Структурная нестабильность и эксплуатационные свойства сплава 45х26Н33С2Б2 при температурах 1100-1200°С тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Фукс, Михаил Дмитриевич

• Фукс, Михаил Дмитриевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Фукс, Михаил Дмитриевич

Содержание

Стр.

Введение

ГЛАВА I. Анализ современного состояния разработки и использования жаропрочных жаростойких сплавов, применяемых для изготовления оборудования в нефтехимической отрасли промышленности

1.1. Условия эксплуатации высокотемпературных установок

в нефтехимической промышленности и требования, предъявляемые к используемым материалам

1.2. Современные жаропрочные материалы

1.2.1. Принципы создания жаропрочных материалов

1.2.2. Эволюция жаропрочных материалов

для нефтехимической промышленности

1.3. Свойства жаропрочных сплавов, применяемых

в нефтехимической промышленности

1.4. Структура сплавов на Бе-Сг-М основе

1.5. Повышение служебных характеристик жаропрочных

сплавов на основе системы Ре-Сг-№

1.5.1. Структурная нестабильность литых жаропрочных жаростойких сплавов, применяемых в нефтехимической промышленности

1.5.2. Способы повышения служебных характеристик

сплавов на основе системы Ре-Сг-№

1.6. Цель работы и постановка задач исследования

ГЛАВА II. Материалы и методика исследования

2.1. Материал исследования

2.2. Термическая обработка

2.3. Исследование микроструктуры, фазового состава

и фрактографический анализ

2.4. Испытания на длительную прочность

2.5. Термогравиметрический анализ

2.6. Оценка жаростойкости 56 ГЛАВА III. Особенности структурных и фазовых превращений

в сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах эксплуатации

3.1. Структура и фазовый состав сплава в литом состоянии

3.2. Влияние длительной высокотемпературной выдержки

на структуру и фазовый состав сплава

3.3. Механизм и кинетика фазовых превращений в сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах эксплуатации

3.3.1. Механизм образования промежуточных

интерметаллидных фаз

3.3.2. Кинетика диффузионного роста новой фазы

3.4. Заключение по главе III 97 ГЛАВА IV. Эксплуатационные свойства сплава 45Х26НЗЗС2Б2

при температуре 1150 °С

4.1. Длительная прочность литого сплава 45Х26НЗЗС2Б2

4.2. Влияние циклов нагрев-охлаждение на длительную

прочность литого сплава 45Х26НЗЗС2Б2

4.3. Жаростойкость сплава 45Х26НЗЗС2Б2

4.4. Заключение по главе IV 128 ГЛАВА V. Разработка практических рекомендаций для повышения эффективности применения жаропрочного жаростойкого

сплава 45Х26НЗЗС2Б2

5.1. Оценка целесообразности корректировки

химического состава

5.2. Регламентирование скорости охлаждения от температуры эксплуатации при технологических остановках оборудования

5.3. Оценка ресурса работы сплава

5.4. Заключение по главе V 151 Общие выводы 153 Библиографический список

[

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурная нестабильность и эксплуатационные свойства сплава 45х26Н33С2Б2 при температурах 1100-1200°С»

Введение

Одними из наиболее сложных в современной промышленности являются условия работы высокотемпературных установок нефтехимических и металлургических производств. Следствием жестких условий работы является неизбежная нестабильность структуры и механических свойств сплавов. По этой причине параметры стабильности структуры сплава, устанавливаемые техническими условиями, например, для материалов двигателей, фактически не включаются в требования к материалам оборудования нефтехимических производств. Однако именно характер и кинетика структурных изменений определяют работоспособность металлических материалов при длительной высокотемпературной эксплуатации. Таким образом, изучение структурной стабильности жаропрочных сплавов и выявление механизмов разупрочнения при температурах эксплуатации является актуальной задачей, решение которой позволит определить пути увеличения срока службы изготавливаемых из них высокотемпературных установок.

Для изготовления оборудования, используемого при переработке нефтегазового сырья, применяются в основном сплавы на железо-хром-никелевой основе с повышенным до 0,30-0,70 % масс, содержанием углерода, стабилизированные ниобием, титаном, молибденом, вольфрамом и другими элементами. Эти сплавы, как правило, работают в условиях, когда отношение рабочей температуры к их температуре солидус не превышает Траб / Тсол = 0,80. В современных промышленных условиях пиролиз углеводородов осуществляют при температурах 800-900 °С. Повышение эффективности производства за счет более глубокой переработки сырья требует увеличения температуры в зоне реакции. Учитывая, что перепад температур по толщине стенки (8-15 мм) реакционной трубы достигает 250 °С, значения температур на наружной поверхности должны находиться в

интервале 1100-1200 °С. Следовательно, верхний предел штатных рабочих температур применяемых сплавов достигнет величины Траб= 0,85ТСОЛ-

В настоящее время в качестве штатных конструкционных материалов для змеевиковых систем высокотемпературных установок различного назначения применяются жаропрочные сплавы на основе композиций Х25Н20 и Х25Н35. Сплавы используются в литом состоянии, поскольку считается, что оно обеспечивает наиболее высокую длительную прочность при температурах эксплуатации. Эти сплавы являются сложнолегированными системами, упрочнение в которых осуществляется за счет образования в структуре при кристаллизации и охлаждении карбидных фаз различного состава, формирующихся в виде межкристаллитной сетки и отдельных частиц. Учитывая, что реальная жаропрочность металлического материала определяется одновременно как его структурным состоянием, так и степенью устойчивости этого состояния, для оценки работоспособности сплавов необходимо знать особенности и природу фаз, присутствующих в их структуре. При этом наиболее важной характеристикой является термодинамическая стабильность структуры сплава, особенно для литого состояния, являющегося метастабильным вследствие значительной структурной и химической неоднородности. Однако для сплавов типа Х25Н20 и Х25Н35 такие данные в литературе практически отсутствуют.

