% или менее. Содержание Zr, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,1% или менее, более предпочтительно 0,05% или менее.

[0066] С другой стороны, для надежного достижения эффектов от добавления Zr, содержание Zr предпочтительно составляет 0,005% или более, и более предпочтительно 0,01% или более.

[0067] Hf: 1% или менее

Hf (гафний) главным образом содействует зернограничному упрочнению и проявляет действие, состоящее в повышении предела прочности при ползучести. Поэтому Hf может содержаться. Однако, если содержание Hf превышает 1%, ухудшаются обрабатываемость и свариваемость. Поэтому содержание Hf, когда он присутствует, устанавливали на 1% или менее. Содержание Hf, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,8% или менее, более предпочтительно 0,5% или менее.

[0068] С другой стороны, для стабильного достижения эффектов от добавления Hf, содержание Hf предпочтительно составляет 0,005% или более, и более предпочтительно 0,01% или более. Содержание Hf еще более предпочтительно составляет 0,02% или более.

[0069] Описанные выше В, Zr и Hf могут содержаться либо только как элемент одного вида, либо совместно как элементы двух или более видов. Общее содержание этих элементов, содержащихся совместно, предпочтительно составляет 0,8% или менее.

[0070] Любой из элементов Mg, Са, Y, La и Се, относящихся к группе <2>, связывает серу (S) в виде сульфида, и проявляет действие, состоящее в улучшении горячей обрабатываемости. Поэтому эти элементы могут содержаться.

[0071] Mg: 0,05% или менее

Mg (магний) связывает серу (S), которая затрудняет горячую обрабатываемость, с образованием сульфида, и действует как фактор улучшения горячей обрабатываемости. Поэтому Mg может содержаться. Однако, если содержание Mg превышает 0,05%, ухудшается чистота, и до некоторой степени ухудшаются горячая обрабатываемость и пластичность. Поэтому содержание Mg, когда он присутствует, устанавливали на 0,05% или менее. Содержание Mg, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,02% или менее, более предпочтительно 0,01% или менее.

[0072] С другой стороны, для стабильного достижения эффекта от добавления Mg, содержание Mg предпочтительно составляет 0,0005% или более, и более предпочтительно 0,001% или более.

[0073] Са: 0,05% или менее

Са (кальций) связывает серу (S), которая снижает горячую обрабатываемость, с образованием сульфида, и действует как фактор улучшения горячей обрабатываемости. Поэтому Са может содержаться. Однако, если содержание Са превышает 0,05%, ухудшается чистота, и до некоторой степени ухудшаются горячая обрабатываемость и пластичность. Поэтому содержание Са, когда он присутствует, регулировали на 0,05% или менее. Содержание Са, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,02% или менее, более предпочтительно 0,01% или менее.

[0074] С другой стороны, для надежного достижения эффекта от добавления Са, содержание Са предпочтительно составляет 0,0005% или более, и более предпочтительно 0,001% или более.

[0075] Y: 0,5% или менее

Y (иттрий) связывает серу (S) в виде сульфида, и действует как фактор улучшения горячей обрабатываемости. Кроме того, Y проявляет действие, состоящее в усилении адгезии защитной пленки из Cr₂O₃ к поверхности сплава, и в особенности действует как фактор повышения устойчивости к окислению во время повторяющегося окисления. Кроме того, Y содействует зернограничному упрочнению, и также проявляет действие, состоящее в повышении предела текучести и растяжимости при разрушении вследствие ползучести. Поэтому Y может содержаться. Однако, если содержание Y возрастает и превышает 0,5%, увеличивается число таких включений, как оксиды, и поэтому ухудшаются обрабатываемость и свариваемость. Поэтому содержание Y во время, когда он присутствует, устанавливали на 0,5% или менее. Содержание Y, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,3% или менее, более предпочтительно 0,15% или менее.

[0076] С другой стороны, для надежного достижения эффектов от добавления Y, содержание Y предпочтительно составляет 0,0005% или более, более предпочтительно 0,001% или более. Содержание Y еще более предпочтительно составляет 0,002% или более.

