пригодный для сварки, жаропрочный, стойкий к окислению сплав
Классы МПК: | C22C19/05 с хромом C22C30/00 Сплавы, содержащие менее 50% по массе каждого компонента B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C |
Автор(ы): | КЛЭРСТРОМ Двейн Л. (US), МЭТЬЮС Стивен Дж. (US), ИШВАР Венкат Р. (US) |
Патентообладатель(и): | ХЭЙНЕС ИНТЕРНЭШНЛ, ИНК. (US) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-12-12 публикация патента:
20.02.2014 |
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным, стойким к окислению сплавам, пригодным для сварки. Сплав содержит следующие компоненты, масс.%: 25-32 железа, 18-25 хрома, 3,0-4,5 алюминия, 0,2-0,6 титана, 0,2-0,4 кремния, 0,2-0,5 марганца, до 2,0 кобальта, до 0,5 молибдена, до 0,5 вольфрама, до 0,01 магния, до 0,25 углерода, до 0,025 циркония, до 0,01 иттрия, до 0,01 церия, до 0,01 лантана, никель и примеси - остальное. Содержание Al+Ti составляет от 3,4 до 4,2 масс.%, а хром и алюминий присутствуют в таких количествах, чтобы отношение Cr/Al составляло от 4,5 до 8. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью, стойкостью к окислению, низкой склонностью к образованию и росту сварочных трещин при затвердевании и хорошей стойкостью к растрескиванию в результате деформационного старения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 17 табл.
Формула изобретения
1. Жаропрочный, стойкий к окислению сплав, пригодный для сварки, содержащий, мас.%: 25-32 железа, 18-25 хрома, 3,0-4,5 алюминия, 0,2-0,6 титана, 0,2-0,4 кремния, 0,2-0,5 марганца, до 2,0 кобальта, до 0,5 молибдена, до 0,5 вольфрама, до 0,01 магния, до 0,25 углерода, до 0,025 циркония, до 0,01 иттрия, до 0,01 церия, до 0,01 лантана, никель и примеси - остальное, причем содержание Al+Ti составляет от 3,4 до 4,2, а хром и алюминий присутствуют в таких количествах, чтобы отношение Cr/Al составляло от 4,5 до 8.
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит, мас.%: 26,8-31,8 железа, 18,9-24,3 хрома, 3,1-3,9 алюминия, 0,3-0,4 титана, 0,25-0,35 кремния, 0,2-0,4 марганца, до 0,005 каждого из иттрия, церия и лантана, до 0,06 углерода, менее 0,004 бора, менее 0,01 циркония, никель и примеси - остальное.
3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание Al+Ti составляет от 3,8 до 4,2 мас.%.
4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что содержание Al+Ti составляет от 3,9 до 4,1 мас.%.
5. Сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение Cr/Al составляет от 5,0 до 7,0.
6. Сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение Cr/Al составляет от 5,2 до 7,0.
7. Сплав по п.1, отличающийся тем, что ниобий присутствует в качестве примеси в количестве, не превышающем 0,15 мас.%.
8. Жаропрочный, стойкий к окислению сплав, пригодный для сварки, включающий следующие компоненты, мас.%: 27,5 железа, 20 хрома, 3,75 алюминия, 0,25 титана, 0,05 углерода, 0,3 кремния, 0,25 марганца, никель и примеси - остальное.
Описание изобретения к патенту
Область применения
Изобретение относится к коррозионно-устойчивым сплавам на основе никеля, содержащим хром, алюминий и железо.
Предпосылки создания изобретения
Существует много коррозионно-устойчивых сплавов на основе никеля, содержащих хром и другие элементы, выбранные для того, чтобы обеспечить коррозионную устойчивость, особенно в коррозионной среде. Эти сплавы также содержат элементы, выбранные для того, чтобы обеспечить желаемые механические свойства, такие, как прочность на растяжение и пластичность. Многие из этих сплавов хорошо себя проявляют в некоторых средах и плохо в других коррозионных условиях. Некоторые сплавы, которые обладают отличной коррозионной устойчивостью, являются труднодсформируемыми и трудносвариваемыми. Поэтому, в области металлургии непрерывно совершенствуются сплавы, которые сочетают коррозионную устойчивость и способность поддаваться обработке, обеспечивая сплавам легкость формовки в емкости, трубы и другие формы, которые имеют длительный срок службы.
