RU2808314C2 - Method for producing nickel alloy powder with good corrosion resistance and high tensile strength and its application (options) - Google Patents
Method for producing nickel alloy powder with good corrosion resistance and high tensile strength and its application (options) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808314C2 RU2808314C2 RU2023103593A RU2023103593A RU2808314C2 RU 2808314 C2 RU2808314 C2 RU 2808314C2 RU 2023103593 A RU2023103593 A RU 2023103593A RU 2023103593 A RU2023103593 A RU 2023103593A RU 2808314 C2 RU2808314 C2 RU 2808314C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- powder
- content
- gamma
- stage
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 13
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title description 21
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title description 18
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 98
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 98
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 13
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 45
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 44
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 23
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 19
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 16
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 10
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 34
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 34
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 37
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 description 24
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 21
- 238000003483 aging Methods 0.000 description 19
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 description 17
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 13
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 11
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 8
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 8
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 8
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 7
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 5
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- -1 chromium forms carbides Chemical class 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 3
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 description 3
- RHDUVDHGVHBHCL-UHFFFAOYSA-N niobium tantalum Chemical compound [Nb].[Ta] RHDUVDHGVHBHCL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005261 decarburization Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 230000001627 detrimental effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910000623 nickel–chromium alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N [O].[Ar] Chemical compound [O].[Ar] VVTSZOCINPYFDP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N copper nickel Chemical compound [Ni].[Cu] YOCUPQPZWBBYIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 1
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004881 precipitation hardening Methods 0.000 description 1
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к способу получения порошка из никелевоого сплава с высокой стойкостью к водородному охрупчиванию и очень хорошими механическими свойствами, а также к его применениям. The invention relates to a method for producing nickel alloy powder with high resistance to hydrogen embrittlement and very good mechanical properties, as well as to its applications.
Упрочняемые старением никелевые сплавы на протяжении длительного времени используются в нефтегазовой промышленности в тех случаях, когда требуются повышенные показатели прочности. В этой сфере применения необходима хорошая коррозионная стойкость, в частности, в атмосфере, содержащей H2S и Cl, в сочетании с хорошими механическими свойствами. Предел текучести, ударная вязкость образца с надрезом и прочность являются дополнительными важными критериями при выборе материала. Примеры из уровня техники приведены в таблице 1.Age-hardening nickel alloys have long been used in the oil and gas industry in applications where increased strength is required. In this application, good corrosion resistance is required, in particular in atmospheres containing H 2 S and Cl, in combination with good mechanical properties. Yield strength, notched toughness, and strength are additional important criteria for material selection. Examples from the prior art are given in Table 1.
Для применения в данной области пригоден в числе прочего материал Alloy 718, имеющий следующий химический состав (масс.%): 18,5% хрома, < 0,1% углерода, 18% железа, 0,9% титана, 0,6% алюминия, 3% молибдена, 5% ниобия + тантал, остальное - никель и обусловленные плавкой примеси. Возрастающие требования к данному материалу делают необходимой разработку нового никелевого сплава с улучшенными свойствами.Suitable materials for this application include Alloy 718, which has the following chemical composition (wt.%): 18.5% chromium, <0.1% carbon, 18% iron, 0.9% titanium, 0.6% aluminum, 3% molybdenum, 5% niobium + tantalum, the rest is nickel and fusible impurities. Increasing demands on this material make it necessary to develop a new nickel alloy with improved properties.
Сплав Alloy 718 представляет собой материал, который выбирается для случаев применения, при которых требуются наивысшие показатели механической прочности. При этом температура во время применения не превышает около 200°С. Материал обладает хорошими антикоррозионными свойствами против водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания, а также высокой механической прочностью. Вследствие репрезентативности использования материала Alloy 718, данный сплав считается основой для совершенствования или новой разработки. Alloy 718 is the material of choice for applications that require the highest levels of mechanical strength. In this case, the temperature during use does not exceed about 200°C. The material has good anti-corrosion properties against hydrogen embrittlement and corrosion cracking, as well as high mechanical strength. Due to the representative use of Alloy 718, this alloy is considered the basis for improvement or new development.