Значительное количество публикаций, посвященных изучению этого вопроса, относится к температурному интервалу до 1000 °С (Траб/ Тсол< 0,80). Отдельные исследования характера и последовательности структурных и фазовых превращений в жаропрочных сплавах на основе системы Ре-Сг-№ при длительных выдержках в области температур 1100-1200 °С (Траб / Тсол = 0,80-0,85), в том числе под действием внешней нагрузки, появились только в последнее десятилетие и не позволяют оценить работоспособность сплавов типа Х25Н20 и Х25Н35 в этих температурно-временных условиях. Однако необходимо учитывать, что интенсивность указанных процессов, протекающих в структуре сплавов, значительно

возрастает по мере приближения рабочей температуры к температуре солидус, в том числе и в связи с увеличением диффузионной подвижности легирующих элементов. Оценочно, коэффициент диффузии элементов, образующих в жаростойких сплавах твердые растворы замещения (железо,

никель, хром), увеличивается с Б =3*10"14 см2/с при температуре 1000 °С до

12 2

0=10" см /с при 1150°С, т.е. в 30 раз. Это должно оказывать значительное влияние на эксплуатационные характеристики сплавов и ресурс работы изготавливаемого из них оборудования.

Таким образом, обоснование возможности применения экономнолегированных жаропрочных жаростойких сплавов типа Х25Н35 в качестве конструкционных материалов высокотемпературного оборудования, когда отношение рабочей температуры к их температуре солидус достигает значения Траб / Тсол = 0,80-0,85, а также определение остаточного ресурса оборудования в этих условиях являются важными и актуальными задачами современного металловедения. Решение их являлось предметом исследований данной диссертационной работы.

Работа выполнена как часть научных исследований, проводимых в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в рамках программ, финансируемых из фонда научно-технического развития в 2010-2013 годах (Тема № 900223), а также научно-производственных договоров с ОАО «СИБУР Холдинг» (№ НПО/700062 от 27.01.2010г.) и ОАО «СалаватНефтеоргсинтез» (№ НПО/730551 от 26.02.2013г.).

Целью работы является повышение эффективности использования литых жаропрочных жаростойких сплавов системы Бе-Сг-М базовой композиции Х25Н35 за счет обоснования возможности увеличения температуры эксплуатации до 0,80-0,85 от температуры солидус на основе изучения их структурной стабильности и анализа ее влияния на работоспособность крупногабаритных деталей высокотемпературных установок нефтехимического производства.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Исследование структуры, фазового состава и химической микронеоднородности в литом состоянии, а также изменений параметров структуры, химического состава и морфологии упрочняющих фаз литого сплава базовой композиции Х25Н35 при длительной выдержке при температурах в интервале Траб / Тсол = 0,80-0,85.

2. Анализ механизма и оценка кинетики фазовых превращений в литых жаропрочных сплавах на основе системы Ре-Сг-№ при длительной высокотемпературной выдержке.

3. Определение длительной прочности литого сплава системы Ре-Сг-№ базовой композиции Х25Н35 при температурах Траб / Тсол = 0,80-0,85 и анализ влияния структурных и фазовых превращений в сплавах системы Ре-Сг-№ на их работоспособность при этих температурах.

4. Исследование влияния промежуточных циклов нагрев-охлаждение и скорости охлаждения в цикле на длительную прочность сплава базовой композиции Х25Н35.

5. Исследование механизмов окисления основных и промежуточных фаз в структуре сплава базовой композиции Х25Н35 и оценка жаростойкости сплавов на основе системы Ре-Сг-№ при температурах в интервале Траб/Тсол = 0,80-0,85.

6. Прогнозирование работоспособности литых сплавов системы Ре-Сг-№ базовой композиции Х25Н35 при температурах 1100-1200 °С (Траб I Тсол = 0,80-0,85) и разработка рекомендаций по использованию литых жаропрочных жаростойких сплавов на основе системы Ре-Сг-№ в условиях эксплуатации змеевиковых систем высокотемпературных установок, применяемых в нефтехимической промышленности.

Научная новизна диссертационной работы:

- обоснована и количественно оценена термодинамическая нестабильность литой структуры жаропрочных жаростойких сплавов типа Х25Н25 на основе системного исследования фазового состава и характера

распределения легирующих элементов в у-твердом растворе и карбидных фазах;

- выявлены характер и последовательность трансформации структуры в литом сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при температуре 1150°С в интервале времени выдержки до 100 ч. Установлено непрерывное изменение структуры сплава при длительной высокотемпературной выдержке, при котором химический состав матричного твердого раствора на Ре-Сг-№ основе практически не меняется, а происходит растворение исходных карбидных фаз с образованием и растворением промежуточных интерметаллидных и карбидных фаз в адаптирующемся режиме, характеризующимся установлением условного динамического структурного «равновесия»;

- выполнен анализ кинетики фазовых превращений в сплавах типа Х25Н35 при длительной выдержке в интервале температур Траб / Тсол = 0,800,85, позволивший выявить и объяснить их механизм на основе концепции электронных вакансий (Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К.). Показано, что кинетически процесс лимитируется диффузией элементов замещения с наибольшим соотношением числа электронных вакансий в новой фазе и в матрице (Сф/С0);