Патент Великобритании No. 1,512,984 предоставляет информацию о сплаве на основе никеля с номинальным содержанием 8-25% хрома, 2.5-8% алюминия и до 0.04% иттрия, который получают с помощью электрошлакового переплава электрода, который должен содержать более 0.02% иттрия. Американский патент No. 4,671,931 рекомендует применять от 4 до 6 процентов алюминия в никель-хром-алюминиевом сплаве для достижения исключительной стойкости к окислению путем образования обогащенной оксидом алюминия защитной окалины. Стойкость к окислению также увеличена путем добавления в сплав иттрия. Содержание железа ограничено до 8% максимум. Высокое содержание алюминия приводит к выделению осадков первичной гамма-фазы Ni3Al, которые обеспечивают высокую прочность при высокой температуре, особенно около 1400°F. Американский патент No. 4,460,542 описывает безиттриевый сплав на основе никеля, содержащий 14-18% хрома, 1.5-8% железа, 0.005-0.2% циркония, 4.1-6% алюминия и очень маленькое количество иттрия, не превышающее 0.04%, который обладает отличной стойкостью к окислению. Сплав в рамках этого патента был переведен на промышленную основу в качестве сплава HAYNES® 214®. Этот сплав содержит 14-18% хрома, 4.5% алюминия, 3% железа, 0.04% углерода, 0.03% циркония, 0.01% иттрия, 0.004% бора и никель - остальное.
Yoshitaka et al. в патенте Японии No. 06271993 описывает сплав на основе железа, содержащий 20-60% никеля, 15-35% хрома и 2.5-6.0% алюминия, который требует менее, чем 0.15% кремния и менее чем 0.2% титана.
Европейский патент No. 549 286 предоставляет информацию о никель-железо-хромовом сплаве, в котором должно быть 0.045-0.3% иттрия. Требуемые высокие уровни содержания иттрия не только увеличивают стоимость сплава, но также могут сделать сплав непригодным для производства труднодеформируемого сплава из-за образования никель-иттриевых соединений, которые вызывают растрескивание в процессе горячей обработки.
Патент США No. 5,660,938 предоставляет информацию о сплаве на основе железа с содержанием никеля 30-49%, хрома 13-18% хрома, 1.6-3.0% алюминия и 1.5-8% одного или более элементов Групп IVa и Va. Этот сплав содержит недостаточное количество алюминия и хрома для того, чтобы обеспечить образование защитной пленки оксида алюминия в условиях высокотемпературного окисления. Кроме того, элементы Групп IVa и Va могут способствовать образованию первичной гамма-формы, которая понижает пластичность при высокой температуре. Такие элементы, как цирконий, могут также вызывать образование серьезных горячих трещин в сварных швах во время затвердевания.
Патент США No. 5,980,821 предоставляет информацию о сплаве, который содержит только 8-11% железа и 1.8-2.4% алюминия и требует 0.01-0.15% иттрия и 0.01-0.20% циркония.
Сплавы, перечисленные в вышеуказанных патентах, имеют проблемы, связанные со сваркой и формовкой, вызванные в значительной степени присутствием алюминия, особенно, если его содержание в сплаве составляет от 4 до 6%. В этих сплавах выделение осадков первичной гамма формы Ni3Al может происходить быстро во время охлаждения в заключительной операции отжига, что приводит к относительно высокому пределу текучести при комнатной температуре и соответствующей низкой пластичности даже в отожженном состоянии. Это делает сгибание и формовку более трудными по сравнению с твердым раствором упрочненного сплава на основе никеля. Высокое содержание алюминия также вносит проблемы, связанные с растрескиванием в результате деформационного старения во время сварки и последующей закалки. Эти сплавы также склонны к образованию усадочных трещин во время сварки и, в действительности, для сварки промышленного сплава, известного как сплав HAYNES® 214®, требуется химически модифицированный присадочный металл. Эти проблемы препятствуют развитию сварных трубных изделий и ограничивают рост рынка этого сплава.
Сущность изобретения
Сплав настоящего изобретения решает эти проблемы путем снижения отрицательного воздействия первичной гамма формы на высокотемпературную пластичность с помощью значительных добавок железа в диапазоне 25-32% и снижения уровней содержания алюминий+титан до диапазона 3.4-4.2%. Кроме того, добавки иттрия не требуются и могут быть заменены добавками мишметалла.
Недостатки известных сплавов Ni-Cr-Al-Y были устранены путем изменения состава с помощью замены никеля более высоким уровнем содержания железа. К тому же, был снижен уровень содержания алюминия, предпочтительно, примерно до 3% с текущего уровня 4.5%, являющегося обычным уровнем содержания для 214 сплава. Это снижение уменьшает объем фракции первичной гамма-формы, которая может выделяться в сплаве и улучшает устойчивость сплава к растрескиванию в результате деформационного старения. Это позволяет улучшить технологичность производства трубных изделий, а также обработку сварных швов для конечного потребителя. Также был увеличен уровень содержания хрома в сплаве, примерно до 18-25%, для обеспечения достаточной стойкости к окислению при пониженном уровне содержания алюминия. Незначительные количества кремния и марганца также были добавлены для улучшения стойкости к окислению.
Предлагается сплав на основе никеля, который содержит компоненты в следующем соотношении, масс.%: 25-30 железа, 18-25 хрома, 3.0-4.5 алюминия, 0.2-0.6 титана, 0.2-0.4 кремния и 0.2-0.5 марганца. Сплав может также содержать иттрий, церий и лантан в количествах до 0.01%. Углерод может присутствовать в количестве до 0.25%. Бор может содержаться в сплаве в количестве до 0.04%, цирконий может присутствовать в количестве до 0.02%. Остальное составляют никель и примеси. К тому же, общее содержание алюминия и титана должно быть между 3.4% и 4.2% и отношение хрома к алюминию должно быть, примерно, от 4.5 до 8.
