автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение долговечности хромоникелевого сплава и аустенитной стали при ползучести путем оптимизации состава и рабочих параметров

л я

На правах рукописи

.Г: О

Мамедова Ирина Юрьевна

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ Х»-оМОНИКЕЛЕВОГО СПЛАВА И АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ ПРИ ПОЛЗУЧГХТИ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА И РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение

в машккоггроеннн (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995г.

Рабата выполнена в Московской Государственном акалемии приборостроения и информатики

Научный руководитель: члем-корр.АТН, доктор технических наук, профессор В.И.Куманин

Научный консультант: кандидат технических наук, лмект Л.А. Ковалева.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущее ¡релпрнятие: Всероссийский НИИ липа'.ионных 'материалог г.Москьл.

Защита диссертации состоится 3t) mas 1995г. i часов

на з;,.сдаи1|и согета К 063.93.01 в Московской Г<icv.i ij f itenлой

академии .риборостроения и информатики по адресу: 107846, Москьа, у ч.Стромынка, 20.

Г.А. Туляков.

кандидат технишсшк наук, доцент С.Н. Круглое.

Aiijc-pi , jpai разослан

Учений секретарь диссертационного совета капли шг технически:« наук, доцент А.П.Дальсков

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях перехода тепловых и томных станций страны на рельсы рыночной экономики, повышается аинтересованность производителя энергооборудования в обеспечении лительной и стабильной работы тепловых электростанций. Одним из сновных условий решения этой проблемы является обеспечение адежности и долговечности металла теплоэнергетического

борудования, в частности, его высокотемпературных элементов -еталей газовых и паровых туршш, пароперегревательных труб, оторые изготовляются из хрсмоникелевых сталей и сплавоа. Для спешного решения этих задач необходимо изучить процессы, ротекающне при ползучести металла н выявить основные факторы, пределшощие его долговечность з конкретных эксплуатационных словно::.

Необходимо отметить, что в процессе длительной эксплуатации нергообарудованп?, из хромоникелевых сталей и сплавоа, которые ксплуатируются прн температурах 0.6-0._3 Т плавления, аблюдаетса значительное рассеяние служебных характеристик, что одтверждается и результатами испытаний на длительную прочность при араметрах, близких к эксплутационным (Табл. 1).

Таблица 1

Время до разрушения сплава ХН55МВЦ после испытаний .

N Режим испытаний Режим испытаний Время до разрушения

п/п (,°С ' (Г, МПа ,

1. 950 13 1100-10800

• 2. 950 . 20 200-4000

3. 850 40 400-7000

-Ьольшой разброс времени до разрушения хромоникелевых стал< *

и сплавов при эксплуатации и при испытаниях на полпучссть приводят нестабильности работы оборудования и затрудняет пропи долговечности этих материалов.

Чтобы устранить нестабильность свойств и осуществи' протезирование долговечности материала в условиях ползучее! необходимо в первую очередь проанализировать изменение е структуры и формирование поврежденности. При этом следу« учитывать, что разрушение материалов при повышеннь температурах происходит путем образования и накоплен! микронесплошностей. формирующихся в материале в виде микропор.

Цель работы. .Цель настоящей работы заключалась в повышен! стабильности служебных свойств и долговечности хромоникелево сплава ХН55МВЦ и аустенитной стали 10Х18Н10Т-ВД в пронес ползучести путем оптимизации состава и режимов эксплуатации.

Для достижения указанной цели были поставлены и решен следующие задачи:

1.' Изучить изменение структуры и развитие поврежденности хромоникелевых сталях и сплавах при разных режимах ползучести.

2. Определить механизмы Деформации и разрушен! хромоннкелевого сплава в условиях эксплуатации.

3. Разработать систему мероприятий, обеспечивают! стабильность .служебных характеристик исследуемых материалов:

- выбор оптимальных режимов эксплуатации стали и сплава;

- легирование сплава.

4. Разработать критерий прогноза служебных характеристик ста. и сплава в эксплуатационных условиях.

5. Осуществить. прогнозирование служебных свойств стали и шава.

(нотипного оборудования могут реализовываться различные механизмы олзучести.

Для исследуемых материалов установлены граничные условия, при эторых реализуется переход от высокотемпературной (ВП) к |<ффузионной ползучести (ДП). Показано, что при этих условиях аблюдается нестабильность структуры, повреждснности и служебных арактеристик материала.