- экспериментально определена длительная прочность литого сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температуре 1150°С. Получено уравнение, позволяющее рассчитывать значение длительной прочности сплава:

где адл - длительная прочность при температуре 1150°С; а0= 14 МПа и т0= 33 ч - соответственно, длительная прочность и время для первой серии испытаний при температуре 1150°С, принятой за базу;

- установлено, что после предварительной выдержки при 1150 °С длительностью 2... 100 ч последующее непрерывное медленное охлаждение,

о

имитирующее технологические остановки высокотемпературного оборудования, оказывает большее отрицательное влияние на длительную прочность сплава 45Х26НЗЗС2Б2 по сравнению с изотермической выдержкой, особенно в начальный период эксплуатации;

- установлено, что ускоренное охлаждение от температуры 1150 °С до комнатной значительно повышает длительную прочность литого сплава 45Х26НЗЗС2Б2 за счет затормаживания процессов выделения хрупких промежуточных фаз и обеднения матричного твердого раствора легирующими элементами;

- изучен процесс окисления сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах 400-1150 °С, в том числе при приложении внешней нагрузки. Установлено, что наличие сложной многофазной структуры определяет избирательный характер окисления сплава, однако окисление происходит лишь в тонком слое материала.

Практическая значимость результатов работы:

- обоснована возможность работоспособности деталей из жаропрочных жаростойких сплавов типа Х25Н35 в качестве конструкционных материалов высокотемпературного оборудования, при кратковременном технологическом повышении рабочей температуры до ТРаб/ТС0Л = 0,80-0,85;

- сформулированы практические рекомендации для увеличения ресурса эксплуатации высокотемпературного оборудования, изготовленного из сплавов типа Х25Н35, регламентирующие режим работы установок и предварительную термическую обработку заготовок деталей оборудования;

- получена база экспериментальных данных по результатам длительных (до 1000 ч) испытаний при температуре 1150°С жаропрочного жаростойкого сплава на железо-хром-никелевой основе марки 45Х26НЗЗС2Б2 в различных состояниях. Экспериментально определено, что по основным эксплуатационным свойствам экономнолегированный сплав 45Х26НЗЗС2Б2 является конкурентоспособным по сравнению с более

дорогими высоколегированными жаропрочными жаростойкими сплавами (50Х28Н48В5 и др.) и перспективным при использовании в качестве конструкционного материала для изготовления высокотемпературного оборудования различного назначения с допустимым повышением рабочей температуры до 1100-1200 °С.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное и расчетно-теоретическое обоснование возможности применения жаропрочного жаростойкого сплава 45Х26НЗЗС2Б2 в качестве конструкционного материала в температурно-временных условиях эксплуатации, когда, отношение рабочей температуры к их температуре солидус кратковременно достигает значения Траб / Тсол = 0,800,85, а также практические рекомендации для увеличения ресурса работы высокотемпературного оборудования, изготовленного из него.

2. Результаты экспериментально-теоретических исследований особенностей структуры литого сплава 45Х26НЗЗС2Б2, а также структурных и фазовых превращений в нем при выдержке в области температур Траб/Тсол = 0,80-0,85.

3. Механизм и кинетика фазовых превращений в жаропрочном жаростойком сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при выдержке в области температур Траб/Тсол = 0,80-0,85.

4. База экспериментальных данных по длительной прочности при температуре 1150 °С и времени выдержки до 1000 ч сплава 45Х26НЗЗС2Б2 в литом и предварительно термически обработанном состояниях.

5. Результаты исследований процесса окисления сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах 400-1150 °С, в том числе при приложении внешней нагрузки.

6. Результаты расчетно-теоретического прогнозирования длительной прочности сплава 45Х26НЗЗС2Б2 при 1150°С на временную базу 105ч -величину, требуемую для жаропрочных жаростойких сплавов,

предназначенных для изготовления высокотемпературных элементов установок пиролиза нефтехимической промышленности.

Достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации обеспечиваются корректностью постановки задач исследования и комплексным подходом к их решению; большим объемом экспериментов и расчетов и критическим сравнением полученных данных с результатами других авторов; использованием современных методов испытаний, аналитического оборудования, математического аппарата; привлечением статистических методов обработки результатов.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач исследования, выборе методов и создании оригинальных установок для испытаний материала при температуре 1150 °С, проведении экспериментов и выполнении расчетов, обработке полученных результатов и формулировании выводов, разработке практических рекомендаций для эффективного использования экономнолегированных жаропрочных жаростойких сплавов типа Х25Н35 в промышленности.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Девятая Международная научно-техническая конференция "Современные металлические материалы и технологии (СММТ'11)», июнь 22-24, 2011, Санкт-Петербург; Двенадцатая Международная конференция «Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», июнь 5-8, 2012, Санкт-Петербург; Одиннадцатая научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Новые материалы и технологии», июнь 20-22, 2012, Санкт-Петербург; Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ'12)», июнь 27-29, 2012, Санкт-Петербург; Двенадцатая международная конференция молодых ученых и специалистов «Новые материалы и технологии», июнь 17-19, 2013, Санкт-Петербург; Десятая Международная научно-техническая конференция

"Современные металлические материалы и технологии (СММТ'13)», июнь 25-29, 2013, Санкт-Петербург.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 работе, включая 11 статей в журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 166 страницах, содержит: 23 таблицы и 79 рисунков. Библиографический список включает 71 наименование.

