автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Структура и свойства жаропрочных Ni-G-W сплавов для работы в гелиевой атмосфере при температуре 950-С

- МИНИСТЕРСТВО МЕТАЛЛУРГИИ СССР ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ИМЕЯ И ИЛ. БАРДИНА - ЩШчермет -

На правах рукописи

ЦВЕТКОВ ГЕННАДИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

УДК 669.018.44:621.039.5

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ Л> ~ - У СПЛАВОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ГЕЛИЕВОЙ АТМОСФЕРЕ ПРИ ТЕШЕРАТУРЕ.950°С

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

'Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- Москва 1990

■" >

/

л .■

/

Работа выполнена в Институте Качественных Сталей ЦНИИчермета имени И.П. Бардина

Научный, руководитель: доктор технических наук

УЛЬЯНДО Е.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник

НОСОВА Г.И. кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЛЕОНТЬЕВА-СМИРНОВА

Ведущее предприятие - НИКИЭТ

Защита состоится 1990 г. часов

на заседании специализированного совета Д.141.04.02 при Центральном научно-исследовательском институте черной металлургии имени И.П. Бардина:

107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 9/23

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке

ЦНИИчермета имени И.П. Бардина

/-;./■ -/

Автореферат разослан " I " _ 1990 г.

7

Ученый секретарь специализированного совета Н.М. АЛЕКСАНДРОВА

егиян* . ~ 3 ~

Г, Р '

"' 0г,".з-п ' ОБЩАЯ характеристика работы .юаргщкй <1

Актуальность проблемы. В мировой и отечественной практике атомная энергетика используется почти исключительно для получения электроэнергии. Вместе с тем в промышленно развитых странах - США, ФРГ и других, в том числе СССР, ведутся работы по созданию энерго-тех-нологических реакторов, которые будут применятся не только для выработки электроэнергии, но и получения технологического тепла. Речь идет, в первую очередь, о высокотемпературных газоохлаждаемых гелиевых реакторах ( ВТГР ). Имеется в веду, что реакторы этого типа с температурой теплоносителя во втором контуре 800-850 °С могут быть использованы для процессов переработки нефти, в металлургии и других отраслях народного хозяйства, что в свою очередь приведет к сокращению расхода более дефицитных природных энергоносителей.

Внедрение высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов сопряжено с решением ряда сложных прблем. Одной из них является недостаточная жаропрочность и жаростойкость существующих конструкционных металлических материалов, что ограничивает срок эксплуатации тепло-обменного оборудования ВТГР и температуру газового теплоносителя.

Для эксплуатации ВТГР с температурой теплоносителя в первом контуре 750-850°С применяют сплавы на основе систем легирования /р?' и М'-Сг-£ё Это прежде всего сплавы: ХН55МВЦ

С СССР ), - ж ( Япония ) ( основа сплавов Ж'- 20%<?г -

- 16% - Мо ) и /псс£о/ - 800 ( основа сплава Ге- 20% С/- - 305?<*>/). Для тешературы теплоносителя 900 - 950 °С рекомендуются сплавы, разработанные на основе систем легирования Сг -/е - Мо , М- С!г- <Ъ -Мо~ Д-Р> М'- к/ • Однако, даже лучшие представители разработанных сплавов не обладают в полной мере свойствами, необходимыми для эксплуатации в течение 25 '- 30 лет. Так, сплав

- 617, лучший из промышленно выпускаемых материалов,

разработанный на основе системы легирования М'- 20% ^г- 12%&о -- - , несмотря'на высокий уровень характеристик жаро-

прочности, не может быть применен в теплообменном оборудовании ВТГР, из-за опасности радиоактивного заражения теплоносителя изотопом- Со60 . ' '

Перспективным направлением для создания материалов теплообмен-ного оборудования первого контура реактора является система М'- Цг-Ь/ со структурой у^и . Разработанные на основе этой системы сплавы ХН59ВГ ( 20%Ог- 18% V ) ( ЦНШТмаш, ЦНШчермет] ( и// . -26%*/ ), МС - I ( М1 - 20%<?Г - 16% к/ ),

& ( М'- 21%Сг - Ь% Мо- Ъ% Ы ) ( Япония ) обладают высокими характеристиками жаропрочности и рекомендованы к промышленному внедрению. В то же время исследования в атмосфере гелиевого теплоносителя показали недостаточную жаростойкость сплавов, которая связывается с процессами окисления, науглероживания и обезуглероживания в результате взаимодействия микропримесей газов - Н2, {^О, СО, СО2, СН^ - с поверхностью сплавов.