Предлагается предпочтительная композиция сплава, состоящая из 26.8-31.8% - железа, 18.9-24.3% хрома, 3.1-3.9% алюминия, 0.3-0.4% титана, 0.2-0.35% кремния, 0.2%-0.4% марганца, до 0.005% каждого из иттрия, церия и лантана, до 0.06% углерода, менее 0.002% бора, менее 0.001% циркония, никель и примеси - остальное.
Предпочтительно также, чтобы общее содержание алюминия и титана было между 3.4% и 4.3%, и отношение хрома к алюминию было от 5.0 до 7.0.
Наиболее предпочтительная композиция содержит 27.5% железа, 20% хрома, 3.75% алюминия, 0.25% титана, 0.05% углерода, 0.3% кремния, 0.3% марганца, следы циркония и лантана, никель и примеси - остальное.
Другие предпочтительные композиции и преимущества данного сплава будут видны из описания предпочтительных вариантов изобретения и данных испытаний, которые приведены далее.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 является графиком, показывающим относительное удлинение при растяжении при 1400°F в зависимости от содержания Al+Ti.
Фигура 2 является графиком, показывающим относительного удлинения при растяжении при 1400°F в зависимости от отношения Cr/Al.
Фигура 3 является графиком, показывающим среднее количество подвергшегося воздействию металла в зависимости от отношения Cr/Al. в статических условиях испытания при 1800°F.
Фигура 4 является графиком, показывающим влияние содержания кремния на относительное удлинение при растяжении при 1400°F.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Пять плавок весом по 50 фунтов были расплавлены в индукционно-вакуумной печи (VIM), переплавлены методом электрошлакового переплава (ESR), подвергнуты процессу ковки и горячей прокатки при 2150°F в лист толщиной до 0.188'', холодной прокатке до листа толщиной до 0.063, и отожжены при 2000°F.
Пять сплавов имели химический состав, показанный в Таблице I:
Таблица I | |||||
Композиция, масс.% | |||||
Плавка А | Плавка В | Плавка С | Плавка D | Плавка Е | |
Ni | 52.39 | 61.44 | 55.84 | 60.07 | 50.00 |
Fe | 24.63 | 14.00 | 20.04 | 15.19 | 25.05 |
Al | 3.0 | 3.28 | 3.49 | 4.06 | 3.86 |
Cr | 19.50 | 19.67 | 19.72 | 19.86 | 19.51 |
С | 0.047 | 0.049 | 0.046 | 0.05 | 0.051 |
B | 0.004 | 0.004 | 0.003 | 0.005 | 0.004 |
Zr | 0.02 | 0.05 | 0.05 | 0.02 | 0.02 |
Mn | 0.23 | 0.23 | 0.23 | 0.23 | 0.24 |
Si | 0.009 | 0.003 | 0.015 | 0.010 | 0.028 |
Y | 0.001 | 0.008 | 0.005 | 0.007 | 0.006 |
Оценка образов этих сплавов и коммерческой плавки 214 сплава производилась испытанием на статическое окисление при 1800°F и испытанием на растяжение регулируемой скоростью нагрева (CHRT) для измерения механических свойств. Испытание регулируемой скоростью нагрева послужило инструментом для определения склонности сплава к растрескиванию в результате деформационного старения. Оказалось, что сплавы, которые имеют очень низкий процент относительного удлинения при минимальной усредненной пластичности, более склонны к растрескиванию в результате деформационного старения.
Результаты испытаний представлены в Таблицах II и III. Результаты испытания сплавов от А до Е приводят к заключению, что сплав Е является лучшим примером сплава, который обладает свойствами, близкими к желаемым. Например, он имеет: 1) стойкость к окислению при 1800°F, которая идентична 214 сплаву, и 2) CHRT пластичность при 1400°F, которая в шесть раз превышает 214 сплав. Единственным важным недостатком был предел текучести при 1400°F (как измерено в CHRT испытании). Он был значительно ниже, чем для 214 сплава (44.2 ksi vs. 71,9 ksi).