K-500*Alloy
K-500*
(API Standard 6ACRA *NACE MR 0175).(API Standard 6ACRA *NACE MR 0175).
Сплав Alloy 718 является деформируемым и упрочняемым старением никельхромовым сплавом, разработанным Х. Эйзельштейном и запатентованным в 1962 году, патент № US 3,046,108. Alloy 718 обладает хорошим сочетанием высоких прочностных свойств с хорошей пластичностью в широком температурном диапазоне. Материал был разработан для авиационной промышленности, и несколько лет спустя был внедрён в нефтегазовую промышленность благодаря сочетанию хорошей коррозионной стойкости и хороших механических свойств.Alloy 718 is a wrought and age-hardening nickel-chromium alloy developed by H. Eiselstein and patented in 1962, Patent No. US 3,046,108. Alloy 718 has a good combination of high strength properties with good ductility over a wide temperature range. The material was developed for the aircraft industry, and a few years later was introduced into the oil and gas industry due to its combination of good corrosion resistance and good mechanical properties.
В US 3,160,500 раскрыт хромоникелевый сплав с упрочнённой матрицей, который впоследствии привёл к созданию сплава Alloy 625, обладающего сочетанием хороших механических свойств в широком температурном диапазоне и высокой стойкостью к разрушению и напряжению при повышенной температуре. Благодаря своему привлекательному сочетанию прочности и коррозионной стойкости этот материал нашёл широкое применение. Высокие показатели содержания хрома и молибдена обеспечивают хорошую коррозионную стойкость и прочность, а железо и ниобий придают дополнительную прочность. Добавки алюминия и титана служат преимущественно металлургическим целям и для улучшения свариваемости поддерживаются на низком уровне. Сплав имеет следующий состав: 21,44 - 21,68% Cr, 0,02 - 0,03% C, 0,11 - 0,12% Mn, 0,04 - 0,11% Si, 8,83 - 9,1% Mo, до 5,32% W, 4,19 - 4,35% Nb, 0,16 - 0,23% Al, 0,13 - 0,20% Ti, 1,92 - 6,89% Fe, до 0,02% Mg, остальное - Ni.US 3,160,500 disclosed a matrix-strengthened nickel-chromium alloy, which subsequently led to the creation of Alloy 625, which has a combination of good mechanical properties over a wide temperature range and high resistance to fracture and stress at elevated temperatures. Due to its attractive combination of strength and corrosion resistance, this material has found wide application. High levels of chromium and molybdenum provide good corrosion resistance and strength, while iron and niobium provide additional strength. Additives of aluminum and titanium serve primarily metallurgical purposes and are kept at low levels to improve weldability. The alloy has the following composition: 21.44 - 21.68% Cr, 0.02 - 0.03% C, 0.11 - 0.12% Mn, 0.04 - 0.11% Si, 8.83 - 9 .1% Mo, up to 5.32% W, 4.19 - 4.35% Nb, 0.16 - 0.23% Al, 0.13 - 0.20% Ti, 1.92 - 6.89% Fe, up to 0.02% Mg, the rest is Ni.