В связи с изложенным, актуальным является исследование сплавов системы легирования М'-Сг-Ь/ , составы которых охватывают ^- область твердых растворов и часть двухфазной области / + с/и/ . Ввиду необходимости повышения достигнутого уровня жаропрочности важным является определение области оптимального состава, исследование структуры и механических свойств, взаимосвязи механизмов твердорастворного и дисперсионного упрочнения вьщелениями фазы и карбидными частицами, влияния термической обработки на жаропрочность и жаростойкость в гелиевой атмосфере при температуре 950°С.

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы является создание научной базы для разработки на основе системы легирования М'- (5-20)% ¿£"-(15-25)% к/ сплавов высокой жаропрочности и жаростойкости в гелиевой атмосфере при температуре 950 °С.

3 соответствии с поставленной целью были определены следующие зада-1и:

[. Изучить влияние легирущих элементов на струтуру, фазовый состав, физико-механические характеристики сплавов ^ тл ^ + с(н областей дотемы легирования (5-20)% - (15-25)% У . I. Установить влияние состава и структуры сплавов - (15-25)% к/ на кратковременные прочностные и пластические свойства при тешературах 20 °С и 950 °С после термической обработки та твердый раствор я дополнительно подвергнутых длительным вьщерж-шл при температуре 950 °С.

3. Изучить влияние термической обработки на структуру, жаропрочность л жаростойкость в гелиевой атмосфере при температуре 950 °С сплавов Щ- (5-20)%&■ - (15-25.

4. Определить и.обосновать область составов и структуру сплавов, обеспечивающих высокий уровень и стабильность жаропрочности и жаростойкость в гелиевой атмосфере при температуре 950 °С.

Научная новизна. В результате проведенной работы:

1. Получены новые данные о влиянии легирующих элементов - вольфрама, хрома, никеля, углерода-и термической обработки на структуру, разовый состав, мехалические свойства, жаропрочность и жаростойкость сплавов ^и ^+С>6/ областей системы легирования Й- (5-20)% Сг - (15-25)% А/ .

2. В системе - (5-20)? - (15-25)5? выявлена область, где при содержании 20% и 0% достигается максимальная жаропрочность - 1200 часов, при Тисп = 950 °С и = 39 Н/мм2

( 4 кгс/мм^ ) и жаростойкость в гелиевой атмосфере ( при Тисп = 950 °С скорость изменения массы сплава 1,25- 10-^мг/см^.час ).

3. Определено влияние состава и термической обработки на природу и морфологию ¿Я/^ фазы. Показано, что выделение фазы в сплавах М'- 20%Сг- (15-25)% М в процессе длительных вьщержек не приводит к охрупчиванию при температуре 950 °С.

Гетерогенная структура ^-твердого раствора с дисперсными выделениями фазы размером ^ 2,0 - 2,5 мкм имеет высокий уровень жаропрочности и ее стабильности, тогда как выделение глобулярной i^v фазы размером /v 15-25 мкм снижает длительную прочность в 5-10 раз. 4. Установлено влияние легирования, фазового состава и структуры на жаростойкость сплава в гелиевой атмосфере при постоянном составе газовых микропримесей; определены количественные показатели скорости коррозии сплавов М'- (5-20- (15-25)% W . Показано, что с^/фаза снижает жаростойкость fJ/-Cf-h/ сплавов в гелиевой атмосфере .

Практическая ценность.

1. Создана научная база для разработки сплавов высокой жаропрочности и жаростойкости в гелиевой атмосфере при 950 °С на основе системы легирования Ш-Gf-W .

2. Предложен сплав с высокой жаропрочностью и жаростойкостью на основе fJi- - 20% W с гетерогенной структурой J + </w области для службы в гелиевой атмосфере теплоносителя при 950 °С.

3. Предложен режим термической обработки сплава ^ - 20% ^ - 20% Ь/ на максимальную длительную прочность: двухкратная закалка на твердый раствор - 1350 °С, охл. в воде + 1250 °С охл. в воде. Обработка по данному режиму формирует крупнозернистую гетерогенную структуру - + области с дисперсной фазой dtf •

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на

- I Всесоюзном симпозиуме "Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы", Москва, май 1989 г.,

- 1У Всесоюзной научно-технической конференции "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности

и долговечности изделий", Запорожье, 10-14 октября 1989 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в четырех печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, тяти глав, основных выводов и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на ^Г/ страницах машинописного текста включая рисунков и б таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечено, что на момент постановки работы в качестве материала теплообменной аппаратуры энергетических установок на гелиевом теплоносителе применялись сплавы на основе систем легирования Ге- - , М- (15-30)% Сг - (1-18)%Яг - , //,'- 20%Ог - 12% ¿Ь -9- 1%Д£, которые для эксплуатации при температуре 950 °С в целом не обладают необходимыми свойствами. Объясняется необходимость исследования структуры и свойств системы легирования У/-Се-к/ .Определены основные задачи, рассматриваемые в работе, кратко изложены результаты работы, содержащиеся в 3-х главах экспериментальной части диссертации.