Таблица II | |||||||||||
Результаты испытания на окисление при 1800°F в потоке воздуха (1008 часов). | |||||||||||
Плавка А | Плавка В | Плавка С | Плавка D | Плавка Е | 214 сплав, контрольный образец | ||||||
Потеря металла (миль/поверхность) | 0.06 | 0.07 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.04 | |||||
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль | 0.16 | 0.45 | 0.33 | 0.35 | 0.15 | 0.19 | |||||
Среднее воздействие на металл, миль | 0.22 | 0.52 | 0.38 | 0.4 | 0.19 | 0.23 | |||||
Таблица III | |||||||||||
Результаты испытания на растяжения Регулирующим Скорость Нагрева Испытанием (CHRT) при 1400°F | |||||||||||
Плавка А | Плавка В | Плавка С | Плавка D | Плавка Е | 214 сплав | ||||||
0.2% предела текучести (YS), ksi | 32.2 | 48.5 | 47.2 | 53.2 | 44.2 | 71.9 | |||||
Макс.предел прочности на разрыв (UTS), ksi | 32.9 | 55.5 | 51.3 | 61.4 | 48.9 | 87.1 | |||||
Относительное удлинение, % | 104 | 35 | 40 | 23.5 | 49.3 | 7.2 |
Были расплавлены дополнительно три плавки и обработаны в лист для развития способов улучшения предела текучести при 1400°F с помощью добавления небольшого количества элементов Группы Vb для уменьшения размера зерна. Экспериментальные плавки были обработаны до толщины листа 0.125'', который был отожжен при 2050°F для получения более тонкого размера зерна, чем плавки Примера 1. Три сплава номинальных композиций показаны в Таблице IV.
Таблица IV | |||
Композиция экспериментальных плавок, масс.% | |||
Элемент | Плавка F | Плавка G | Плавка H |
Ni | 45.86 | 45.68 | 45.6 |
Fe | 29.61 | 30.32 | 29.87 |
Al | 3.66 | 3.69 | 3.91 |
Cr | 19.73 | 19.53 | 19.81 |
С | 0.056 | 0.059 | 0.054 |
В | 0.004 | 0.004 | 0.004 |
Zr | 0.02 | 0.02 | 0.02 |
Mn | 0.20 | 0.20 | 0.19 |
Si | 0.27 | 0.27 | 0.27 |
Y | <0.005 | <0.005 | <0.005 |
Ti | - | 0.26 | - |
V | - | - | 0.20 |
Сплав F не имеет измельчающих добавок, сплав G содержит припой AIM на основе титана 0.3% и сплав Н содержит добавку ванадия (0.3% AIM). Легирующая добавка кремния также вводилась в эти сплавы. Сплавы были испытаны таким же способом, как и сплавы А-Е, за исключением стандартных испытаний на растяжение при 1400°F, которые проводились вместо многократных испытаний CHRT. Результаты показаны в Таблице V и VI.
Таблица V | ||||
Результаты испытания на окисление в потоке воздуха при 1800°F (1008 часов) | ||||
Сплав F | Сплав G | Сплав Н | 214 сплав | |
Потеря металла, миль/поверхность | 0.10 | 0.05 | 0.08 | 0.04 |
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль | 0.66 | 0.38 | 0.58 | 0.39 |
Среднее воздействие на металл, миль | 0.75 | 0.43 | 0.63 | 0.43 |
Таблица VI | ||||
Результаты испытания на растяжение | ||||
Плавка F | Плавка G | Плавка Н | 214 сплав | |
0.2% предела текучести(YS), ksi | 45.9 | 57.8 | 50.1 | 80 |
Макс. предел прочности на разрыв (UTS), ksi | 57.4 | 70.9 | 59.8 | 102 |
Относительное удлинение, % | 60.3 | 30.8 | 49.0 | 17 |
Результаты испытания сплавов показали более высокое окисление для сплава Е при 1800°F и более высокий предел текучести для сплава G при 1400°F по сравнению со сплавом Е. Ни одна из этих композиций сплавов не обладала всеми желаемыми свойствами.
Другие серии экспериментальных композиций с базовым химическим составом в промежутке между сплавом Е и сплавом G были расплавлены и переработаны в лист таким же способом, как и в предыдущих примерах. Основной целевой композицией был сплав, состоящий из Ni-27.5 Fe-19.5 Cr-3.8 Al. Легирующие добавки иттрия, которые обычно добавлялись к сплаву, состав которого описан в Американском патенте No. 4,671,931, для повышения стойкости к окислению, не вводились. Все экспериментальные плавки в этой группе, тем не менее, имели постоянную добавку мишметалла для введения следовых количеств редкоземельных элементов (главным образом церия и лантана). Титан добавлялся в маленьких количествах к сплаву G, что являлось одним из возможных способов повышения предела текучести при 1400°F. Для трех сплавов из четырех, в примере 3, содержание титана было увеличено примерно от 0.25% до 0.45%. Уровень кремния также колебался. Две плавки не имели легирующих добавок кремния, в то время как другие плавки содержали легирующие добавки кремния около 0.3%. Композиции экспериментальных плавок представлены в Таблице VII. Результаты оценки представлены в Таблицах VIII, IX и X.