[0077] La: 0,5% или менее

La (лантан) связывает серу (S) в виде сульфида и действует как фактор улучшения горячей обрабатываемости. Кроме того, La проявляет действие, состоящее в усилении адгезии защитной пленки из Cr₂O₃ к поверхности сплава, и в особенности действует как фактор повышения устойчивости к окислению во время повторяющегося окисления. Кроме того, La содействует зернограничному упрочнению и также проявляет действие, состоящее в повышении предела текучести и растяжимости при разрушении вследствие ползучести. Поэтому La может содержаться. Однако, если содержание La превышает 0,5%, увеличивается число таких включений, как оксиды, и поэтому ухудшаются обрабатываемость и свариваемость. Поэтому содержание La во время, когда он присутствует, устанавливали на 0,5% или менее. Содержание La, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,3% или менее, более предпочтительно 0,15% или менее.

[0078] С другой стороны, для надежного достижения эффектов от добавления La, содержание La предпочтительно составляет 0,0005% или более, более предпочтительно 0,001% или более. Содержание La еще более предпочтительно составляет 0,002% или более.

[0079] Се: 0,5% или менее

Се (церий) связывает серу (S) с образованием сульфида и действует как фактор улучшения горячей обрабатываемости. Кроме того, Се проявляет действие, состоящее в усилении адгезии защитной пленки из Cr₂O₃ к поверхности сплава, и в особенности действует как фактор повышения устойчивости к окислению во время повторяющегося окисления. Кроме того, Се содействует зернограничному упрочнению и также проявляет действие, состоящее в повышении предела текучести и растяжимости при разрушении вследствие ползучести. Поэтому Се может содержаться. Однако, если содержание Се повышается и превышает 0,5%, растет число таких включений, как оксиды, и поэтому ухудшаются обрабатываемость и свариваемость. Поэтому содержание Се во время, когда он присутствует, регулировали на 0,5% или менее. Содержание Се, когда он содержится, предпочтительно составляет 0,3% или менее, более предпочтительно 0,15% или менее.

[0080] С другой стороны, для стабильного достижения эффектов от добавления Се, содержание Се предпочтительно составляет 0,0005% или более, более предпочтительно 0,001% или более. Содержание Се еще более предпочтительно составляет 0,002% или более.

[0081] Описанные выше Mg, Са, Y, La и Се могут содержаться либо как только элемент одного вида, либо совокупно как элементы двух или более видов. Общее количество этих элементов, содержащихся совместно, предпочтительно составляет 0,5% или менее.

[0082] Как Та, так и Re из группы <3> действуют как элементы, улучшающие высокотемпературную прочность и предел ползучести, будучи элементами для упрочнения твердого раствора. Поэтому эти элементы могут присутствовать.

[0083] Та: 8% или менее

Та (тантал) образует карбонитриды и действует как фактор повышения высокотемпературной прочности и предела ползучести, поскольку представляет собой упрочняющий твердый раствор элемент. Поэтому Та может содержаться. Однако, если содержание Та превышает 8%, ухудшаются обрабатываемость и механические характеристики. Поэтому содержание Та во время, когда он присутствует, устанавливали на 8% или менее. Содержание Та, когда он содержится, предпочтительно составляет 7% или менее, более предпочтительно 6% или менее.

[0084] С другой стороны, для надежного достижения эффекта от добавления Та, содержание Та предпочтительно составляет 0,01% или более, более предпочтительно 0,1% или более. Еще более предпочтительно, содержание Та составляет 0,5% или более.

[0085] Re: 8% или менее

Re (рений) проявляет действие, состоящее в повышении высокотемпературной прочности и предела ползучести, главным образом будучи упрочняющим твердый раствор элементом. Поэтому Re может присутствовать. Однако, если содержание Re возрастает и превышает 8%, ухудшаются обрабатываемость и механические характеристики. Поэтому содержание Re во время, когда он присутствует, устанавливали на 8% или менее. Содержание Re, когда он содержится, предпочтительно составляет 7% или менее, более предпочтительно 6% или менее.