В первой главе дан анализ уровня проводимых в различных центр-зх разработок новых сплавов и определены основные направления совершенствования свойств жаропрочных сплавов для теплообменной ап-таратуры ВТГР. Рассмотрены различные механизмы упрочнения жаропрочных сплавов на основе систем легирования , М'- йг-Ре,-- Мс » л4'-(?г-(Ь -№>-46 > -Дг - А/ на примере сплавов

800, 3,ссг#е -617, Ул&лее -616Е, -^АЗ^-ХЯ, ХН55МВЦ. Интерес представляют сплавы на основе твердого раствора ^и^ + Л^/ областей системы ' М'- Сг-Ь/ , которые обладают как высоким уровнем гак и стабильностью длительной прочности, что показывают работы похищенные сплавам этой системы: Ж59ВГ ( У/ - 20% & - Ш V ), №-1 ( л// - ТИГоО- - 16% V ), ¿г ( й/г- 27* - - Ь%Ь/).

В то же время выявлены противоречия в оценке влияния на жаропрочность фазы, вцделягащейся в - V сплавах при суммарном содержании Сг + У^ 35-40% об. Полностью отсутствуют исследования о влиянии с(д/ фазы на жаростойкость в гелиевом теплоносителе.

Анализ составов гелиевых атмосфер и взаимодействия атмосфер с жаропрочными сплавами показал," что неизбежное присутствие микропримесей газов - Нг,, ^0, СО., С0£, СН^ в теплоносителе приводит в течение продолжительной службы к инициированию процессов окисления, науглероживания, обезуглероживания. Несмотря на сравнительно большое число работ пЬсвященных проблеме жаростойкости в гелиевом теплоносителе, до настоящего времени не разработаны конкретные требова ния и допустимые, показатели коррозионных свойств сплавов.

На основании анализа литературных данных определены задачи исследования по созданию научной базы по разработке сплавов на основе ^ и областей $ - Ог-Н системы легирования.

Во второй главе приведены сведения по материалам и методикам исследования.

Исследование проведено на сплавах системы 'при со-

держаниях хрома - 5-205? об. и вольфрама- 15-25% об.; сплавы содержали: С- 0,04%, Ш - 1,0%, Т/ - 0,3$. Выплавка сплавов проводилась в открытой индукционной печи с последующим вакуум-дуговым переплавом. Содержание ^ 0,003%, 0,002% .

Полученные слитки подвергались деформированию на горизонтальном 1500 тт. прессе с последующий термической обработкой на твердый раствор при Г250 °С охл. в воде.

Исследовались следующие свойства:

- кратковременные механические свойства при комнатной температуре- 20 °С (ГОСТ 1497 - 84) и при 950 °С (ГОСТ 9651 - 84);

- длительная прочность при температуре 950 °С и напряжении & = = 39 Н/мм2 ( 4 кгс/мм2 ) (ГОСТ 9651 - 84);

- микротвердость по методу восстановленного отпечатка (ГОСТ 9450-84);

- ударная вязкость при температурах 20 °С и 950 °С (ГОСТ 9454-78).

Металлографические исследования проводились на световом микроскопе " Ueofüt -21" и растровом электронном микроскопе -505". Стереюлогический анализ с(// и карбидных фаз, а также анализ структуры сплавов проводили на автоматическом анализаторе "JßffS ".

Фазовый состав сплавов обработанных на твердый раствор и подвергнутых длительным высокотемпературным ввдержкам определяли рент-геноструктурным методом на установке "УРС - 2.0". Содержание элементов в фазовых составляющих изучалось микрорентгеноспектральным анализом на приборах " (fome&ix " и " С/ес£ -733".

Фрактографический анализ поверхностей разрушения ударных образцов и образцов испытанных на длительную прочность проводился на растровом электронном микроскопе .

Исследование жаростойкости сплавов в гелиевой атмосфере с постоянным составом газовых примесей при температуре 950 °С проводилось термогравиметрическим методом на термоаналиэаторе "7#£-24" ( фирма "ßeiaram " ) в атмосфере гелия - А ТУ-51-940-80 приготовления Московского газоперерабатывающего завода.

В третьей главе рассмотрено влияние легирования хромом и вольфрамом на структуру и комплекс прочностных и пластических свойств, микротвердость и ударную вязкость сплавов система легирования /// - (5-20)%Ог - (15-25)% ¿V обработанных на твердый раствор по режиму - 1250 °С, охлаждение в воде.

В сплавах помимо ^-матрицы присутствуют карбиды типа ЫС и MgC, а также фаза, которая выделяется при первичной кристаллизации в сплавах состава 20% - (20-25)% hf . Параметр кристаллической решетки ¿/'-твердого раствора увеличивается пропорционально содержанию хрома и вольфрама : с 0,35584 нм ( сплав Л/г- Ь%Сг - 15% к/ ) до 0,35957 нм ( сплав 20%Сгу 25% И/ ).

