Жаропрочный сплав

Жаропрочный сплав

Реферат

Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов с литой структурой на хромоникелевой основе с карбидным упрочнением и может использоваться при создании установок высокотемпературного пиролиза для нефтехимических отраслей промышленности, в частности при изготовлении реакционных змеевиков.

Известен жаропрочный сплав [1], содержащий мас.%:

Углерод	0,35-0,55
Азот	0,02-0,05
Хром	22-27
Никель	25-40
Ниобий	1,0-2,0
Вольфрам	0,5-5,0
Молибден	0,2-0,6
Титан	0,05-0,6
Кремний	0,8-2,0
Марганец	0,8-1,5
Бор	0,0005-0,005
Алюминий	0,1-1,0
Медь	0,1-1,0
Магний	0,01-0,1
Цирконий	0,005-0,15
Иттрий	0,008-0,1
Железо	остальное

при выполнении условия

К недостаткам указанного сплава относится низкий уровень пластичности (менее 5%) в условиях статических напряжений при температуре 1000°C и низкая сопротивляемость сплава к коррозионно-механическому воздействию при температуре 1100°C. Указанные недостатки в условиях эксплуатации приводят к выходу из строя реакционной трубной системы пиролизных змеевиков, что значительно уменьшает срок «межремонтного пробега».

Известен также жаропрочный сплав [2], принятый за прототип, следующего химического состава (мас.%):

Углерод	0,35-0,55
Азот	0,02-0,05
Хром	22,0-27,0
Никель	25,0-40,0
Ниобий	1,0-2,0
Вольфрам	0,5-5,0
Молибден	0,2-0,6
Титан	0,05-0,6
Кремний	0,8-2,0
Марганец	0,8-1,5
Алюминий	0,1-1,0
Медь	0,1-1,0
Магний	0,01-0,1
Цирконий	0,005-0,15
Иттрий	0,008-0,1
Бор	0,007-0,01
Церий	0,022-0,063
Лантан	0,006-0,027
Неодим	0,002-0,005
Празеодим	0,005-0,008
Железо	остальное

при этом должны выполняться два условия:

Этот сплав обладает повышенной стойкостью в воздушной среде к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения при максимальных рабочих температурах 1100°C и повышенной пластичностью, что обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и увеличение срока «межремонтного пробега» высокотемпературных змеевиков.

Недостатком сплава является повышенная скорость ползучести, что приводит к значительным формоизменениям трубной системы и ее преждевременному выходу из строя, а также недостаточная длительная прочность и жаростойкость.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание жаропрочного сплава, обладающего более высокими характеристиками сопротивления ползучести, длительной прочности и жаростойкости.

Технический результат изобретения достигается тем, что заявляемый жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, при выполнении условий 1 и 2

дополнительно содержит кальций и барий, а также повышенные концентрации вольфрама, хрома, никеля и ограниченное содержание железа при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Углерод	0,35-0,55
Азот	0,02-0,05
Хром	28,0-36,0
Железо	3,0-5,0
Ниобий	1,0-2,0
Вольфрам	0,5-8,0
Молибден	0,2-0,6
Титан	0,05-0,6
Кремний	0,8-2,0
Марганец	0,8-1,5
Алюминий	0,1-1,0
Медь	0,1-1,0
Магний	0,01-0,1
Цирконий	0,005-0,15
Иттрий	0,008-0,1
Бор	0,007-0,01
Кальций	0,01-0,2
Барий	0,01-0,3
Церий	0,022-0,063
Лантан	0,006-0,027
Неодим	0,002-0,005
Празеодим	0,005-0,008
Никель	остальное

При этом должно выполняться следующее условие: суммарное содержание кальция и бария не должно превышать 0,31 мас.%.

Увеличение содержания хрома и углерода при повышении содержания никеля способствует увеличению удельного объема карбидной фазы, выделяющейся на границах кристаллов и дендритных ячеек, при этом формируется карбидный каркас, что тормозит развитие пластического течения по границам, тем самым снижается скорость ползучести и увеличивается длительная прочность.

Хромоникелевая основа сплава при высокой концентрации хрома (28-36%) и ограниченного содержания железа 3-5% способствует образованию более стойкой окалины, состоящей из окислов типа шпинелей, обеспечивающая улучшение жаростойкости при 1100°C.

В то же время хромоникелевая основа сплава при повышенном содержании вольфрама, не ухудшая пластичности, улучшает структурную стабильность твердого раствора избыточных фаз в условиях воздействия циклических и статических нагрузок.

Введение в состав литого жаропрочного сплава суммарной концентрации микродобавок кальция и бария обеспечивает высокую эффективность раскисления расплава, увеличивая тем самым эффект усвояемости границами сплава церия, лантана, неодима и празеодима с целью увеличения значений характеристик длительной прочности и жаростойкости заявленного состава сплава.

Суммарное количество кальция и бария, не более 0,31 мас.%, определяет их оптимальную концентрацию, когда содержание кислорода в сплаве составляет не более 0,0025 мас.%.

Выбранные пределы микролегирования активными элементами Са и Ва при указанной концентрации кислорода сохраняют практически неизменным кристаллическое строение и фазовый состав сплава, существенно улучшают состояние межкристаллитных границ, обеспечивая при высокой температуре увеличение их стойкости к коррозионно-механическому воздействию в условиях длительного статического нагружения.

Пример конкретного выполнения.