[0086] С другой стороны, для стабильного достижения эффекта от добавления Re, содержание Re предпочтительно составляет 0,01% или более, более предпочтительно 0,1% или более. Еще более предпочтительно, содержание Re составляет 0,5% или более.

[0087] Описанные выше Та и Re могут содержаться либо как только элемент одного вида, либо совместно в двух видах. Общее содержание этих элементов, присутствующих совместно, предпочтительно составляет 8% или менее.

[0088] Fe: 15% или менее

Fe (железо) проявляет действие, состоящее в улучшении горячей обрабатываемости сплава на Ni-основе. Поэтому Fe может присутствовать. В реальном производственном процессе, даже если содержание Fe не предусматривается, от около 0,5 до 1% Fe иногда содержатся в качестве примеси вследствие загрязнения от стенки печи, обусловленного плавлением сплава на основе Fe. В случае, если содержится Fe, если содержание Fe превышает 15%, ухудшаются устойчивость к окислению и структурная стабильность. Поэтому содержание Fe регулируют на 15% или менее. В случае, если особое значение уделяют устойчивости к окислению, содержание Fe предпочтительно составляет 10% или менее.

[0089] Для достижения эффекта от присутствия Fe, нижний предел содержания Fe предпочтительно устанавливают на 1,5%, и более предпочтительно регулируют на 2,0%. Еще более предпочтительно, нижний предел содержания Fe составляет 2,5%.

[0090] Ниже настоящее изобретение разъясняется более конкретно на примерах, однако настоящее изобретение не ограничивается этими примерами.

Примеры

[0091] Сплавы 1-14 и А-G на Ni-основе, имеющие показанные в Таблице 1 химические составы, были выплавлены с использованием высокочастотной вакуумной печи для получения 30-килограммовых слитков.

[0092]

[0093] Слиток, полученный, как описано выше, нагрели до температуры 1160°С и после этого подвергли горячей ковке с образованием пластинчатого материала с толщиной 15 мм так, что температура конечной обработки составляла 1000°С.

[0094] Затем пластинчатый материал с толщиной 15 мм подвергли термической обработке для смягчающего отпуска при температуре 1100°С и холодной прокатке до толщины 10 мм, и далее выдержали при температуре 1180°С в течение 30 минут, и после этого охладили водой.

[0095] С использованием части пластинчатого материала с толщиной 10 мм, который был выдержан при температуре 1180°С в течение 30 минут и охлажден водой, испытательный образец, который был вырезан и заключен в оболочку из смолы таким образом, чтобы продольное направление прокатки представлялось наблюдаемой поверхностью, отполировали до зеркального блеска, и после этого протравили смесью кислот, или реагентом Каллинга, и провели обследование с помощью оптического микроскопа. При наблюдении в оптический микроскоп выполнили фотографирование при 100-кратном увеличении в пяти полях зрения, измерили среднюю секущую длину зерна методом подсчета пересечений зерен с использованием секущих линий в целом по четырем направлениям каждого поля зрения, продольной (перпендикулярно направлению прокатки), поперечной (параллельно направлению прокатки) и диагональной линии, и средний размер «d» зерна (мкм) определили умножением средней секущей длины зерна на коэффициент 1,128.

[0096] С использованием среднего размера «d» зерна (мкм), определенного, как описано выше, рассчитали значения

f1=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)}

или

f2=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)+(Nb/92,91)},

и вывели взаимозависимость между содержанием Nd в каждом сплаве и значением нижнего предела содержания Nd, как определено в настоящем изобретении.

[0097] Для каждого сплава Таблица 2 обобщенно приводит результат расчета f1 или f2, вместе со средним размером «d» зерна (мкм). Кроме того, Таблица 2 дополнительно приводит величины содержания Nd, Al, Ti и Nb, указанные в Таблице 1.

[0098]

[0099] Из Таблицы 2 было обнаружено, что уровни содержания Nd только в сплаве В и сплаве С были ниже, чем значение нижнего предела содержания Nd, определенного в настоящем изобретении.