Таблица VII | ||||
Композиции экспериментальных плавок, масс.% | ||||
Элемент | Плавка I | Плавка J | Плавка К | Плавка L |
Ni | 49.02 | 49.11 | 48.34 | 49.05 |
Fe | 27.73 | 27.38 | 27.52 | 27.28 |
Al | 3.80 | 3.99 | 3.87 | 4.00 |
Cr | 19.22 | 19.31 | 19.42 | 19.00 |
С | 0.05 | 0.048 | 0.051 | 0.051 |
В | <0.002 | <0.002 | <0.002 | 0.004 |
Zr | <0.01 | <0.01 | <0.01 | 0.02 |
Mn | 0.2 | 0.21 | 0.18 | 0.2 |
Si | 0.31 | 0.02 | 0.29 | 0.02 |
Ti | 0.03 | 0.46 | 0.43 | 0.41 |
Y | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 |
Ce | 0.006 | <0.005 | <0.005 | <0.005 |
La | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 |
Таблица VIII | |||||
Результаты испытания на окисление при 1800°F в потоке воздуха (1008 часов) | |||||
Плавка I | Плавка J | Плавка К | Плавка L | 214 контрольный сплав | |
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль | 0.29 | 0.06 | 0.11 | 0.51 | 0.39 |
Среднее воздействие на металл, миль | 0.29 | 0.09 | 0.14 | 0.54 | 0.43 |
Таблица IX | |||||
Результаты испытания на растяжение | |||||
Плавка I | Плавка J | Плавка К | Плавка L | 214 сплав | |
0.2% предела текучести (YS), ksi | 43.8 | 59.0 | 59.9 | 61.8 | 80 |
Макс.предел прочности на разрыв (UTS), ksi | 56.4 | 69.2 | 71.0 | 72.0 | 102 |
Относительное удлинение, % | 38.8 | 8.4 | 16.4 | 15.9 | 17 |
Данные результатов испытания на растяжение при 1400°F показывают значительный эффект. Пластичность упала с 38% для сплава I (3.8% Al и отсутствие титана) до уровня 8-16% для других трех сплавов (J, К и L), содержащих примерно от 3.9 до 4.0% Al и 0.45% титана. Это указывает на то, что Ni-Fe-Cr-Al сплав настоящего изобретения был чувствительным к общему содержанию алюминия и титана (элементам, образующим первичную гамма-фазу). Низкие значения пластичности в диапазоне 1400°F служат признаком выделения первичной гамма-фазы.
Результаты испытания на окисление при 1800°F были обнадеживающими. Средние результаты воздействия на металл показывают, что стойкость к окислению была в целом лучше, чем сплава G. Сплав J, например, имел очень ограниченное внутреннее окисление и имел лучшие при 1800°F окислительные характеристики (0.09 миль) из всех испытанных экспериментальных сплавов.
Образцы экспериментальных плавок были также испытаны на окисление в потоке воздуха. Это испытание, в котором образцы помещаются во вращающуюся карусель, которая подвергается воздействию газообразных продуктов горения со скоростью 0.3 маха. Каждые 30 минут карусель выводилась из зоны горения и охлаждалась воздухом, нагнетаемым при температуре менее чем 300°F. Карусель затем возвращалась обратно в зону горения на следующие 30 минут. Испытание длилось около 1000 часов или 2000 циклов. В заключение испытания, образцы оценивались на потери металла и внутреннее окисление с помощью металлографических методов. Результаты представлены в Таблице X. Неожиданно, в условиях динамического испытания, сплав J начал работать плохо, и фактически был снят с испытания после завершения 889 часов. Испытываемые образцы показали признаки повреждения оксидной пленки, как и образцы сплава L. Одним из изменений при воспроизведении экспериментальных составов сплавов от I до L являлось добавление кремния (0.3%). Сплавы J и L были расплавлены без введения легирующих добавок кремния, хотя сплавы I и К их имели. Далее выяснилось, что существует положительное воздействие добавок кремния на динамическую стойкость к окислению. В статическом окислении все результаты были менее, чем 0.6 миль, и испытание мало отличалось от испытания в динамических условиях. Более того, результаты для сплавов I и К показали меньшие средние значения воздействия на металл, чем в случае контрольного образца 214 сплава при том же режиме эксперимента. Только сплав К соответствовал всем свойствам, которые необходимо было достичь.
Таблица X | |||||
Результаты динамического испытания окисления при 1800°F/1000 часов | |||||
Плавка I | Плавка J | Плавка К | Плавка L | 214 контрольный сплав | |
Потеря металла, миль/сторона | 1.0 | 2.3 | 0.9 | 1.4 | 1.3 |
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль | 0.7 | 5.2 | 0.0 | 2.0 | 1.1 |
Среднее воздействие на металл, миль | 1.7 | 7.5 (1) | 0.9 | 3.4 | 2.4 |
(1) широкий разброс наблюдался в дублирующих образцах (например, 11.1 и 3.9 миль), оба образца начали повреждаться и были сняты после 889 часов. |
Серии шести экспериментальных сплавов были расплавлены и переработаны для анализа эффекта роста уровней хрома при одновременном снижении уровней алюминия и при сохранении постоянным уровня железа. Седьмая плавка была расплавлена для анализа высоких уровней железа и хрома. Эти композиции сплавов подверглись холодной прокатке в листы и отжигу при 2075°F 715 минут/закалка в воде. Целевые композиции показаны в Таблице XI. Результаты оценок показаны в Таблицах XII и XIII. Предел текучести имел тенденцию к росту с Al+Ti, что явилось неожиданностью. Должно быть видно, что оптимальный сплав будет требовать более, чем около 3.8% Al+Ti для достижения 1400°F уровней прочности более чем 50 Ksi, но в целом, минимальное значение 3.4 является приемлемым, как доказывают характеристики сплава Р. Все сплавы О, Р и S обладают свойствами, которые необходимо достичь.
