×
10.03.2015
216.013.2f57

ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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.
Реферат Свернуть Развернуть

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 . 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.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 41-50 из 51.
20.05.2019
№219.017.5d50

Способ производства листов из хладостойкой стали

Изобретение относится к технологии производства листового проката, предназначенного для изготовления деталей и узлов конструкций, работающих при низких температурах, например контейнеров для перевозки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива. Для повышения хладостойкости листов из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002394108
Дата охранного документа: 10.07.2010
20.05.2019
№219.017.5d51

Состав порошковой проволоки для сварки труб категории прочности х90

Изобретение может быть использовано для автоматической и механизированной сварки в среде защитных газов низколегированных трубных сталей категории прочности Х90. Порошковая проволока содержит, мас.%: двуокись титана 4,21-7,32; полевой шпат 0,50-1,50; электрокорунд 0,21-0,71; плавиковый шпат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002387527
Дата охранного документа: 27.04.2010
20.05.2019
№219.017.5d58

Способ термической обработки полуфабрикатов из низкоуглеродистых ферритоперлитных сталей

Изобретение относится к технологии термической обработки поковок, предназначенных для изготовления деталей и узлов, работающих при низких температурах, например, контейнеров для перевозки и длительного хранения (более 50 лет) отработавшего ядерного топлива. Техническим результатом изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002373292
Дата охранного документа: 20.11.2009
20.05.2019
№219.017.5d59

Сварочная проволока для сварки жаропрочных жаростойких сплавов

Изобретение может быть использовано при создании ответственных конструкций из жаростойких жаропрочных сплавов на железохромоникелевой основе, в частности для изготовления реакционных змеевиков высокотемпературных установок пиролиза, подвергающимся значительным статическим нагрузкам, работающих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002373039
Дата охранного документа: 20.11.2009
30.05.2019
№219.017.6bda

Способ оксидирования титанового сплава для антифрикционной наплавки

Изобретение относится к сварочным материалам для специальных наплавок при изготовлении изделий из титановых сплавов. Способ включает микродуговое оксидирование МДО в электролите под напряжением, при этом в качестве электролита используют раствор фосфатов или силикатов, а процесс МДО ведут в два...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002367728
Дата охранного документа: 20.09.2009
09.06.2019
№219.017.79a8

Суспензия для получения покрытия

Изобретение относится к области стекломатериалов для функциональных покрытий с необходимыми электрофизическими свойствами. Технический результат изобретения заключается в разработке состава суспензии для получения покрытий для снятия статических электрических зарядов, работающего в диапазоне...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002399595
Дата охранного документа: 20.09.2010
09.06.2019
№219.017.79e4

Смесь для изготовления литейных форм и стержней

Изобретение относится к области литейного производства. Смесь содержит в мас.%: огнеупорный наполнитель в виде порошка недоплава производства электротехнического периклаза 40,0-50,0, связующее в виде жидкого стекла 5,0-12,0 и порошок лома использованных литейных форм из недоплава 45,0-48,0....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002312732
Дата охранного документа: 20.12.2007
09.06.2019
№219.017.7a36

Способ гранулирования флюса

Изобретение относится к методам гранулирования флюсов для сварки низколегированных хладостойких сталей и сплавов, широкого диапазона составов и может быть применено во всех отраслях промышленности, производящих сварочные материалы, для сварки сталей и сплавов широкого диапазона составов, в том...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002387521
Дата охранного документа: 27.04.2010
09.06.2019
№219.017.7ab0

Титановый сплав для трубопроводов и трубных систем теплообменного оборудования атомной энергетики

Изобретение относится к металлургии титановых сплавов, содержащих в качестве основы титан с заданным отношением легирующих и примесных элементов, и предназначено для использования в судовом и энергетическом машиностроении при производстве трубопроводов и сварных трубных систем, отвечающих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002351671
Дата охранного документа: 10.04.2009
09.06.2019
№219.017.7c90