Ь .интервале температур 850-950°С и напряжениях 13, 20 и 40 МПа хромоникелевых сплавах могут реализовываться три механизма олзучести: ВП, СП и ДП.

При этом ВП контролируется скоростью переползания дислокаций, ,П - диффузионной подвижностью атомов. Интенсивность СП лределяется и тем и другим. Выявлена однозначная связь между еханизмом деформации в условиях ползучести и характером азрушения. Показано, что критическая степень поврежденное™ при ,П составляет <3% , при СП - 3 * 7% , а при ВП >-7%.

Установлена корреляционная связь между степенью

оврежденности металла ( иЭ ) и его долговечностью ( ^р ) рнменительно к исследованным материалам.

Установлено, что легирование хромоникелевого сплава цирконием . Р.З.Э. обеспечивает реализацию только одного механизма ползучести

ссплуатацнн хромоникелевых сталей и сплавов, при которых ¡формация протекает по механизму высокотемпературной ползучести:

Показано, что в условиях эксплуатации

Ш).

'ость. .Выбраны оптимальные режимы

о

для сплава ХН55МВЦ температура 950 С, напряжение 13 МПа;

- для стали 10X18Н10Т-ВД температура 550 °С - 600 °С. напряжет 220-ПОМПа.

При этих условиях стяжается разброс служебных свойс материалов, что определяет их' большую надежность.

Показано , что введение в сплав 2"/„2,г н 0.02%005%Се и 1 обеспечивает высокие л стабильные свойства исследуемых материалов эксплуатационных условиях.

Предложен критерий долговечности исследуемых материалов предложена зависимость, позволяющая осуществить прогноз срока ! службы.

Реализация результатов работы. Предложеные оптимялмп составы сплавов прошли успешные испытания на промышленж плавках в лаборатории длительной прочности и ползучести ВИАМ. П| этом режимы испытаний соответсвовали рекомендованным в дигсертацн

Апробация работы. . Основные результаты работы докладывали

На:

- совещаний "Оценка предельного состояния металла элемент теплоэнергетического оборудования", г.С'частье, 1988г.

- международной научно-технической конференш

¡"Актуальные проблемы пластической обработки материалов", г.Вари 1990г.

- Всесоюзной конференции "Восстановительная обработка сталей сплавов", г. !ахабино, 1991г.

научном семинаре "Материаловедение в машиностроение МГАПИ, «994г.

Ду&ШШЖИ. .Основное содержание диссертации опубликовано 4 печатных работах.

Объем работы. . Диссертационная работа состоит из введения, 6 )в, общих выводов, списка литературы (¿^наименований), приложения юдерхит/&&тран1Щ машинописного текста с иллюстрациями.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В' введении .кратко сформулирована проблема исследования и ти ее решения.

В первой главе .представлен обзор литературы, посвященный просам ползучести и повышения долговечности хромоникелевых алей и сплавов. Дан анализ структуры и свойств а процессе копления повреяденности хромоникелевых сталей и сплавов.

Рассмотрены механизмы ползучести и характер разрушения :талла при этих механизмах. Показано влияние стабильности рук туры на долговечность дисперсионно-твердеющнх сплавов . кхмотрены возможные пути оптимизации состава хромоникелевых алей и сплавов. ' .

На основании, .'проведенного анализа сформулированы ''цель и дачи исследования.

Во второй главе • .обоснован выбор материалов для исследования, -на их характеристика. В качестве объекта исследования были пользованы хромоникелевый сплав ХН55МВЦ и аустенитная аль 10Х18Н10Т-ВД, которые используются для, различных элементов имных энергоустановок. Изучению был подвергнут следующий »териал:

материал непосредственно после эксплуатации (вырезки из различных [ементов конструкций атомных установок);

- материал шести плавок, выплавленных в заводских условиях из crwai ХН55МВЦ, отличающихся по составу содержанием циркония и Р.З.Э.;

- материал этих плавок и образцы из аустенитной стали после испытан»

на ползучесть. Условия испытаний: температура 750-950 0 С

о

напряжение от ^13 до 120МПа (для сплава), температура 550-750 С напряжение от 30 до 220МПа (для cluim).