Легирование вольфрамом в большей мере чем хромом оказывает влияние на микроструктуру сплавов. С повышением содержания вольфрама возраа тает термическая устойчивость карбидных фаз, в результате из-за действия барьерного механизма сдерживается рост зерна при обработке на твердый раствор в наиболее легированных сплавах. Если при содержании вольфрама 15% увеличение содержания хрома с 5% до 20% приводит к измельчению зерна с 240 мкм ( сплав Ш- 5% ¿V - 15% IV) до 150 мкм ( сплав №/ - 20% Ог - 15% И/ ), то при содержании вольфрама 25$ размер зерна сплава М - Ь% ^ - 25% IV составляет 50 мкм, а сплава !//'- 2<Ж€г - 25% И/ - 25 мкм.

Микротвердость ^-матрицы сплавов М- (5-20)% (!г - (15-25)% И/ возрастает с ростом содержания Сг и IV с 1500 Н/мм^ до 2600 Н/мм'

Влияние легирования, Сг и к/ на комплекс прочностных и пластических свойств сплавов Й- (5-20)% - (15-25)% Ь/ представлено на рис. I. и 2. При 20°С увеличение содержания С5/" и // вызывает рост прочностных характеристик ( ) и снижение пластичности

( $ , ^). При 950 °С тенденция к пропорциональному росту прочности сохраняется на сплавах с содержанием 5 и 10%% . Ввделение дисперсной о(/1/ фазы при первичной кристаллизации в сплаве № - 2.0%Сг -- 20% ¡V повышает предел прочности до 180 Н/мм^ и предел текучести до 165 Н/мм^. Последующее укрупнение Ыщ фазы до 15-25 мкм в сплаве М'- 2.0% - 25% Л/ вызывает 10 - 20% снижение прочности и пластичности от достигнутого уровня на сплаве М'- 20%рг - 20% Ь/ .

При оценке ударной вязкости установлено, что при 20 °С сплавы (5-20)%^/- - (15-20)% М обладают КСУ 3,75 ВДж/м2 и практически не разрушаются. Увеличение содержания ¿?-и А/ приводит к снижению КСи , При температуре 950 °С ударная вязкость сплавов (5-20)%<?Г - (15-25)% Н) снижается, но не ниже 1,0 - 2,0 МДк/и2.

Таким образом, увеличение легированности ^-твердого раствора исследованных М - Сг - IV сплавов сопровождается повышением микро-

МО

900

15 го ¿5

3/5

т

/55

ш

ё

Н/н*1

£10 НО 150

/го

¿0

/5 ¿О 25

Содержание Вол о фр ама, %

Рис.1. Характеристики прочности и

А/с - ¡V сплавов при температурах 20 °С ( а ) и 950 °С ( б ), л ~ 5% Сг, . - Сг , в - г^оОг

го 35

¿6 ¿о ¿5

Содержание 6ольч>рапа,"/а

Рис.2. Характеристики пластичности еРк

№-Сг- 1л/ сплавов при температурах 20 °С ( а ) и 950 °С ( б ), А - Ъ%СГ, • - ШСг , » - 20%СГ

твердости и прочности при сохранении высоких показателей пластичности. В то же время возрастающая термическая устойчивость карбидных фаз может снизить эффект легирования в результате обеднения -твердого раствора и сдерживания роста зерна ^-матрицы, что наблюдается на наиболее легированных сплавах- Л/'- (5-20)%/?-- 25% АЛ Измельчение (¿и фазы с 15-25 ыкм ( - 20%^- 25%) до 1,5-2,5 мкм ( М' - 20% - 20% ) повышает высокотемпературные, прочность и пластичность.

В четвертой главе рассмотрены структурная устойчивость и кинетика изменения механических свойств в процессе высокотемпературной (950°С) вьдержки в течение 500,1000,2000 часов сплавов <*/'-(5-20№ -(15-25)% Ь/ , а также дан фрактографический анализ изломов ударны; образцов разрушенных при 20 °С и 950 °С.

Рентгенострукгурный анализ /'-твердого раствора $-(5-20)% ¿5--(15-25)% У сплавов показал, что в процессе выдержки в течение пе] вых 500 часов происходит уменьшение параметра решетки. Это связано, по данным фазового анализа, в сплавах -(15)% Л^ ,

$ - Ъ% ¿£--(20-25)% к/ с выделением карбидной фазы М^С; в сплавах $-10%-(20-25)% и М- 20% ¿/'(15-25)% 4/ с выделением фазы и карбидов М^С. В сплавах И//'- 20% ^"-(15-25)%^/ помимо карбидов М^С выделяются карбиды типа М^С^. Последующая выдержка фазовы! состав исследованных сплавов не изменяет. В течение выдержки до 2000 часов происходит перераспределение легирующих элементов между фазовыми составляющими сплавов. Изменение структуры и состава фаз исследованных сплавов отражается на кинетике изменения микротвердости и ударной вязкости при 20 °С и 950 °С . Микротвердость сплавов