Глава I. Анализ современного состояния разработки и использования жаропрочных жаростойких сплавов, применяемых для изготовления оборудования в нефтехимической отрасли промышленности

1.1. Условия эксплуатации высокотемпературных установок в нефтехимической промышленности и требования, предъявляемые к используемым материалам

Наиболее ответственными элементами высокотемпературных установок в нефтехимической промышленности являются змеевиковые системы, эксплуатирующиеся в максимально жестких условиях [1]. Радиантный змеевик представляет собой конструктивную систему, состоящую из труб, изготавливаемых методом центробежного литья, и фасонных отливок (фитингов), изготавливаемых методом статического литья, соединенных между собой с помощью сварки (рис. 1.1). В табл. 1.1 приведены основные рабочие параметры высокотемпературных печей пиролиза этилена. Ресурс радиантных змеевиков установок пиролиза составляет 2-4 года, в то время как для эффективной работы установки расчетный ресурс составляет ~ 10 лет.

Рис. 1.1. Радиантный змеевик

Таблица 1.1. Условия эксплуатации нефтехимических установок

пиролиза этилена [1,2]

Технологический параметр Режим эксплуатации

Температура газа на выходе, °С 900

Температура наружной стенки трубы, °С 1100

Скорость газового потока, м/с 200-300

Рабочее давление, МПа 0,25-0,37

Коррозионная среда непредельные углеводороды

Ресурс 10 лет

На основании анализа условий эксплуатации высокотемпературных установок производства этилена и экспертизных исследований вышедших из строя элементов радиантных змеевиков [1,2] можно заключить, что причинами их разрушения являются:

- недостаточная долговечность изделий, из которых изготавливалась радиантная часть установок, что определялось низким пределом длительной прочности использованных конструкционных материалов при температурах эксплуатации;

- высокая степень науглероживания элементов радиантных змеевиков с последующим коксоотложением на стенках трубной системы, что приводит к нарушению теплового режима, снижению теплопередачи и, как следствие, к перегреву материала конструкции и её разрушению;

- низкая жаростойкость штатных материалов, приводящая к высокой степени окисления материала трубной системы, отшелушиванию окисной пленки, уменьшению живого сечения металла, увеличению действующих напряжений.

Первые две причины являются определяющими в отношении работоспособности и долговечности радиантных змеевиков.

Таким образом, конструкционный материал, применяемый для изготовления радиантных змеевиковых систем, должен обладать:

- жаропрочностью, чтобы противостоять напряжениям, возникающим вследствие изменения температурного градиента по толщине стенки, а также от внутреннего давления и массы труб;

- жаростойкостью в атмосфере печи и в технологической среде.

Эти требования являются важнейшими при выборе материала для изготовления радиантных змеевиков и оценке их работоспособности в условиях эксплуатации высокотемпературных установок в нефтехимической промышленности.

1.2. Современные жаропрочные материалы 1.2.1. Принципы создания жаропрочных материалов

Для определения перспектив развития современных научных исследований в области жаропрочных материалов целесообразно проанализировать этапы создания и совершенствования этого направления металловедения, рассмотреть основные механизмы упрочнения сплавов (природу жаропрочности) и группы жаропрочных материалов, имеющих наибольшее промышленное применение.

Известно [3,4], что для повышения прочности металлов и сплавов используются следующие механизмы:

- наклеп (механическое деформирование) в холодном состоянии;

- сплавление основного металла с компонентами, образующими твердый раствор;

- получение высокодисперсной смеси фаз путем закалки многофазного сплава с образованием пересыщенного метастабильного

твердого раствора и последующего упрочняющего отпуска с выделением дисперсных включений;

- введение в сплав компонентов, образующих уже при кристаллизации новую более твердую фазу, преимущественно в виде сетки по границам основной фазы или в виде каркаса между ветвями дендрита основного металла.

Первые два механизма упрочнения связаны с упрочнением кристаллов посредством искажения кристаллической решетки. Третий механизм упрочняет сплав за счет искажения кристаллической решетки основного металла и гетерогенизации структуры. Четвертый механизм упрочняет сплав путем затруднения движения дислокаций посредством гетерогенизации структуры.

При эксплуатации в рабочем диапазоне температур искажение кристаллической решетки за счет наклепа в холодном состоянии нивелируется вследствие увеличения диффузионной подвижности атомов. При температурах, составляющих 0,4-0,5 от температуры плавления (0,4-0,5 Тпл) действие механического упрочнения ослабевает, а при температурах выше 0,5 Тпл может не учитываться. Следовательно, этот механизм упрочнения не применим к материалам, использующимся в печных змеевиках установок пиролиза.

Первые теории создания жаропрочных материалов базировались на принципе легирования материалов с целью твердорастворного упрочнения, которое достигалось за счет легирования сплавов тугоплавкими элементами, имеющими низкую диффузионную подвижность при высоких температурах и значительные различия с матрицей в размерах атомов. Это приводит к искажению кристаллической решетки матрицы и, естественно, к повышению сопротивления деформированию металла даже при высоких температурах. Данный принцип позволил создать сплавы, эксплуатирующиеся при температурах до 850 °С и обладающие высокими характеристиками жаропрочности. Однако установки пиролиза эксплуатируются при

температурах до 1100-1150 °С и, в данном случае, полагаться на механизм твердорастворного упрочнения как на основной путь повышения жаропрочности не целесообразно. При этом следует отметить, что усложнение состава твердого раствора является полезным, так как введение в кристаллическую решетку матрицы посторонних атомов, обладающих отличным от матричного металла удельным атомным объемом, приводит к искажениям кристаллической решетки, замедляя диффузионные процессы и процессы распада закаленного твердого раствора, что усиливает упрочняющее действие дисперсных выделений.