В DE 10 2015 016 729 А1 описан способ получения сплава на основе никеля, при этомDE 10 2015 016 729 A1 describes a method for producing a nickel-based alloy, wherein
- изготавливают электрод в вакуумной индукционной печи,- the electrode is made in a vacuum induction furnace,
- для снижения напряжений и перестаривания электрод подвергают термообработке в печи в температурном диапазоне от 400 до 1250°С в течение 10-336 часов,- to reduce stress and overaging, the electrode is subjected to heat treatment in an oven in the temperature range from 400 to 1250°C for 10-336 hours,
- на воздухе или в печи, в зависимости от размеров, в частности, диаметра, электрод охлаждают до температуры в диапазоне от комнатной до менее 1250°С, в частности, до менее 900°С,- in air or in an oven, depending on the dimensions, in particular the diameter, the electrode is cooled to a temperature ranging from room temperature to less than 1250°C, in particular to less than 900°C,
- затем охлаждённый электрод переплавляют посредством вакуумно-дугового переплава при скорости переплава от 3,0 до 10,0 кг/мин с получением слитка вакуумно-дугового переплава,- then the cooled electrode is remelted using vacuum-arc remelting at a remelting speed from 3.0 to 10.0 kg/min to obtain a vacuum-arc remelting ingot,
- полученный слиток вакуумно-дугового переплава подвергают термообработке в печи в температурном диапазоне от 400 до 1250°С в течение 10-336 часов,- the resulting vacuum-arc remelting ingot is subjected to heat treatment in a furnace in a temperature range from 400 to 1250°C for 10-336 hours,
- в зависимости от размера, в частности, от диаметра, полученный слиток вакуумного-дугового переплава охлаждают на воздухе или в печи до температуры в диапазоне от комнатной до менее 1250°С, в частности, до менее 900°С,- depending on the size, in particular the diameter, the resulting vacuum-arc remelting ingot is cooled in air or in a furnace to a temperature ranging from room temperature to less than 1250°C, in particular to less than 900°C,
- этот слиток вакуумно-дугового переплава снова переплавляют при скорости переплава от 3,0 до 10 кг/мин,- this vacuum-arc remelting ingot is remelted again at a remelting speed of 3.0 to 10 kg/min,
- переплавленный слиток вакуумно-дугового переплава подвергают термообработке в температурном режиме от 400 до 1250°С в течение 10-336 часов,- the remelted vacuum-arc remelting ingot is subjected to heat treatment at a temperature range from 400 to 1250°C for 10-336 hours,
- затем слиток вакуумно-дугового переплава посредством горячей и/или холодной деформации доводят до желаемых размера и формы продукта.- then the vacuum-arc remelting ingot is brought to the desired size and shape of the product by means of hot and/or cold deformation.
Сплав на основе никеля может иметь следующий состав:The nickel-based alloy may have the following composition:
не более 0,25% С, не более 0,15% S, 17-32% Cr, 45-72% Ni, не более 1% Mn, не более 1% Si, не более 3,25% Ti, не более 5,5% Nb, не более 5% Cu, не более 25% Fe, не более 0,03% Р, не более 3,15% Al, не более 0,6% V, не более 0,12% Zr, не более 28% Со, не более 0,02% В, и обусловленные производством примеси.no more than 0.25% C, no more than 0.15% S, 17-32% Cr, 45-72% Ni, no more than 1% Mn, no more than 1% Si, no more than 3.25% Ti, no more 5.5% Nb, no more than 5% Cu, no more than 25% Fe, no more than 0.03% P, no more than 3.15% Al, no more than 0.6% V, no more than 0.12% Zr, no more than 28% Co, no more than 0.02% B, and production-related impurities.
На основе Alloy 625 и Alloy 718 был разработан сплав Alloy 625 плюс. Alloy 625 плюс представляет собой сплав высокой прочности как альтернатива по отношению к Alloy 625, с подобной коррозионной стойкостью, обеспеченной повышенным содержанием титана.Based on Alloy 625 and Alloy 718, Alloy 625 plus was developed. Alloy 625 plus is a high strength alloy as an alternative to Alloy 625, with similar corrosion resistance due to its higher titanium content.
Назначение упрочняемого старением сплава, называемого Alloy 925, очень сходно с назначением Alloy 718. Они служат для изготовления штанг и труб для нефтяных источников, конструкционных деталей для газовых источников, клапанов, утяжелённых бурильных труб, соединительных компонентов и пакеров. Alloy 925 используется в том случае, когда требования к прочности несколько ниже, чем для Alloy 718.The purpose of the age-hardening alloy, called Alloy 925, is very similar to the purpose of Alloy 718. They are used to make rods and pipes for oil sources, structural parts for gas sources, valves, drill collars, connecting components and packers. Alloy 925 is used when the strength requirements are slightly lower than for Alloy 718.