Исследование состояния материалов элементов консрукци атомных установок в исходном состоянии, в процессе эксплуатации после испытаний на ползучесть проводилось с использование следующих методик:

1. Испытания на ползучесть и длительную прочность. '

2. Прецизионное определение плотности.

3. Определение параметра решетки.

4. Оптическая металлография.

5. Количественный анализ структур.

6. Микрорентгенлспектральный анализ.

Испытания на ползучесть и длительную прочность проводили

соответствии с ГОСТ 3248-81 и ГОСТ 10145-81 на высокотемпературно

установке для длительных испытаний на растяжение'ZST-э/э пр

постоянной нагрузке. Точность поддержания температуры составлял ' с

±. 1 С. Точность измерения удлинения при ползучести составляла ± 0.005мм.

Плотность ($.) исследованных материалов определялась методо гидростатического взвешивания. В качестве рабочей жидкости бы выбран тетрабромэтан. Степень поврежденности определялась ка отношение объема пор , сформировавшихся в единице массы металла моменту 1' ( \/г), отнесенному к объему пор в единице массы металла момент разрушения ( Vr,) : * "

Sue к. ' плотность металла до эксплуатации; р - плотность металла к моменту контроля; о - плотность металла после разрушения;

Рентгенографический анализ проводился с помощью гтгеновского йифрактометра "Дрон-3" с использованием трубки БСВ-с кобальтовым анодом.

Металлографические исследования были выполнены на кроскопе "Неофог-21".

. Подсчет количества 6"-фазы по длине образца был выполнен на i5ope "Эпнхвант" в автоматическом режиме при увеличении в 500 раз.

Микрорентгеноспехтралышй анализ " проводился на

пирующем электронной микроскопе JSM-T3G0, оборудованном иштнческой системой "Link" для рентгеновского знергодисперснонного шиза. .

В тоетой гл-1лг: .дан анализ причин рассеяния служебных )актеристих сплава. •

- Дла этого проведен анализ карты деформации для материалов с ;К решеткой. Иэ этих ¡серт следует, что в зависимости от шературы ш уровна приложенных напряжений деформация в ¡льных условиях эксплуатации может развиваться как по канизму высокотемпературной ползучести, так и по механизму {>фузионнс" ползучести.

В результате проведенных испытаний на ползучесть было казано, что при неизмениости режимов испытаний, накопленная арежденность может изменяться в широких пределах: от 1 до 4% 85Ô С,6^40МПа); от 2 до 7% (t—950 С, 6"-20МПа); от 4 до 15% 950 С, 6"-13МПв).

Выявлено, что величина критической степени поврежденное? однозначно связана с механизмом деформации:

- при высокотемпературной ползучести (ВП) 3% ;

- при смешанной ползучести (СП) - 3 - 7% ;

а 9

- при диффузионной ползучести (ДП) > 7% .

Таким образом,в работе впервые показана однозначная связь межд интенсивностью порообразования в спляче с одной стороны механизмом его деформации с другой'стороны.

Помимо различной степени повре» лен кости можно отметит следующие факторы, показывающие на изменение механизм ползучести:

- изменение угла наклона на кривых длительной прочности при теми

о

ратуре 950 С;

- разброс долговечности;

- различная степень локализации дефектов при разных механизма ползучести; при ВП - коэффициент локализация дефектов составляв 2%, при ДП - 0,1% , при СП - 1%;

- наличие перелома на кривых зависимости критической степени пс режденности от приложенных напряжений при температуре 950°С; точи перелома соответствует -20МПа.

Анализ характера ползучести сплава типа ХН55МВЦ представле в таблице 2.

Таблица 2

Опенка вклада различных механизмов ползучести при заданных режимах эксплуатации сплава ХН55МВЦ

. N Характер Режим .испытаний 1/<Г

п/п ползучее ти,% 950°С/13МПа 950 " С/20МПа 850 0 С/40МП а

1 ВП 0 33 33

2 СП 20 67 67

3 дп 80 0 0

В четвертой главе .показано влияние циркония и Р.З.Э, на возможность перехода к одному механизму - высокотемпературной .ползучести (ВП). При этом концентрация циркония в сплаве менялась ¿т 0.04 до 2%.

Установлено, что в сплаве с содержанием 0.04-0.09 %гг имеет

место диффузионная ползучесть. На это указывает характер

разрушения образцов (при температуре 950 °С и напряжении 13МПа 19

;-Ю-12%) и делокализация поврежденностн по длине образца (к-0,1%).