М' - (5-20)% Сг - (15-25)%V достигает максимальных значений 2600-р

-3000 Н/мм при выдержке 500 часов. В течение последующего времени вьщержки происходит снижение микротвердости на 10-40%. Микротвердость сплавов М' - 20% ¿*Г- (15-25)% ^/досле "500 часов выдержки возрастает с 2200 - 2600 #/ннг

исходном состоянии ( закалка на твердый раствор - 1250 °С, охлаж-ение в воде*) до 2500-3100 Н/мм^. Если при 1000 часовой выдержке икротвердость сплавов - 20% Сг - (15-25)% И/ снижается на 40 -5056 от уровня 500 часовой ввдерлски, то к моменту 2000 часов вы-ержки значимого изменения микротвердости не небдодается, что сви-етельствует о ее стабильности, а, следовательно, и стабилизации труктурного состояния.

Выделение дисперсных карбидных частиц ( 1С, М^С, ^ в

плавах $ - (5-20)% Сг - (15-25)% V в первые 500-1000 часов вьщер-зси снижает низкотемпературную ( 20 °С ) ударную вязкость до 0,5 -• 2,0 ВДж/м**. Последующая коагуляция и когезия карбидных частиц плавов ^-области: У(- (5-20)% - (15-25)$ И/ в процессе вы-;ержки до 2000 часов приводит либо к частично^ ( сплавы - 5%Ог -

- 2555 Ы , /г- 1<У?0 Сг - 20% М ), либо к полному ( сплавы ?Л- Ъ% Сг _ ■ 20% У, $ - 10% ^ - 25% А/ ) ее восстановлению. Вьдержка сплавов

- 20% СГ _ (15-25)% Л/ после первых 500 часов к изменению низкотемпературной вязкости не приводит.

Фрактографическим анализом изломов ударных образцов разрушении при комнатной температуре установлен смешанный вязко-хрупкий ме-санизм разрушения сплавов Н!- (5-20)%Сг- (15-25)% Ы . Ввдержка ¡плавов при 950 °С увеличивает долю хрупкого излома: вязкие ямки отзыва и сдвига трансформируются в гребни отрыва. Ввделившаяся при тервичной кристаллизации глобулярная Ыу фаза в сплаве У/'- 20

- -25% Ь} разрушается хрупко со структурой излома транскристаллит-!ого скола. Это показало, что наличие в структуре -Сг- Д/ зплава фазы, выделившейся как при первичной кристаллизации, так л в процессе высокотемпературной ввдержкц, снижает сопротивление низкотемпературному разрушению.

Аналогично изменяется высокотемпературная ударная вязкость ( 950 °С ) сплавов Д//- (5-10)% (15-25)% Л/ . После вцдержкг- '

2000 часов значение KCL/сплавов (5-10)% - (15-25)%/^находятся в пределах 0,5- 0,8 ВДж/м2.

Сплавы tf' - 2Q% & - (15-25)% А/ характеризуются высоким уровнем ударной вязкости при 950 °С, который в процессе ввдержки остается без значимого изменения; например , KCU сплава ///- 20%(?Г -

- 20%А/'0,75-0,85 НДж/м2.

Фрактографическим анализом изломов ударных образцов сплавов fi/t - (5-10)% <?Г - (15-25)% V выявлено, что их разрушение при 950°С происходит по межзеренному механизму, которому предшествует значнтель ная маиропластическЬя деформация зерен. Выделение карбидных фаз в пропессе ввдержки является дополнительным охрупчивающим фактором, который.снижает зернограничную прочность и пластичность зерен.

Высокотемпературное разрушение сплавов t/i- 20%- (15-25)%А/-осуществляется в результате межзеренного расщепления. Присутствие

фазы на границах зерен ^-фазы и в приграничных областях повышает зернограничную прочность, в результате этого межзеренное разрушение реализуется после микровязкого ямочного разъединения зерногра-ничных поверхностей. Глобулярная с/^ фаза в сплаве f/i - 20% Cr -

- 25% А/ разрушается при 950 °С по вязкому механизму скольжения со значительной утяжкой. Фрактографический анализ доказывает, чтоdw фаза, обладая высокотемпературной пластичностью повышает сопротивление высокотемпературному охрупчиванию.