Niccoros Alloy K-500 (NO5500) является никель-медным сплавом, который может упрочняться старением через образование гамма’ фазы. Он используется в оффшорной промышленности, не обременённой сильно сероводородом. Коррозионная стойкость в средах из кислого газа и показатели механической прочности ниже по сравнению со сплавами Alloy 718 и Alloy 925.Niccoros Alloy K-500 (NO5500) is a nickel-copper alloy that can be age-hardened through the formation of a gamma phase. It is used in the offshore industry, which is not heavily burdened by hydrogen sulfide. Corrosion resistance in acid gas environments and mechanical strength are lower compared to Alloy 718 and Alloy 925.
Alloy 725 обладает высокой механической прочностью, схожей с Alloy 718, и коррозионной стойкостью, сходной с Alloy 625.Alloy 725 has high mechanical strength similar to Alloy 718 and corrosion resistance similar to Alloy 625.
Содержание и присутствие фаз упрочнения старением оказывают заметное и непосредственное влияние на стойкость к водородному охрупчиванию. Согласно литературе, материалы не содержание фаз выделений и, следовательно, не являющиеся упрочняемыми старением, имеют заметно лучшую стойкость к водородному охрупчиванию по сравнению с упрочняемыми старением материалами, содержащими фазы выделений.The content and presence of age-hardening phases have a noticeable and direct effect on the resistance to hydrogen embrittlement. According to the literature, materials that do not contain precipitate phases and, therefore, are not age-hardening, have noticeably better resistance to hydrogen embrittlement compared to age-hardening materials containing precipitate phases.
В основу изобретения положена задача создания сплава на основе Alloy 718, который наряду с улучшенной стойкостью к кислому газу и водородному охрупчиванию обладал бы также более высоким пределом текучести и более высокой прочностью, при этом предпочтительна более низкая доля фаз дельта и гамма’’ и более высокая доля фазы гамма’.The basis of the invention is to provide an alloy based on Alloy 718, which, in addition to improved resistance to acid gas and hydrogen embrittlement, would also have a higher yield strength and higher strength, preferably a lower proportion of delta and gamma phases and a higher gamma phase fraction'.
Также в основу изобретения положена задача создания способа получения основанного на Alloy 718 сплава, посредством которого может быть достигнут более высокий предел текучести и более высокая прочность, при этом обеспечиваются низкая доля фаз дельта и гамма’ и более высокая доля фазы гамма’.It is also an object of the invention to provide a process for producing an Alloy 718-based alloy by which higher yield strength and higher strength can be achieved while providing a low proportion of delta and gamma phases and a higher proportion of gamma phase.
Указанная задача решается способом получения порошка из сплава на основе никеля, содержащего, мас.%:This problem is solved by a method for producing powder from a nickel-based alloy containing, wt.%:
Ni: 50 - 55Ni: 50 - 55
Cr: 17 - 21Cr: 17 - 21
Mo: > 0 - 9Mo: > 0 - 9
W: 0 - < 9W: 0 - < 9
Nb: 1 - < 5,7Nb: 1 - < 5.7
Ta: > 0 - 4,7Ta: > 0 - 4.7
Ti: 0,1 - 3,0Ti: 0.1 - 3.0
Al: 0,4 - 4,0Al: 0.4 - 4.0
Co: не более 3,0Co: no more than 3.0
Mn: не более 0,35Mn: no more than 0.35
Si: не более 0,35Si: no more than 0.35
Cu: не более 0,23Cu: no more than 0.23
С: 0,001 - 0,045C: 0.001 - 0.045
S: не более 0,01S: no more than 0.01
Р: 0,001 - 0,02R: 0.001 - 0.02
В: 0,001 - 0,01B: 0.001 - 0.01
остальное - Fe и обычные обусловленные производством примеси,the rest is Fe and the usual production-related impurities,
при выполнении следующих соотношений:when the following relations are met:
Nb + Ta: > 1 - 5,7 … (1)Nb + Ta: > 1 - 5.7 … (1)
Al + Ti: > 1,2 - 5 … (2)Al + Ti: > 1.2 - 5 … (2)
Mo + W: 3 - 9 … (3),Mo + W: 3 - 9 … (3),
где Nb, Ta, Al, Ti, Mo и W - содержание соответствующих элементов в мас.%,where Nb, Ta, Al, Ti, Mo and W are the content of the corresponding elements in wt.%,