При концентрации 0.16%2г в сплаве при всех режимах испытаний реализуется смешанный механизм (диффузионная и высокотемпературная ползучесть), что определяет величина -^-3-5% и коэффициент локализации дефектов (к-1%).

При увеличении концентрации до 2%2г стабильно обеспечивается при всех режимах испытаний высокотемпературная

ДО

ползучесть, прь которой "0.7-1.4%, коэффициент локализации (к-2%).

Стабильный механизм высокотемпературной ползучести

реализуется ' и при комплексном микр< „тироканин Р.З.Э. 0.02%гг+Се+Ш до 0.005%. При этом 4^-0.4-0.8%, к-2%.

При изменении концентрации циркония существенно изменяете! и структура сплава.

При содержании 0.04%Zr в микроструктуре вокруг границ зере! обнаружены зоны свободные от дисперсионных выделений (ЗСВ) Образование процессе диффузионной ползучести зон, свободных о-выделений, установлено в настоящее время для многих сплавов. 1 месте разрушения наряду с наличием зои обнаружено большо! количество слившихся пор.

• В наиболее поврежденных образцах ( -10-12%) пористост! наблюдалась по всей рабочей части образца (распухание материала).

Аналогичная картина была обнаружена и при исследованш сплавов с удержанием.' циркония 0.09 и 0.16%, в том случае, когд| поврекденность превышала 4%.,

При концентрации циркония до 2% в месте разрушения по всем; сечению' образца обнаружены лоры по границам зерен, что характер«! для высокотемпературной ползучести. ЗСВ в crpyirvvpe не наблюдаются.

Таким образом, в сплаве с содержанием циркония от 0.04 до 0.16 диффузионная (смешаннаа) ползучесть наблюдается, начиная i температур 850 С (6~-40МШ).

В то же время ддв сплавов содержащих 2%Zr и комплекет

о

легированных 0.02%ZrfCe+Hf до 0.005% даже при температуре 950 С i напряжении 13МПа деформацна развивается только по механизм; высокотемпературной ползучести, при условии, что расчетный cpoi службы не более 5(КЮч.

В пятой ■ г/иве .дан прогноз долговечности сплава с 2%Zr деформация которого при !~950°С и -ИЗМПа протекает по обычном; механизму высокотемпературной ползучести. Условие неизменно< . механизма необходимо дла того, чтобы надежно прогнозировать срок* эксплуатации оборудования, работающего в процессе ползучести.

Для этой цели было проведено исследование зависимости л го вечности от степени поврежденности сплава ХН55МВЦ.

Чтобы решить эту задачу необходимо было изучить кинетику копления поврежденности в данном сплаве (три указанных сплуатационных параметрах.

Исследование поврежденности сплава проводилось по исчерпанию

0.2; 0.4; 0.6; 0.8 и 1.0 от ^ . Следует отметить, что на исследуемом

лаве на ранней стадии ползучести наблюдалось увеличение плотности

8438 до 8444 кг/куб.м. Это связано со старением материала, о чем

идетельствует . изменение параметра решетки: с увеличением времени

о

дсржки от 50 до 3770 ч. параметр решети« уменьшается от 3.594 А 3.589 X (на 5 единиц).

На последующих стадиях' ползучести происходило снижение отности за счет накопления поврежденности (в микроструктуре наружены поры) при 0.8^ до 8414 кг/куб.м,' при 1.0 (момент зрушения) до 8320 кг/куб.м.

На основании полученных данных по 'жаропрочности и врежденности была установлена, зависимость поврежденности иО от относительной долговечности % :

. Р

(2)

ЦО:

Для сплава ХН55МВЦ экспериментально было установлено, что казатель степени п-0.82. С помощью выявленной зависимости можно гществить прогноз длительности службы работающего оборудования любом этапе его "ксплуатации.

В шестой главе .дан прогноз долговечности аустенитной стали гем исследования кинетики накопления в ней I- , режденности при тературах 550-750°С и напряжениях 40-220МПя, а так же ледована структура. ■

Показана зависимость - между скоростью накоплен»

повреждении?! (V) и приложенным напряжением (&). Перелом н

прямой зависимости 1|[У от б" свидетельствует о том, что при переход со

рг ^-600 С к 650 С изменяется скорость накопления поврежденности.