В результате установлено, что структурная устойчивость исследованных- сплавов ^ и yV dy/ области Mi-fr - к/ системы легирования регламентируется как процессами вццеления и изменения состава карбидных фаз, так и выделением час тип Ыу фазы. Определена кинетика изменения механических свойств, показан вкладсИу фазы. Наибольшей структурной устойчивостью обладает сплав St'- 20% - 20% А/ , упрочненный дисперсными выделениями карбидных фаз MgC., M^Cg и частицами фазы. ..-.,,•,.-,.•

В пятой главе представлены результаты исследования влияния легирования, структуры, фазового состава, термической обработки на жаростойкость при 950 °С в гелиевой атмосфере и жаропрочность при 950 °С й 39 Н/мм2 ( 4 кгс/мм2 ) сплавов У/- (5-20)% Сг -

- (15-25)% У .

Термогравиметрическим анализом сплавов М'- (5-20)% -

- (15-25)% А/, подвергнутых закалке на твердый раствор показано, что при температуре 950 °С легирование вольфрамом оказывает определяющее значение на жаростойкость в гелиевой атмосфере.

Сплавы с содержанием хрома 5-1055 и 15-25% вольфрама наиболее лодверженны процессам окисления и обезуглероживания, которые сопровождаются убылью массы сплава. Повышение содержания вольфрама с 15% до 25% в данных сплавах уменьшает скорость убыли массы. При содержании 20% и 20% ■ наблюдается прирост массы сплава в результате образования стабильного плотного окисного слоя.и, вероятно, за счет частичного науглероживания ( рис. 3 ).

Жаростойкость в гелиевой атмосфере при 950 °С определяется не только легированностыо ^твердого раствора, но структурой и фазовым составом. Выделившиеся дисперсные частицы с*^ фазы и карбидов в результате 1000 часовой выдержки при 950 °С ухудшают жаростойкость М'~ 20%Ог - 20%л/ сплава ( рис. 3, кривые I и 2 ).

Металлографическим анализом установлено, что образующиеся продукты коррозии ( оксиды и карбады на базе и А/ ) при содержании в сПлаве 20% образуют тонкие покрытия толщиной 0,1-3,0 мкм. На сплавах с меньшим содержанием хрома на поверхности формируются рыхлые смешанные окси-карбаднне слои толщиной 5,0-15 мкм.

Испытания на длительную прочность при 950 °С и С= 39 Н/мм^ выявили влияние состава, структуры и термической обработки на жаропрочность $ - (5-20)%^" - (15-25)% V сплавбв.'Закалка на твердый раствор от 1250 °С охл. в воде полностью не может растворить карбидные и сх^ частицы в сплавах наиболее легированных вольфрамом,

N

I

J_L

<S J.S 4* 7J ¿о H4 Hi tid

'¿0%, t

У - ¡/er. rar/nosM/e^ Tan -/<tfo°Cl M. / faJeJ а - ГАГЛ T&OqxoS ух/ SSC'C

Рис. 3. Жаростойкость сплавов

tä - (15-25)% h/

в гелиевой атмосфере при температуре 950 °С

Г

4

¿со

го<.?

/оо

Ttm :3S0°C

_ \syXCr

__ V-..... >

1 1

¿о

Рис. 4.' Жаропрочность сплавов, V/'- (5-20)% & - (15-25)% А/ при температуре 950 С и

39 Н/мм^ после закалки на твердый раствор, Тзад= 1250 °С, охл. в воде

что не позволяет сформировать гомогенную структуру ^/-твердого раствора и из-за действия барьерного механизма сдерживает рост зерна У^-матриш. В связи с чем, наибольшей длительной прочностью обладает сплав Л?- 20%Сг~ 15% Ь) . С повышением температуры закалки до 1350 °С формируется крупнозернистый пересыщенный /'-твердый раствор, дополнительно упрочненный обуй карбидными фазами, что обеспечивает максимальную длительную прочность сплаву М- 20% Ог - 20% V Коагуляция и когезия карбидных частиц М^С и М2дС£ в сплаве № -- 20% Ог - 15% /V снижают зернограничную прочность и, как следствие, снижается жаропрочность сплава ( рис. 5 и 6 ).

Дисперсная с1у фаза благоприятно влияет на уровень и стабильность длительной прочности сплава $ - 20% & - 20% И/ ( рис. 6 ). В то же время экспериментально показано, что наличие в структуре глобулярной cf.hr фазы размером 15-25 мкм отрицательно влияет на жаропрочность. Последующая термическая обработка частично растворяет фазу, но отрицательное ее влияние на длительную прочность не устраняется ( сплав 20- 25% ¿г/ , рис. 4, 5, 6 ).

Выделение дисперсной ¿ы фазы тесно взаимосвязано с карбидными реакциями, что.как показывает оптимизация термической обработки сплава Л?- 20% - 20% А/, может привести к снижению жаропрочности. Поскольку выделение «V фазы связано с высокой температурой, то в интервале 950-1100 °С при второй закалке преимущественно выделяются дисперсные карбидные частицы, что снижает длительную прочность

I

сплайа в 2-4 раза. При температуре второй закалки 1150-1250 °С, . наоборот, преобладает выделение дисперсной фазы по границам зерен, субзерен, линиям двойникования и в теле зерен -матрицы, что обеспечивает высокую устойчивость структуры и стабильность характерце ти жаропрочности ( рис. 7 ).