Следующим этапом развития жаропрочных сплавов было создание сплавов с дисперсионным упрочнением. Основной принцип легирования жаропрочных сплавов, который был сформулирован академиком С.Т. Кишкиным [5], заключается в необходимости многокомпонентного легирования, цель которого состоит в создании гетерофазных сплавов со структурой, включающей дисперсные выделения упрочняющих фаз, обладающих высокой стабильностью при высоких температурах [6].

В дисперсионно твердеющих жаропрочных сплавах реализация этого принципа происходит по нескольким направлениям:

- легирование с целью снижения диффузионных процессов не только в объеме сплава, но и по границам зерен и фаз;

- максимальное упрочнение матричного у-твердого раствора;

- образование высокодисперсных, термически стабильных упрочняющих фаз (в том числе карбидных);

- уменьшение скорости укрупнения выделений при рабочих температурах;

- предотвращение появления зон, свободных от выделений упрочняющих фаз.

Такой принцип позволил создать сплавы, обладающие высокой жаропрочностью при относительно коротких временах эксплуатации, в частности для авиационных газовых турбин. При более длительной

эксплуатации дисперсные частицы укрупнялись, эффективные высокотемпературные барьеры для движения дислокаций исчезали и сплав терял свою жаропрочность.

Условия эксплуатации радиантных змеевиков требуют другого подхода к созданию жаропрочных сплавов. Температура эксплуатации радиантных змеевиков, как уже отмечалось, достигает 1100 °С (при местных перегревах 1150°С), время эксплуатации исчисляется годами. Поэтому при создании сплавов для современных высокотемпературных установок требуются материалы другого класса, чем ранее применявшиеся для различных конструкций, в том числе и для газотурбинных установок.

При температурах эксплуатации установок пиролиза, то есть температурах выше 0,6-0,7 Тпл, из всех перечисленных 4-х механизмов упрочнения фактически сохраняется лишь упрочнение, вызванное наличием сетчатых или каркасных выделений второй фазы, если вторая фаза настолько тугоплавка, что в ней не развиваются диффузионные процессы, и если между этой фазой и основным металлом не идут в заметной степени процессы обмена атомами (процессы растворения или осаждения). Эти два условия наиболее полно выполняются, когда растворимость сосуществующих фаз не зависит от температуры, что обеспечивается в случае, когда второй фазой является химическое соединение.

Еще вероятнее соблюдение этих условий в трех- и четырехкомпонентных системах, когда второй фазой является тугоплавкое сложное соединение. Важную роль для обеспечения устойчивости прочностных свойств жаропрочного материала при нагреве имеют также свойства новой фазы и характер структуры сплава.

Наиболее благоприятной формой выделений второй фазы для создания жаропрочности при высоких температурах является сетчатый или каркасный характер выделений, формируемый в литых сплавах. Такой характер выделений второй фазы исчезает при деформации ниже температур

их образования, вследствие чего литые, а не деформированные, сплавы обеспечивают наибольшую жаропрочность при прочих равных условиях.

Повышение жаропрочности может быть достигнуто за счет увеличения общего содержания тугоплавких элементов, которые не только обеспечивают твердорастворное упрочнение материала, но и способны, входя в состав сложных карбидов, повышать их термическую стабильность.

Как было показано в ряде работ [1-3, 5-13], жаропрочные свойства многокомпонентных сплавов оказываются значительно более высокими, чем свойства фаз, их составляющих. Этот факт является дополнительным подтверждением принципа оптимального легирования, решающего задачи не только прочности матрицы и выделяющихся фаз, но и, главным образом, оптимизации гетерофазности структуры и повышения ее термической стабильности, которая определяется высокотемпературным поведением всех структурных составляющих, постоянством их состава и состоянием межфазной границы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фукс, Михаил Дмитриевич, 2013 год

Библиографический список

1. Орыщенко A.C. Жаростойкие жаропрочные сплавы [Текст] / A.C. Орыщенко. - СПб.: Наука, 2011. - 191 с.

2. Орыщенко A.C. Разработка жаростойких сплавов для элементов конструкций радиантной части змеевиков высокотемпературных установок нефтесинтеза [Текст] / A.C. Орыщенко // Вопросы материаловедения. - 2006. - № 1 (45). - С. 147-159.

3. Бочвар A.A. Металловедение [Текст] / A.A. Бочвар. - М.: Государственное научно-техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1956. - 494 с.

4. Паршин A.M. Структура, прочность и пластичность нержавеющих сталей и сплавов, применяемых в судостроении [Текст] /A.M. Паршин. - JL: Судостроение, 1972. - 288 с.

5. Масленков С.Б. Стали и сплавы для высоких температур. В 2-х книгах: Справочник [Текст] / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова. - М.: Металлургия, 1991. - 832 с.

6. Каблов E.H. Особенности легирования и термообработки литейных жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / E.H. Каблов, A.B. Логунов, В.В. Сидоров // Материаловедение. - 2001. - № 4. - С. 26-30.