[0100] Поэтому было показано, что из сплавов, приведенных в Таблице 1, в целом семь сплавов, то есть сплавы В и С, в дополнение к сплавам А и D-G, представляли собой сплавы, имеющие химический состав, отклоняющийся от определенных в настоящем изобретении условий.

[0101] С другой стороны, было выявлено, что сплавы 1-14 были сплавами, имеющими химический состав в пределах диапазона, определенного в настоящем изобретении.

[0102] Затем с использованием остальной части пластинчатого материала с толщиной 10 мм, который был выдержан при температуре 1180°С в течение 30 минут и был охлажден водой, из центральной части по направлению толщины приготовили на станке образец в виде круглого стержня для испытания на растяжение, имеющий диаметр 6 мм и рабочую длину 30 мм, параллельно продольному направлению, и провели испытание на разрушение при ползучести и испытание на растяжение при высокой температуре, при очень низкой скорости деформации, с использованием этого образца в виде круглого стержня для испытания на растяжение.

[0103] Испытание на разрушение при ползучести было проведено при приложении начального напряжения 300 МПа к имеющему вышеописанную форму образцу в виде круглого стержня для испытания на растяжение при температуре 700°С, для измерения времени до разрушения и относительного удлинения при разрушении.

[0104] Кроме того, с использованием имеющего вышеописанную форму образца в виде круглого стержня для испытания на растяжение было проведено испытание на растяжение при температуре 700°С и при очень низкой скорости деформации 10^-6/сек для измерения сокращения площади поперечного сечения при разрыве.

[0105] Скорость деформации 10^-6/сек является такой очень низкой скоростью деформации, что она составляет от 1/100 до 1/1000 скорости деформации в обычном испытании на растяжение при высокой температуре. Поэтому измерением сокращения площади поперечного сечения при разрыве в тот момент, когда испытание на растяжение проводят при этой очень низкой скорости деформации, можно сделать относительный вывод о чувствительности к предотвращению SR-растрескивания.

[0106] Более конкретно, в случае, где является большим сокращение площади поперечного сечения при разрыве во время, когда испытание на растяжение проводят при вышеописанной очень низкой скорости деформации, можно сделать вывод, что чувствительность к предотвращению SR-растрескивания мала, и велик эффект предотвращения SR-растрескивания.

[0107] Таблица 3 обобщает результаты испытаний.

[0108]

[0109] Таблица 3 показывает, что в случае испытаний №№ 1-14 в примерных вариантах осуществления настоящего изобретения с использованием сплавов 1-14, имеющих химический состав в пределах определенного в настоящем изобретении диапазона, являются хорошими все показатели из времени до разрушения при ползучести, растяжимости при разрушении вследствие ползучести, и сокращения площади поперечного сечения при разрыве в испытании на растяжение при очень низкой скорости деформации (то есть эффекты предотвращения SR-растрескивания).

[0110] Напротив, в случае испытаний №№ 15-21 в сравнительных примерах с использованием сплавов А-G, имеющих химический состав, отклоняющийся от определенного в настоящем изобретении условия, в сравнении с ситуацией с испытаниями №№ 1-14 примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, все характеристики из времени до разрушения при ползучести, растяжимости при разрушении вследствие ползучести, и сокращения площади поперечного сечения при разрыве в испытании на растяжение при очень низкой скорости деформации (то есть эффекты предотвращения SR-растрескивания), являются плохими.

[0111] То есть в случае испытаний №№ 15, 16 и 18, хотя каждый из сплавов А, В и D имеет химический состав, почти эквивалентный составу сплава 2, использованного в испытании № 2, за исключением того, что не содержится Nd, или содержание Nd выходит за пределы определенного в настоящем изобретении диапазона, являются плохими все показатели из времени до разрушения при ползучести, растяжимости при разрушении вследствие ползучести, и сокращения площади поперечного сечения при разрыве в испытании на растяжение при очень низкой скорости деформации (то есть эффекты предотвращения SR-растрескивания).