Анализ структуры, фазового состава и их влияния на жаростойкость и жаропрочность при 950 °С исследованных сплавов дает основания считать, что область легирования состава - 20% - 20% А/ является

* 700

i SOO

1 JOO

*

300

<ч

*

4 МО

АХ)

TZw -JS

^■•¿OZO-iS^A/l

М-гоЁСг-гбХн/

_J_L

/250 WO ¿ttO

Рис. 5. Влияние температуры закалки на твердый раствор на жаропрочность сплавов Д//- 20%Cr- (15-25)%h/ при Т = 950 °С и 39 H/iß/1

ЯМ ГЗОО ' /350

Рем/гератуоа, '(7

Рис. б. Влияние температуры закалки на твердый раствор и выдержки 500 часов при Т = 950 °С на жаропрочность сплавов !°/г -- 20% Сг - (15-25)% к! при Т = = 950 °С и <сг*= 39 НДаг

SSO Ш /№ /¿X (Z 50/№ Ihoie^py/xt ¿/ло/xv jxcasxu,

Рис. 7. Влияние температуры второй закалки на жаропрочность сплава У/ - 20%<?г -- 20% А/ при Т = 950°С и 39 Н/мм2 (температура первой закалки 1350 °С )

оптимальной и способна обеспечить максимальный уровень длительной прочности ( рис. 8 ). В результате двухкратной закалки на твердый раствор достигается не только максимальный уровень длительной прочности, но и высокая стабильность свойств в процессе высокотемпературной выдержки.

ВЫВОДУ

I. В результате систематического исследования структуры, фазового состава, прочности и пластичности, жаростойкости в гелиевой атмосфере и жаропрочности системы легирования - (5-20)% Cr -- (15-25)% W разработаны научные предпосылки создания и оптимизации сплавов для длительной службы при 950 °С применительно к ВТГР с гелиевым теплоносителем.

У

V /аса &

I &

„ £03

X

I

у

Т^ш'е

6Г-39Н/нч£

Ж /¡¿и.

I

I

V

:

-Л

^ -

^ —

3 -

I// -

Ъ -

К £0

СоЗ&рьслммь вои<?>/>ш*а,,%

тЭак = 1250 ; & " V = 1350 °С «

Тзак = 1350 °С 4 Т = 950°С, 500 часов;

Т1зак= 1350 °С + Т2йак= 1250 °С ' скорость коррозии сплавов после закалки на

Тзак = 1250

С,охл.в воде ,,= 1250 °С и

твердый раствор,

скорость коррозии сплавов- Тзак-дополнительная вьдержка 1000 часов при температуре 950 °С

Рис. 8. Жаропрочность и жаростойкость в гелиевой

атмосфере сплавов /1//- 20%С?г - (15-25)% А/ при температуре 950 °С

2. В системе легирования Л// - (5-20)%& - (15-25)% А/ определена область, где при содержании 20% и достигается максимальная длительная прочность ^и ? 750 - 1200 часов при температуре 950 °С и ^" = -39 Н/мм2 •( 4 кгс/мм~ ) и высокая жаростойкость в гелиевой атмосфере ( скорость изменения массы сплава У/- 20%#*-- 20% Ь/ " 1,25-Ю-2 мп/см2-час ).

3. Установлены сбалансированный состав и оптимальная термическая обработка - двухкратная закалка на твердый раствор: 1350 °С,. охлаждение в воде + 1250 °С, охлаждение в воде, в результате которой формируется устойчивая крупнозернистая ( ~ 250 мкм ) ^ структура с включениями о0/ фазы и карбидными фазами MgC , Mg^Cg , занимающими в сумме 5,5-6,0% и имеющих размер не более 2,0 --2,5 мкм, что обеспечивает сплаву 2U%Cr - 20% h/ максимальный уровень длительной прочности = 800 часов и высокую его стабильность при Т = 950 °С и С = 39 Н/мм^.

4. Определено влияние природы и морфологии выделений Ы#фаэы на длительную прочность сплавов системы легирования Л//' - (5-20)%Сг-

- (15-25)% А/ :

- глобулярная Ыц фаза, выделяющаяся при первичной кристаллизации ( сплав N! - 20%^ - 25% А/ 15-25 мкм ) снижает длительную прочность относительно наибольшего уровня ( сплав Ш ~ 20% Cr -

- 20% Й/ ) в 5-10 раз;.

- вьделение дисперсной с(уфазы как при закалке на твердый раствор, так и при высокотемпературной вьдержке ( сплав V! - 20% Cr -

- 20% А/ 2,0-2,5 мкм ) повышает уровень длительной прочности и его стабильность.