7. Кишкин С.Т. Научные основы легирования жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / С.Т. Кишкин, A.B. Логунов, Н.В. Петрушин и др. // Вопросы авиационной науки и техники. Сер. Авиационные материалы: сб. науч. тр. / ВИАМ. - Москва, 1987. - Вып. Методы исследования конструкционных материалов. - С. 6-18.

8. GarbiakM. Materials for Reformer Furnace Tubes. History of Evolution [Текст] / M. Garbiak, W. Jasinski, B. Piekarski // Archives of Foundry Engineering. -2011.- Vol. 11. - № 2. - P. 47-52.

9. Toshikazu Shibasaki. Experiences of Niobium containing alloys for steam reformers [Текст] / Toshikazu Shibasaki // AIChE Symposium, Ammonia Safety. - 1986.-P. 56-58.

10. Kirchheiner R. Niobium in centrifugally cast tubes for petrochemical applications [Текст] / R. Kirchheiner, P. Woelpert. // Lindlar: Schmidt + Clemens GmbH + Co. (S+C). - 2001. - P. 1-14.

11. Shinoda L.T. The effect of single and combined additions of titan and niobium on the structure and strength of the centrifugally cast HK40 steel [Текст] /L.T. Shinoda//Trans ISIJ. - 1978.-Vol. 18. - P. 139-141.

12. Wen-Tai H. Structure of centrifugally cast austenitic stainless steels. Part 2: Effects of Nb, Ti, Zr [Текст] / H. Wen-Tai, R.W. Honeycombe // Materials Science and Technology. - 1985. - Vol. 1. - P. 390-397.

13. Muralidharan G. Development of Stronger and More Reliable Cast Austenitic Stainless Steels (H-Series) Based on Scientific Design Methodology [Текст] / G. Muralidharan, V.K. Sikka, R.I. Pankiw // Materials Science & Technology Division CRADA Final Report For CRADA Number ORNL02-0632. - 2006. - 114 p.

14. Piekarski B. Improving the resistance to carburising of creep-resistant castings [Текст] / В. Piekarski // Archives of Foundry Engineering. - 2008. -Vol 8,- №4. -P. 181-184.

15. LedjeffK. Oxidation und Aufkohlung hochlegierter Werkstoffe fur Crackrohre. Teil 1, 2 [Текст] / К. Ledjeff, A. Rahmel, M. Schorr // Werkst. u. Korrosion. - 1979. - № 30. - P. 767-784.

16. Piekarski В., Effect of Nb and Ti additions on micro-structure and identification of precipitates in stabilized Ni-Cr cast austenitic steels [Текст] / В. Piekarski // Materials Characterization. - 2002. - №47/3. -P. 181-184.

17. Hemptenmacher J. Einflüsse kleiner Zusätze von Niob oder Cer auf Korrosion und Kriechen von Incoloy 800 in C0-H20-H2-Atmospheren [Текст] / J. Hemptenmacher, H.J. Grabke // Werkst, u. Korrosion. - 1983. -№ 34. -P. 333-341.

18.Piekarski B. Austenitic steel casting used in constructional of carburising furnaces - theoretical and practical aspects of increasing life [Текст] / В. Piekarski // Prac. Nauk. PS. - 2003. - P. 899-906.

19. HernasA. Creep strength of steels and alloys [Текст] / A. Hernas.-Gliwice: Silesian Technical University Press, 2000. -58 s.

20. PivinJ. Oxidation mechanism of Fe-Ni-20-25Cr-5Al alloys-influence of small amount of yttrium on oxidation kinetics and oxide adherence [Текст] / J.C. Pivin, D. Delaunay, C. Roques etc. // Corrosion Science. - 1980. -V. 20.-№3.-P. 351-373.

21. TillackD.J. Wrought And Cast Heat-Resistant Stainless Steels and Nickel Alloys for the Refining and Petrochemical industries [Текст] / Donald J. Tillack, Joseph E. Guthrie // Nickel Development Institute Technical Series? № 10,071.- 16 p.

22. Almedia L.H. Microstructural characterization of modified 25Cr-35Ni centrifugally cast steel furnace tubes [Текст] / Luiz Henrique de Almeida, Andre Freitas Ribeiroa, Iain Le May // Materials Characterization. - 2003. -V. 49. №3.-P. 219-229.

23. Sourmail T. Precipitation in Creep Resistant Austenitic Stainless Steel. Literature review [Текст] / Т. Sourmail // Materials Science and Technology.-2001.-V. 17. -№ l.-P. 1-14.

24. Gavriluk V. High nitrogen steels [Текст] / V. Gavriluk. - Berlin: Springer Verlag, 1999.-378 s.

25. Lai J. A review of precipitation behavior in AISI type 316 steinless steel [Текст] / J.K.L. Lai // Materials Science and Engineering. - 1983. - V. 61. -№2.-P. 195-209.

26. Aydin H.E. Ausscheidungsverhalten der hitzebeständigen austenitischen Gußstähle G-X40CrNiSi 25 20, G-X40NiCrSi 35 25 und G-X35CrNi SiNb 24 24 [Текст] /1. Aydin, H-E. Bühler, A. Rahmel // Arch. Eisenhüttenwes. -1983.-V. 10.-P. 421-432.

27. Geier M. Contribution a l'étude de la fissuration en cours solidification des austénites allies ä 25%Cr -20%Ni en rapport avec leur teneur en carbone [Текст] / M. Geier, F. Gobin // Métaux. - 1969. - V. 8. - P. 280-288.