[0112] В случае испытаний №№ 17 и 19, хотя каждый из сплавов С и Е имеет химический состав, почти эквивалентный составу сплава 7, использованного в испытании № 7, за исключением того, что содержание Nd выходит за пределы определенного в настоящем изобретении диапазона, являются плохими все характеристики из времени до разрушения при ползучести, растяжимости при разрушении вследствие ползучести, и сокращения площади поперечного сечения при разрыве в испытании на растяжение при очень низкой скорости деформации (то есть эффекты предотвращения SR-растрескивания).

[0113] В случае испытания № 20, хотя сплав F имеет химический состав, почти эквивалентный составу сплава 2, использованного в испытании № 2, за исключением того, что содержание О выходит за пределы определенного в настоящем изобретении диапазона, являются плохими все показатели из времени до разрушения при ползучести, растяжимости при разрушении вследствие ползучести, и сокращения площади поперечного сечения при разрыве в испытании на растяжение при очень низкой скорости деформации (то есть эффекты предотвращения SR-растрескивания).

[0114] В случае испытания № 21, хотя сплав G имеет химический состав, почти эквивалентный составу сплава 7, использованного в испытании № 7, за исключением того, что содержание О выходит за пределы определенного в настоящем изобретении диапазона, являются плохими все показатели из времени до разрушения при ползучести, растяжимости при разрушении вследствие ползучести, и сокращения площади поперечного сечения при разрыве ползучести и сокращения площади поперечного сечения при разрыве в испытании на растяжение при очень низкой скорости деформации (то есть эффекты предотвращения SR-растрескивания).

Промышленная применимость

[0115] Жаропрочный сплав на Ni-основе согласно настоящему изобретению представляет собой сплав, в котором может быть достигнуто существенное повышение пластичности после долговременной эксплуатации при высоких температурах, и, кроме того, может быть предотвращено SR-растрескивание, которое составляет проблему при ремонтной сварке и тому подобном. Поэтому жаропрочный сплав на Ni-основе может быть надлежащим образом использован в качестве материала для труб, толстой пластины для деталей, имеющих термостойкость и сопротивление давлению, пруткового материала, кованых изделий и тому подобных, в энергетических котлах, на предприятиях химической промышленности и тому подобных.

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.

1. Жаропрочный сплав на Ni-основе, состоящий, в % по массе, из С: 0,15 или менее, Si: 2 или менее, Mn: 3 или менее, Р: 0,03 или менее, S: 0,01 или менее, 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 или менее, причем остальное количество составляют Ni и примеси, при этом нижний предел содержания Nd f1 определен нижеприведенным выражением:
f1=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)},
где d - средний размер зерна, мкм,
каждый символ элемента означает содержание этого элемента, % по массе,
и, подобным образом, Nd в 0,4Nd означает содержание Nd в % по массе.

2. Жаропрочный сплав на Ni-основе, состоящий, в % по массе, из С: 0,15 или менее, Si: 2 или менее, Mn: 3 или менее, Р: 0,03 или менее, S: 0,01 или менее, 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 f2 до 0,08 и О: 0,4Nd или менее, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент из Nb: 3,0 или менее и W: менее 4, причем Mo+(W/2): 15 или менее, причем остальное количество составляют Ni и примеси, при этом нижний предел содержания Nd f2 определен нижеприведенным выражением:
f2=1,7×10^-5d+0,05{(Al/26,98)+(Ti/47,88)+(Nb/92,91)},
где d - средний размер зерна, мкм,
каждый символ элемента означает содержание этого элемента, % по массе и, подобным образом, каждый символ элемента в 0,4Nd и Mo+(W/2) также означает содержание в % по массе.

3. Жаропрочный сплав по п. 1 или 2, причем сплав содержит один или более элементов, выбранных из следующих групп от <1> до <4>, вместо части Ni:
<1> В: 0,01 или менее, Zr: 0,2 или менее, и Hf: 1 или менее,
<2> Mg: 0,05 или менее, Са: 0,05 или менее, Y: 0,5 или менее, La: 0,5 или менее и Се: 0,5 или менее,
<3> Та: 8 или менее и Re: 8 или менее,
<4> Fe: 15 или менее.