5. Установлено влияние карбидных фаз MgC и MggCg на длительную прочность сплава М' - 20% СУ - 20% hl : преимущественное выделение карбидных фаз ( температура второй закалки 950-1100 °С ) снижает, а вьделение piv Ф8-311 ( температура второй закалки 1150-1250 °С ) повышает длительную прочность.

6. Термогравиметрическим анализом показано влияние W и Cr на жаростойкость в гелиевой атмосфере при постоянном составе газовых примесей сплавов системы Vi - (5-20)% - (15-25)% ¡V • при содержании и Cr <*20% формируется оксвдный слой эффективно защищающий сплав от коррозионного воздействия гелиевой атмосферы.

Гетерогенизашя структуры сплава выделениями с/ц и карбидных фаз интенсифицирует коррозионные процессы - скорость коррозии сплава М - 20- 20% А/ возрастает от + 1,25-Ю-2 мг/см^час до -6,25-• Ю-2 мг/см2 • час .

7. Изучена структура, фазовый состав, микротвердость и ударная вязкость сплавов системы легирования f/c - (5-20)% - (15-25)% bf закаленных на твердый раствор и дополнительно подвергнутых длительным высокотемпературным вьдержкам ( Т = 950 °С, ^ = 500, 1000 , 2000 часов ). Установлено, что гетерогенизация структуры карбидами и сХ// фазой сопровождается повышением микротвердости до 2500-3100 Н/мм2

и снижением ударной вязкости при 20 °С до 0,5-2,0 ВДж/м2. Вьделение фазы в сплавах tfj - 20% - (15-25)%/V не препятствует низкотемпературному охрупчиванию и повышает сопротивление высокотемпературному ( 950 °С ) охрупчиванию.

8. Показано, что низкотемпературное ( 20 °С ) разрушение сплавов систем MJ- (5-20)% Cr - (15-25)% V после ввдержки при 950°С происходит по смешанному вязко-хрупкому механизму. Высокотемпературная вьщержка способствует хрупкому разрушению: вязкие ямки отрыва и сдвига трансформируются в гребни отрыва.

Высокотемпературное разрушение ( 950 °С ) происходит по меж-зеренному механизму. Вьделение с^/ фазы в сплавах Mi - 20% Cr _ - (15-25)% W приводит к тому, что межзеренному расщеплению предшествует микропластическая деформация зернограничных поверхностей и приграничных объемов зерен.

9. Установлено, что сплавы ^-области системы М'- Cr - к/ : М/ - (5-10)% Cr- (15-20)%/V , М'- 2.0% Cr - 15% h> после закалки на твердый раствор по режиму Tg^ = 1250 °С, охл. в воде приобретают' гомогенную крупнозернистую микроструктуру ( cL = 150-240 мкм). При данной температуре закалки на сплавах ffi - 10% Cr - 25% /t/ и tJi - 2&%Сг -(20-25)% А/ , размер зерна которых 25-60 мкм, полу-

чить гомогенную структуру ^-твердого раствора неудается из-за высокой термической устойчивости карбидных и^э/д/ фаз. Прочностные и пластические свойства сплавов системы - (5-20)% Сг - (15-25)% ¿V при 20 °С \ б* = 660-870 Н/мм2, ^ = 300-400 Н/мм2; Р = 55-71%, ^ = 51-75% , и при 950 °С : 6? = 180-190 Н/мм2, = 150-160 Н/мм2; <Р = 21-31%, ^ = 25-32% обеспечивают хорошую технологическую обрабатываемость.

Сплав № - 20% Сг - 20% IV предложен для промышленного производства.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы

в следующих работах:

.1. Ульянин Е.А., Цветков Г.Г., Новичкова О.В. Жаропрочность Ш-Ог> -IV сплавов // Тезисы докладов I Всесоюзного симпозиума " Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы ", Москва, май 1989, с.39-40

■2. Цветков Г.Г., Ульянин Е.А., Новичкова О.В. Влияние химического состава и температуры аустенизации Ш-Рг-Ы сплавов на структурные изменения при длительных высокотемпературных вьдерж-ках // Тезисы докладов I Всесоюзного симпозиума " Новые жаропрочные и жаростойкие металлические материалы ", Москва, май 1989, с.15-16

3. Цветков Г.Г., Ульянин Е.А., Новичкова О.В. Структура и свойства М'-Рг-У сплавов. - М., 1989. с.15 //Рукопись деп. в Черметинформация, № 5172 от 30.06. 1989 г.

4. Цветков Г.Г., Ульянин Е.А., Новичкова О.В. 0 структурной стабильности №-Сг - А/ сплавов // Тезисы докладов 1У Всесоюзной научно-технической конференции " Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности ", Запорожье, 10-14 октября 1989, с Л