28. Mikulowski B. Stopy zaroodporne i zarowytrzymale - Nadstopy [Текст] / В. Mikulowski // Krakow: Wydaw. - AGH, 1997. - 72 s.

29. Thomas C.W. Assessment of thermal history of niobium modified HP50 reformer tubes microstructural methods [Текст] / C.W. Thomas, M. Borshevsky, A.N. Marshall // Materials Science and Technology. - 1992. -V. 10.-P. 855-861.

30. Piekarski B. Creep-Resistant Austenitic Cast Steel [Текст] / В. Piekarski, J. Kubicki // Archives of Foundry Engineering. - 2008. - V. 8. - № 2. -P. 115-120.

31.MrowecS. Nowoczesne materialy zaroodporne [Текст] / St. Mrowec, T. Werber. - Krakow: Wydawnictwa naukowo-techniczne. Wyd. 2 zm., 1982.-455 s.

32. Piekarski B. Odlewy ze staliwa austenitycznego w budowie piecow do naweglania - teoretyczne i praktyczne aspekty podwyzszania ich trwaloskci [Текст] / Polit. Szczecinskiej. - 2003. - Nr. 573. - S. 1-146.

33.BarcikJ. Procès wydzielania fazy sigma w chromowo-niklowych stalach

__r

austenitycznych [Текст] / J. Barcik // Prac. Nauk. Uniwersytetu Sl^skiego. Katowice - 1979. - № 340. - S. 289-294.

34. Powell D.J. The precipitation characteristics of 20% Cr/25% Ni-Nb stabilised stainless steel [Текст] / D.J. Powell, R. Pilkington, D.A. Miller // Acta Metallurgica. - 1988. -V. 36. -№ 3. - P. 713-724.

35. Barbabela G.D. Role of Nb in Modifying the Microstructure of Heat-resistant Cast HP Steel [Текст] / G.D. Barbabela // Materials Characterization. - 1991. - V. 26. -P. 1-7.

36. Barbabela G.D. Phase Characterization in Two Centrifugally Cast HK Stainless Steel Tubes [Текст] / G.D. Barbabela // Materials Characterization. - 1991. - V. 26.-P. 193-197.

37. Ibanez R. Effects of Si Content on the Microstructure of Modified-HP Austenitic steels [Текст] / R. Ibanez // Materials Characterization. - 1993. -V. 30.-P. 43-49.

38. KenikE.A. Structure and phase stability in a cast modified-HP austenite after long-term ageing [Текст] / E.A. Kenik, P.L.Maziasz, R.W. Swindeman etc. // Scripta Materialia. - 2003. - V. 49. - № 2 - P. 117-122.

39. Thomas C.W. The Microstructure and Properties of HP50-Nb: a comparison of as-cast and service exposed materials [Текст] / C.W. Thomas, K.J. Stevens, M.J. Ryan // Materials Science and Technology. - 1996. -V. 12. - P. 469-475.

40. Stadelmaier H.H. Developments in the structural chemistry of alloy phases [Текст] / H.H. Stadelmaier. - Berlin: Plenum Press, 1969. - 141 s.

41. Анастасиади Т.П. Формирование химической микронеоднородности в литейных сплавах [Текст] / Т.П. Анастасиади. - СПб.: Политехника. -1991.- 148 с.

42. Бокштейн С.З. Структурная стабильность конструкционных материалов [Текст] / С.З. Бокштейн, С.Т. Кишкин, Р.Е. Шалин // Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков: сб. науч. тр. / ВИАМ. - Москва, 1994. - С. 547-553.

43. Гудцов Н.Т. Влияние ванадия на свойства железо-хромо-никелевого сплава с 12 % хрома и 35 % никеля [Текст] / Н.Т. Гудцов, Т.С. Марьяновская // Исследования по жаропрочным сплавам: сб. науч. тр., Т. IX / АН СССР. - Москва, 1957. - С. 3-9.

44. Угорский А.Э. О параметрических методах температурно-временной экстраполяции предела длительной прочности [Текст] / А.Э. Угорский // Проблемы прочности. - 1986. -№ 1. - С. 40-43.

45. Iain Le May. Developments in Parametric Methods for Handling Creep and Creep-Rupture Data [Текст] / Le May Iain // Journal of Engineering Materials and Technology. - 1979.-V. 101.-No. 4.-P. 326-330.

46. Орыщенко A.C. Конструкционные материалы для радиантных змеевиков высокотемпературных установок нефтехимического комплекса [Текст] / A.C. Орыщенко // Металлург. - 2008. - № 2. -С. 66-68.

47. Орыщенко A.C. Влияние изменения микроструктуры при температурах 800-1100 °С на характеристики жаропрочности сплава 45Х26НЗЗС2Б2 [Текст] / A.C. Орыщенко, Ю.А.Уткин //Вопросы материаловедения. - 2009. -№ 3. - С. 17-25.

48. Орыщенко A.C. Влияние легирования и способов получения литых изделий на механические свойства и структуру жаростойких сталей и сплавов [Текст] / A.C. Орыщенко, В.В. Рыбин, Ю.А. Уткин, Н.Б. Одинцов // Вопросы материаловедения. - 2004. - № 3. - С. 5-19.

49. Анастасиади Г.П. О росте частиц новой фазы, лимитируемом диффузией одного компонента [Текст] / Г.П. Анастасиади // Физика металлов и металловедение. - 1979. - Т. 47. - Вып. 3. - С. 654-656.