Таблица XI | |||||||
Композиции экспериментальных сплавов, масс.% | |||||||
Элемент, масс.% | Плавка М | Плавка N | Плавка О | Плавка Р | Плавка Q | Плавка R | Плавка S |
Ni | 51.07 | 49.61 | 47.18 | 47.13 | 45.58 | 44.08 | 39.32 |
Cr | 15.98 | 18.04 | 20.2 | 21.86 | 23.94 | 25.9 | 24.26 |
Fe | 26.78 | 26.92 | 27.55 | 26.86 | 26.95 | 26.86 | 31.8 |
Al | 4.73 | 4.27 | 3.87 | 3.12 | 2.45 | 2.06 | 3.53 |
Ti | 0.36 | 0.34 | 0.35 | 0.34 | 0.32 | 0.32 | 0.32 |
Mn | 0.26 | 0.25 | 0.26 | <0.01 | 0.27 | 0.26 | 0.26 |
Si | 0.32 | 0.28 | 0.32 | 0.33 | 0.33 | 0.31 | 0.27 |
С | 0.054 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | 0.05 | 0.05 |
Y | <0.002 | <0.002 | <0.002 | <0.002 | <0.002 | <0.002 | <0.002 |
Ce | <0.005 | <0.006 | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.008 | <0.008 |
Al+Ti | 5.09 | 4.61 | 4.22 | 3.46 | 2.77 | 2.38 | 3.85 |
Cr/Al | 3.4 | 4.2 | 5.2 | 7.0 | 9.8 | 12.6 | 6.9 |
Таблица XII | |||||||
Результаты испытания на растяжение при 1400°F | |||||||
Плавка М | Плавка N | Плавка О | Плавка Р | Плавка Q | Плавка R | Плавка S | |
0.2% предела текучести (YS), ksi | 66.1 | 63.0 | 58.2 | 52.3 | 47.0 | 43.4 | 54.9 |
Макс.предел прочности на разрыв (UTS), ksi | 78.9 | 73.4 | 69.8 | 62.7 | 56.5 | 52.7 | 64.6 |
Относительное удлинение, % | 0** | 4.4 | 26.6 | 23.8 | 37.9 | 50.0 | 38.8 |
** оба образца разрушились в контрольной метке, установленные средние контрольные значения длины 3.7% |
Данные по пластичности при растяжении при 1400°F для шести экспериментальных сплавов (увеличение хрома при снижении алюминия) при постоянном уровне железа показано на Фигуре 1 в зависимости от объединенного содержания алюминия и титана. Относительное удлинение при растяжении при 1400°F имеет тенденцию к уменьшению при увеличении Al+Ti с резким падением пластичности при превышении Al+Ti около 4.2%. Поэтому для лучшего баланса свойств при повышенных температурах (например, прочность и хорошая пластичность) установлен критический верхний предел 4.2% Al+Ti. Из сплава S можно сделать заключение, что оптимальный сплав должен содержать более 3.8% Al+Ti для достижения соответствующего предела текучести при 1400°F, но менее чем 4.2% Al+Ti для сохранения соответствующей пластичности. График пластичности при растяжении при 1400°F в зависимости от отношения Cr/Al для экспериментальных сплавов Таблицы XI показан на Фигуре 2, иллюстрируя влияние роста отношения Cr/Al. Хорошая пластичность отмечена при отношении Cr/Al более 4.5. Это отношение может применяться к сплаву S, даже если он имеет более высокий уровень железа.
Результаты статического испытания на окисление 1400°F показаны в Таблице XIII и графике на Фигуре 3 как функции отношения Cr/Al при постоянном уровне железа. Значения, полученные для сплава N, были непостоянными и, следовательно, не включены в таблицу. Значительное влияние отношения Cr/Al видно из фигуры. Наилучшая стойкость к окислению была получена, когда отношение было примерно от 4.5 до 8. Стойкость к окислению сплава S была не такой хорошей, как плавок со значениями Cr/Al внутри этого диапазона, возможно, по причине более высокого содержания железа. Однако он имеет стойкость к окислению такую же хорошую, как 214 сплав, показанный в Таблице V.