Во ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» была проведена выплавка и исследованы свойства следующих сплавов:

- Сплавы с содержанием ингредиентов, выходящих за пределы заявляемых концентраций (плавки №1, 2)

- Заявляемый сплав (плавки №3, 4)

- Сплав прототипа (плавка №5)

Сплавы получали в открытой индукционной печи с использованием высококачественных шихтовых материалов и специальной лигатуры, содержащей вводимые элементы. Жидкий металл, который в процессе ведения плавок находился под защитой аргона, разливали в чугунные изложницы. Вес слитков составлял 23-25 кг.

Для проведения коррозионно-механических испытаний и испытаний на длительную прочность из центральной части слитка на расстояние 10 мм от края вырезали разрывные образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной 30 мм.

В таблице 1 представлен химический состав исследуемых сплавов. Свойства полученных сплавов представлены: в таблице 2 - результаты испытаний на длительную прочность; в таблице 3 - результаты коррозионных испытаний.

Таблица 1
Условный номер плавки	Содержание элементов, мас.%
C	N	Cr	Ni	Nb	Mo	W	Ti	Si	Mn	Al	Cu	Zr	Mg	Y
1	0,34	0,021	27,0	ост.	0,98	0,18	8,5	0,62	1,0	0,7	0,09	0,09	0,004	0,011	0,007
2	0,56	0,04	37,0	ост.	2,1	0,62	0,4	0,004	2,1	1,6	1,1	1,1	0,16	0,008	0,1
3	0,55	0,05	36,0	ост.	2,0	0,6	8,0	0,6	2,0	1,5	1,0	1,0	0,15	0,1	0,1
4	0,35	0,02	28,0	ост.	1,0	0,2	0,5	0,05	0,8	0,8	0,1	0,1	0,005	0,01	0,008
5 (прототип)	0,45	0,04	27,0	35,0	2,0	0,25	1,8	0,06	1,55	1,0	0,3	0,25	0,06	0,08	0,009

Продолжение таблицы 1
Условный номер плавки	Содержание элементов, мас.%	C+N-(Nb+2Ti)/10	(La+Ce+Nd+Pr)/B	Ca+Ba
B	La	Ce	Nd	Pr	Fe	Ca	Ba
1	0,012	0,005	0,021	0,0022	0,009	2,8	0,21	0,004	0,13	3,1	0,214
2	0,006	0,028	0,065	0,004	0,004	6,5	0,007	0,32	0,28	15,1	0,327
3	0,01	0,021	0,063	0,002	0,008	3,0	0,2	0,01	0,28	10,0	0,21
4	0,007	0,006	0,022	0,005	0,005	5,0	0,01	0,3	0,26	5,4	0,31
5 прототип	0,007	0,015	0,009	0,008	0,003	ост.	-	-	0,278	5,0	-

Таблица 2
Условный номер плавки	Характеристики жаропрочности сплава при температуре 1100°C и напряжении 10 МПа
Минимальное время до разрушения (τ), час	Относительное удлинение (δ), %	Скорость ползучести (V), %, час
1	1993	6	8×10-3
2	2403	6	3×10-3
3	3780	8	4×10-4
4	3040	13	6×10-4
5	1840	38	9×10-3

Таблица 3
Условный номер плавки	Скорость окисления сплава при температуре 1100°C, мм/год
1	0,75
2	0,46
3	0,21
4	0,25
5	1,1

Из таблиц 2 и 3 следует, что состав плавок 1 и 2 не обеспечивает улучшение комплекса служебных характеристик, в частности, несмотря на повышенную сопротивляемость окислению и сравнительно небольшое превосходство в жаропрочности, эти сплавы характеризуются низкой пластичностью и пониженным сопротивлением ползучести.

Анализ данных таблиц 2 и 3 по плавкам 3 и 4 свидетельствует о том, что заявляемый сплав существенно превосходит прототип по длительной прочности (примерно в 2 раза), по жаростойкости (примерно в 5 раз), при этом сохраняется приемлемый уровень длительной пластичности сплава (8-13%) и увеличивается сопротивляемость высокотемпературной ползучести (более чем в 10 раз).

Таким образом, заявленный состав сплава существенно превосходит сплав прототипа по сопротивлению ползучести, жаростойкости и длительной прочности при температуре 1100°C.

Изготовление ответственных литых изделий для высокотемпературных химических и нефтеперерабатывающих установок из заявленного сплава, обладающего улучшенным комплексом служебных характеристик, позволяет, за счет повышения уровня сопротивления ползучести, жаростойкости и длительной прочности увеличить в 1,5-2,0 раза ресурс работы установок.

Источники информации

1. Патент РФ №2026401, С22С 19/05.

2. Патент РФ №2350674, С22С 19/05 (прототип).

Жаропрочный сплав, содержащий углерод, азот, хром, никель, ниобий, вольфрам, молибден, титан, кремний, марганец, алюминий, медь, магний, цирконий, иттрий, бор, лантан, церий, празеодим, неодим и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,35-0,55
Азот	0,02-0,05
Хром	28,0-36,0
Железо	3,0-5,0
Ниобий	1,0-2,0
Вольфрам	0,5-8,0
Молибден	0,2-0,6
Титан	0,05-0,6
Кремний	0,8-2,0
Марганец	0,8-1,5
Алюминий	0,1-1,0
Медь	0,1-1,0
Магний	0,01-0,1
Цирконий	0,005-0,15
Иттрий	0,008-0,1
Бор	0,007-0,01
Кальций	0,01-0,2
Барий	0,01-0,3
Церий	0,022-0,063
Лантан	0,006-0,027
Неодим	0,002-0,005
Празеодим	0,005-0,008
Никель	Остальное,

при выполнении следующих условий: суммарное содержание кальция и бария не превышает 0,31 мас.%.