50. Анастасиади Г.П. Неоднородность и работоспособность стали [Текст] / Г.П. Анастасиади, М.В. Сильников. - СПб.: Изд-во Полигон, 2002. - 624 с.

51. Орыщенко A.C. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 2. Влияние высокотемпературной выдержки [Текст] / A.C. Орыщенко, С.Ю. Кондратьев, Т.П. Анастасиади и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Наука и образование. - 2012. -№ 2-1 (147). -С. 217-228.

52. Жаропрочные сплавы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 1 [Текст] / ред. Ч.Т. Симе, Н.С. Столофф, У.К. Хагель; пер. с анг. Под ред. P.E. Шалина. - Москва: Металлургия, 1995.-384 с.

53.Слезов В.В. Рост частиц новой фазы при распаде пересыщенных твердых раствовров [Текст] / В.В. Слезов, В.В. Сагалович //Известия АН СССР. Неорганические материалы. - 1976. - № 12. - С. 719-722.

54. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. [Текст] / Я.И. Френкель. - Л.: Наука, 1975. - 592 с.

55. Хажинский Г.М. Деформирование и длительная прочность металлов [Текст] / Г.М. Хажинский. - М.: Научный мир, 2008. - 136 с.

56. Марочник стали для машиностроения. [Текст] / ред. И.М. Глезер, A.A. Сорокина. - М.: ЦНИИТМАШ, 1965. - 594 с.

57. Орыщенко A.C. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 1. Литое состояние [Текст] / A.C. Орыщенко, С.Ю. Кондратьев, Г.П. Анастасиади и др. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Наука и образование.- 2012. -№ 1 (142).-С. 155-163.

58. Рудской А.И. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26НЗЗС2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 3. Механизм и кинетика фазовых превращений [Текст] / А.И. Рудской, Г.П. Анастасиади, A.C. Орыщенко и др. // Научно-технические

ведомости СПбГПУ. Сер. Наука и образование. - 2012. - № 3-2 (154). -С. 143-150.

59. Buchanan Karl G. Crystallography and Morphology of Niobium Carbide in As-Cast HP-Niobium Reformer Tubes [Текст] / Karl G. Buchanan, Milo V. Krai // Metallurgical and Materials Transactions A.-2012.-V. 43. -№6. -P. 1760-1769.

60. Kaya A.A. Microstructure of HK40 Alloy after High-Temperature Service in Oxidizing / Carburizing Environment: II. Carburization and Carbide Transformations [Текст] / A.A. Kaya // Materials Characterization. -2002. - V. 49,- № 1. - P. 23-34.

61. GarbiakM. Precipitation Kinetics in Austenitic 18Cr-30Ni-Nb Cast Steel [Текст] / M. Garbiak, R. Chylinska // Archives of Foundry Engineering. -2008.-V. 8. -№ 3. - P. 27-30.

62. Babakr A.M. Sigma Phase Formation and Embrittlement of Cast Iron-Chromium-Nickel (Fe-Cr-Ni) Alloys [Текст] / A.M. Babakr, A. Al-Ahmari, K.Al-Jumayiah, F. Habiby // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. - 2008. - V. 7. - № 2. - P. 127-145.

63. Бирке H. Введение в высокотемпературное окисление металлов [Текст] / Н. Бирке, Д. Майер; пер. с анг. под ред. Е.А. Ульянина. - М.: Металлургия, 1987. - 184 с.

64. Войтович Р.Ф. Окисление карбидов [Текст] / Р.Ф. Войтович. - Киев: Изд-во «Наукова думка», 1981. - 192 с.

65. Mclntyre N. Characterization of Oxide Structures Formed on Nickel-Chromium Alloy During Low Pressure Oxidation at 500-600 °C [Текст] / N. Mclntyre, N. Chan, C. Chen // Oxidation of Metals. - 1990. -V. 33. -N. 5-6.-P. 458-479.

66. Asteman H. Oxidation of 310 (25/20) steel in H20/02 mixture at 600 °C. Effect of water-vapor-enhanced chromium evaporation [Текст] /

H. Asteman, J. Svensson, L. Johansson // Corrosion Science. - 2002. -V. 44-P. 2635-2649.

67. Ostwald C. Initial oxidation and chromium diffusion. Effects of surface working on 9-20% Cr steels [Текст] / С. Ostwald, H. Grabke // Corrosion Science. - 2004. - V. 46. - P. 1113-1127.

68. Angerman C.L. Long-Term Oxidation of Superalloys [Текст] / C.L.Angerman // Oxidation of Metals. - 1972. - V. 5. - № 2. - P. 149-167.

69. Papageorgiou D.G. Oxygen adatom diffusion on the NiO (001) surface by molecular dynamics simulation [Текст] / D.G. Papageorgiou, T. Karakasidis, G.A. Evangelakis // Physica B. - 2002. -V. 318. - № 2. -P. 211-216.

70. Akida K. Quantitative Prediction of Voids Formation in a Growing Cobaltous Oxide Scale at 1373 К [Текст] / К. Akida, M. Ueda, К. Kawamura, E. Maruyama // Materials Transactions. - 2007. - V. 48. -№ 11.-P. 2997-3006.

71. Пат. 2447172 Российская Федерация, МПК С22С 19/05. Жаропрочный сплав [Текст] / Орыщенко А.С., Уткин Ю.А.; заявитель и патентообладатель ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей». -№ 2011101315/02; заявл. 13.01.2011; опубл. 10.04.2012, Бюл. № 10 - 7 с.