Таблица XIII | ||||||
Результаты 1800°F статического испытания на окисление. | ||||||
Плавка М | Плавка О | Плавка Р | Плавка Q | Плавка R | Плавка S | |
Потеря металла, миль/сторона | 0.04 | 0.03 | 0.06 | 0.05 | 0.08 | 0.03 |
Средняя глубина внутреннего проникновения, миль | 0.15 | 0.14 | 0.11 | 0.26 | 0.49 | 0.36 |
Среднее воздействие на металл, миль | 0.26 | 0.17 | 0.17 | 0.31 | 0.57 | 0.39 |
Был получен один дополнительный сплав (Плавка Т). Он имел композицию, близкую к Плавке J в Таблице VII, сплаву, близкому к предпочтительному варианту этого изобретения, но содержание Al+Ti было ниже, и отношение Cr/Al было немного выше. К сплаву Т было добавлено небольшое количество кремния, тогда как к сплаву J кремний не добавлялся. Полученная композиция показана в Таблице XIV. Образцы холоднокатаного листа Плавки Т были подвергнуты воздействию 2100°F/15 минут отжига/RAC. Дублирующие испытания на растяжение были проведены при комнатной температуре и при повышении температуры от 1000 до 1800°F с интервалом в 200 градусов. Результаты представлены в Таблице XV. Было обнаружено, что начиная от 1000°F, предел текучести увеличивается до максимального значения при 1400°F (57 Ksi) и затем резко падает. Относительная пластичность наблюдалась при 1200°F - 1400°F при минимальном пластическом удлинении 12% при 1400°F. Удлинение в 12% было выше, чем у Плавки J (8.4%). Сплав Т обладал всеми необходимыми свойствами.
Таблица XIV | |
Композиция для сплава Т, масс. | |
Элемент | Плавка Е |
Ni | 48.78 |
Cr | 18.94 |
Fe | 27.3 |
Al | 3.82 |
Ti | 0.32 |
Al+Ti | 4.14 |
Si | 0.21 |
Mn | 0.21 |
С | 0.06 |
Y | <0.002 |
Се | <0.005 |
La | <0.005 |
Таблица XV | |||
Результаты испытания на растяжение для сплава Т | |||
Температура испытания, (°F) | 0.2% предела текучести (YS), ksi | Макс. предел прочности на разрыв (UTS), ksi | Относительное удлинение, % |
Комнатная температура | 42.6 | 100.9 | 51.1 |
1000 | 38.5 | 89.3 | 64.8 |
1200 | 52.0 | 76.0 | 18.2 |
1400 | 56.9 | 66.5 | 12.0 |
1600 | 13.9 | 20.1 | 115.8 |
1800 | 6.6 | 9.7 | 118.7 |
Представляет интерес, почему несколько сплавов, близких к предпочтительным вариантам сплавов K, O, Р, S и Т, имели разную пластичность при 1400°F. Например, почему пластичность Плавки N настолько выше, чем для сплавов J и Т? После обращения к существующему химическому анализу каждой плавки было обнаружено, что добавки кремния были полезными для пластичности сплавов при 1400°F, содержащих Al+Ti в диапазоне от 3.8% до 4.2%. Ссылаясь на четыре экспериментальные плавки в Таблице VII, необходимо заметить, что сплав К был расплавлен как кремний содержащий дубликат для «не содержащего кремний» сплава J. Содержание кремния в сплаве К было 0.29% и его пластичность при 1400°F была 16.4%, равная двойному значению для сплава J, не содержащему кремний. Фигура 4 является графиком зависимости % относительного удлинения четырех сплавов при 1400°F, имеющих примерно такую же композицию, и это показывает влияние кремния на улучшение горячей пластичности при растяжении. Это ясно показывает, что содержание кремния должно быть примерно около 0.2% для хорошей пластичности при 1400°F, и, таким образом, хорошей устойчивости к растрескиванию при деформационном старении. Это наблюдение было совершенно неожиданным.
Предполагалось, что это высокое содержание кремния может привести к проблеме свариваемости, известной как образование горячих трещин, которая возникает в шве металла во время затвердевания. Для проверки этого, образцы экспериментальных Плавок J, К, N и Т, которые имели похожие композиции, за исключением содержаний кремния, были оценены с помощью проведения уменьшенной модели испытания Varestraint test. Образцы сплава Е, которые были испытаны, включены для иллюстрации негативного воздействия бора и циркония. Результаты обобщены в Таблице XVI.