Способ сварки плавлением меди и ее сплавов со сталями

Изобретение может быть использовано в машиностроении, судостроении и других отраслях промышленности при изготовлении различных узлов и конструкций, включающих соединения медных сплавов со сталями, кроме деталей или изделий из оловянных бронз. Предварительно на кромку стальной детали наплавляют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002325252
Дата охранного документа: 27.05.2008
Показаны записи 41-50 из 69.
12.04.2019
№219.017.0c1a

Корпус транспортного средства

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования обводов корпуса транспортного средства. Корпус транспортного средства состоит из носовой оконечности, центральной части и кормовой оконечности и содержит движители в носовой и кормовой оконечностях. Корпус выполнен...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002457146
Дата охранного документа: 27.07.2012
19.04.2019
№219.017.3395

Высокопрочная немагнитная сталь

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным высокопрочным, немагнитным, коррозионно-стойким сталям, используемым в качестве конструкционных материалов в судостроении, энергетике, машиностроении и др. отраслях промышленности. Сталь содержит углерод, кремний, марганец,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002447186
Дата охранного документа: 10.04.2012
29.04.2019
№219.017.4500

Жаропрочная сталь для энергетического оборудования

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочной стали, используемой для изготовления рабочих лопаток, роторов и других деталей паровых турбин, работающих на суперсверхкритических параметрах пара. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002404281
Дата охранного документа: 20.11.2010
18.05.2019
№219.017.5614

Печь пиролиза для производства непредельных углеводородов

Изобретение может быть использовано для производства этилена и других непредельных углеводородов. Пирогазовый поток подают через подающие магистрали 1 во входные патрубки двух впускных тройников 2. Пройдя через четыре выходных патрубка двух впускных тройников 2, пирогазовый поток поступает в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002345122
Дата охранного документа: 27.01.2009
18.05.2019
№219.017.5ad3

Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам системы алюминий-магний, используемым для сварных конструкций в судостроении, авиакосмической технике и транспортном машиностроении. Сплав на основе алюминия, используемый для сварных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002431692
Дата охранного документа: 20.10.2011
20.05.2019
№219.017.5d4c

Легированный электрод для сварки теплоустойчивых сталей

Изобретение может быть использовано для сварки конструкций из легированных теплоустойчивых хромомолибденовых сталей, работающих при температуре плюс 450°С. Стержень электрода выполнен из легированной стали с ограниченным содержанием цветных примесей, серы и фосфора. Нанесенное на стержень...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002398666
Дата охранного документа: 10.09.2010
20.05.2019
№219.017.5d4e

Состав сварочной проволоки

Изобретение относится к металлургии сложнолегированных сварочных материалов и может быть использовано для сварки деталей из сталей перлитного класса между собой или для приварки к деталям из стали аустенитного класса. Предложен состав сварочной проволоки, масс.%: углерод 0,08-0,12, кремний...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002393075
Дата охранного документа: 27.06.2010
20.05.2019
№219.017.5d50

Способ производства листов из хладостойкой стали

Изобретение относится к технологии производства листового проката, предназначенного для изготовления деталей и узлов конструкций, работающих при низких температурах, например контейнеров для перевозки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива. Для повышения хладостойкости листов из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002394108
Дата охранного документа: 10.07.2010
20.05.2019
№219.017.5d59

Сварочная проволока для сварки жаропрочных жаростойких сплавов

Изобретение может быть использовано при создании ответственных конструкций из жаростойких жаропрочных сплавов на железохромоникелевой основе, в частности для изготовления реакционных змеевиков высокотемпературных установок пиролиза, подвергающимся значительным статическим нагрузкам, работающих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002373039
Дата охранного документа: 20.11.2009
20.05.2019
№219.017.5d5b

Листовая хладостойкая сталь для высоконагруженных конструкций контейнерной техники атомной и термоядерной энергетики

Изобретение относится к области металлургии, а именно к листовой хладостойкой стали, используемой в атомном энергомашиностроении при серийном производстве высоконадежной контейнерной техники для транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002413782
Дата охранного документа: 10.03.2011
+ добавить свой РИД