При 1-540-600° С и 6" -110-200МПа - скорость накоплена

о л-

поврежденности — (3-5)х10 %/ч. При Г-650 С и О -50-70МПа скорост

-'г

накопления поврежденности составляет (0,8 - 2,0)*10 %/ч.

Изменение характера накопления поврежденности связано с структурной нестабильностью стали в процессе ползучести при 1-650-751 С. На это указывает и увеличение критической степени повреждениост: до 3-3.3%.

Устан^члено, что при испытаниях на ползучесть стали 10Х18Н101

о

а интервале температур 65Р-700 С происходит фазовый распа, аустенита и выделение 6"-фазы, что облегчает образование пор в мате риале; и уменьшает его долговечность.

Для стали также установлена параболическая зависит ть и) ' ' '

ог ¡£г (2) и установлен показатель степени п—4.2, Данная зависимость позволяет осуществить прогноз долговечности стали При . осуществлении прогноза следует' учитывать нестабильности структуры стали в условиях эксплуатации, по-этому пределы« допустимая величина '"'^р -0.5, выше которой не рекомендуете!

эксплуатировать оборудование из аустенитной стали, что соответствует

(у ,

-0.9-0.95. При нестабильной структуре необходим большой загш. прочности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлена причина большого рассеяния служебных свойств лава ХН55МВЦ. Показано, что сплав мояет деформироваться по зличнмм механизмам: высокотемпературная (ВП) ползучесть, ешзчняя (СП) и диффузионная (ДП). Представлен комплекс казательсгв дейстиия различных механизмов:

маличный наклон кривых (3^. )азброс долговечности Тр;

>азличия в величине критической степени повреззденности; >аэличия в коэффициенте локализации дефектов.

2. Показано, что максимальное рассеяние служебных характеристик 'Оисходит при 1-950Ъ и(Г-13.20 МПа, при ^8501С и 6^-4О МПа.

3. Для каждого механизма ползучести установлены три возможные ловия разрушения:

вп

СП

ДП , у '/0

р- ■ •

4. Установлена различная степень локализации дефектов при зличных механизмах деформации и разрушения:

1 - коэффициент локализации дефектов - 2%;

П - коэффициент локализации дефектов - 0,1% ("бегающая" шейка, спухлние обрпзца, высокая пористость) , П - к<>:>ффшнк'1! I локализации дефектов - 1%

5. Показано, что повышенное содержание 2х в сплаве затрудняет ¡ффузию, тормозит развитие и обеспечивает один стабильный механизм

формации ВП (высокотемпературная ползучесть) при температурах

о

!0 и 950 с.

6. Выявлено, что при концентрации 0,./4"?{Дг реализуется •хашпм ДП, 0.16*:„£г обеспечивает два механизма ползучести СП -

(высокотемпературная и диффузионная ползучесть). Дальнейше увеличение концентрации Ъг(до~2%) ведет к механизму ВП стабилизации служебных сиойеь,.

7. Определена зависимость поьрежденности данного сплава и стал от отноентельп ii долговечности. Доказано, что эта зависимость носи характер степенной функции и определена величина этой степей (п~0.82 - для сплава и П-/. 2 - для стали ).

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ковалева Л.А., Мамедова И.Ю., Дияиков B./J "Восстановительная термообработка поврежденных гибов" (опы системы X; 'аровскэнерго). Тезисы докладов на совещании "О цен к предельного состояни. металла. элементов тсплоэнергетическог оборудования", г.Счастье, 13-23 сентября 1988г.

2. Ковалева Л.А., Мамедова И.Ю., Медведев H.A., Артемов Е.Н, "Влияние легирования на поврежденность сплеча ХН53МВЦ", Ci "Структура, механические и физические свойства металлически: материалов", М.,1989г.

3. Куманин В.И,, Ковалева Л.А., Мамедова И.Ю "Высокотемпературная пластическая деформация никелевых сплавов" Доклад на международной научно-технической конференщи "Актуальные проблемы пластической обработки материалов". 5-6 июн: 1990г., ИДУ "Ф.Ж.Кюри" - ТК "Дружба", г.Варна.

4. Ковалева Л.А., Мамедова И.Ю. "Накопление поврежденносп в процессе эксплуатации аустеиитной стали". Труды всесоюзно! конференции "Восстановительная обработка сталей и сплавов". Тезись докладов, г.Нахабино, 991г.