Таблица XVI | ||||||
Результаты уменьшенной модели испытания Varestraint test на свариваемость: (общая длина трещины при увеличении деформации на 1.6%). Значения, представленные в милях, являются средним значением двух испытаний | ||||||
Плавка J | Плавка Т | Плавка К | Плавка N | Плавка Е | Ссылка 2 сплав | |
% Si | 0.02 | 0.21 | 0.29 | 0.32 | 0.028 | нет |
B, Zr, % | - | - | - | - | 0.004, 0.02 | нет |
Средняя общая длина трещины, миль | 78 | 77 | 80 | 109 | 153 | 171 |
Данные показывают, что неблагоприятное воздействие добавок кремния отсутствовало до его содержания 0.29%. Когда содержание кремния было выше примерно 0.3%, склонность к образованию и росту горячих сварочных трещин увеличилась примерно на 40%. Однако, наблюдалось, что склонность сплава N к образованию и росту горячих сварочных трещин была по-прежнему ниже, чем 214 сплава. Результаты для сплава Е показывают, что присутствие бора и циркония оказывает отрицательное воздействие на склонность к образованию и росту горячих сварочных трещин. Эти элементы обычно добавляются к 214 сплаву. Если эти элементы убрать из сплава Е и добавить от 0.2 до 0.6 титана и от 0.2 до 0.4 кремния, в этом случае можно ожидать, что полученный сплав будет иметь хорошую устойчивость к образованию и росту горячих сварочных трещин и всеми свойствами, заявленными в этом изобретении. Этот модифицированный сплав Е будет содержать 25.05% железа, 3.86% алюминия, 19.51% хрома, 0.05% углерода, менее 0.025% циркония, 0.2-0.4% кремния, 0.2-0.6% титана, менее 0.005% каждого из иттрия, церия и лантана, никель и примеси остальное.
Таблица XVII | ||||||
Сплавы, обладающие желаемыми свойствами | ||||||
Модиф. сплав E | Плавка К | Плавка О | Плавка P | Плавка S | Плавка T | |
Ni | остальное | 48.34 | 47.18 | 47.13 | 39.32 | 48.78 |
Fe | 25.05 | 27.28 | 27.55 | 26.86 | 31.8 | 27.3 |
Al | 3.86 | 3.87 | 3.87 | 3.12 | 3.53 | 3.82 |
Cr | 19.51 | 19.42 | 20.2 | 21.86 | 24.26 | 18.94 |
С | 0.05 | 0.051 | 0.06 | 0.06 | 0.05 | 0.06 |
В | <0.002 | - | - | - | - | |
Zr | <0.025 | <0.01 | - | - | - | - |
Mn | 0.18 | 0.26 | <0.01 | 0.26 | 0.21 | |
Si | 0.2-0.4 | 0.29 | 0.32 | 0.33 | 0.27 | 0.21 |
Ti | 0.2-0.6 | 0.43 | 0.35 | 0.34 | 0.32 | 0.32 |
Y | <0.005 | <0.005 | <0.002 | <0.002 | <0.002 | <0.005 |
Ce | <0.005 | <0.005 | <0.005 | <0.005 | 0.008 | <0.005 |
La | <0.005 | <0.005 | - | - | - | <0.005 |
Al+Ti | 4.06-4.26 | 3.83 | 4.22 | 3.46 | 3.85 | 4.14 |
Cr/Al | 5.0 | 5.0 | 5.2 | 7.0 | 6.8 | 5.0 |
-He измерялись |
Таблица XVII содержит результаты испытания сплавов, обладающих желаемыми свойствами, и композиция каждого сплава приводится в сравнении с модифицированной Плавкой Е.
На основании этой Таблицы и фигур можно сделать вывод о том, что желаемые свойства могут быть получены в сплаве, содержащем 25-32% железа, 18-25% хрома, 3.0-4.5% алюминия, 0.2-0.6% титана, 0.2-0.4% кремния и 0.2-0.5% марганца. Сплав может также содержать иттрий, церий и лантан в количестве до 0.01% каждого. Углерод может присутствовать в количестве до 0.25%, но, как правило, будет присутствовать на уровне менее чем 0.10%. Бор может присутствовать в сплаве до 0.004% и цирконий до 0.025%. Марганец может присутствовать до 0.01%. Следовые количества ниобия могут присутствовать до 0.01%. Каждый из вольфрама и молибдена может присутствовать в количестве до 0.5%. До 0.2% в сплаве может присутствовать кобальт. Никель и примеси - остальное. К тому же, общее содержание алюминия и титана должно быть между 3.4% и 4.2% и отношение хрома к алюминию должно быть примерно от 4.5 до 8. Однако более желательные свойства будут обнаружены в сплавах, которые содержат 26.8-31.8% железа, 18.9-24.3% хрома, 3.1-3.9% алюминия, 0.3-0.4% титана, 0.25-0.35% кремния, до 0.35% марганца, до 0.005% каждого из иттрия, церия и лантана, до 0.06% углерода, менее 0.004% бора, менее 0.01% циркония, никель и примеси - остальное. Предпочтительно, чтобы общее количество алюминия и титана было от 3.4% до 4.2% и чтобы отношение хрома к алюминию было от 5.0 до 7.0.
Можно сделать заключение, что оптимальная композиция сплава для достижения желаемых свойств должна содержать 27.5% железа, 20% хрома, 3.75% алюминия, 0.25% титана, 0.05% углерода, 0.3% кремния, 0.25% марганца, до 0.015% следовые количества церия и лантана, никель и примеси - остальное.
Несмотря на то, что было дано описание определенных предпочтительных вариантов сплава, необходимо понимать, что этот сплав ими не ограничивается и может быть осуществлен разными способами в пределах приведенной ниже формулы изобретения.
Класс C22C30/00 Сплавы, содержащие менее 50% по массе каждого компонента
Класс B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C