включающего:including:
- выплавку сплава в вакуумно-индукционной (VIM) печи,- smelting the alloy in a vacuum induction (VIM) furnace,
- выдержку расплава в течение от 5 мин до 2 ч для гомогенизации,- holding the melt for 5 minutes to 2 hours for homogenization,
- установку в закрытой распылительной установке с подведённым газом точки росы от -10 до 120°С,- installation in a closed spray unit with gas supply, dew point from -10 to 120°C,
- нагнетание расплава через форсунку в газовый поток при расходе газового потока от 2 м3/мин до 150 м3/мин,- injection of the melt through a nozzle into the gas flow at a gas flow rate from 2 m 3 /min to 150 m 3 /min,
- собирание отвержденных частиц порошка в герметично закрытой ёмкости, при этом- collecting hardened powder particles in a hermetically sealed container, while
размер частиц составляет от 5 до 250 мкм,particle size ranges from 5 to 250 microns,
частицы порошка являются сферическими,the powder particles are spherical,
порошок содержит включения газа при площади пор от более 0,0 до 4% (поры > 1 мкм) от общей поверхности оцениваемых объектов,the powder contains gas inclusions with a pore area of more than 0.0 to 4% (pores > 1 μm) of the total surface of the objects being assessed,
кажущаяся плотность порошка составляет от 2 до плотности сплава, составляющей 8 г/см3,the apparent density of the powder ranges from 2 to the density of the alloy, which is 8 g/cm 3 ,
- герметичную упаковку порошка в защитной газовой атмосфере, содержащей аргон.- sealed packaging of the powder in a protective gas atmosphere containing argon.
Предпочтительные варианты развития данного способа согласно изобретению приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения на способ.Preferred options for the development of this method according to the invention are given in the corresponding dependent claims of the method.
Посредством альтернативных плавильных процессов могут достигаться следующие комбинации:The following combinations can be achieved through alternative smelting processes:
VIM / (ESR или VAR) / при необходимости (ESR или VAR)VIM / (ESR or VAR) / if necessary (ESR or VAR)
EF (электрическая печь) / (VOD или AOD) / VAR/VAR.EF (electric oven) / (VOD or AOD) / VAR/VAR.
Сплав согласно изобретению может применяться предпочтительно для следующих видов продукции:The alloy according to the invention can be used preferably for the following types of products:
- пруток,- rod,
- проволока,- wire,
- полоса,- band,
- лист,- leaf,
- продольно сваренная труба,- longitudinally welded pipe,
- бесшовная труба,- seamless pipe,
- порошок.- powder.
Полуфабрикаты/конструкционные детали находят своё применение предпочтительно в нефтегазовой и химической отраслях промышленности.Semi-finished products/structural parts find their application preferably in the oil and gas and chemical industries.
Было проанализировано присутствие каких-либо фаз выделения и проведены исследования для лучшего понимания взаимодействия между атомом водорода и кристаллической структурой, когда атом водорода занимает разные положения в элементарной ячейке. Произведён расчёт предпочтительных мест для улавливания водорода по границам фаз или в материале матрицы с учётом энергии энтальпии водорода при занятости этого места. Основываясь на этих результатах, проводились множественные испытания на растяжение для исследования соотношений связей между атомами металлов вблизи границ фаз.The presence of any evolution phases was analyzed and studies were carried out to better understand the interaction between the hydrogen atom and the crystal structure when the hydrogen atom occupies different positions in the unit cell. A calculation was made of the preferred sites for hydrogen capture along phase boundaries or in the matrix material, taking into account the enthalpy energy of hydrogen when this site is occupied. Based on these results, multiple tensile tests were carried out to investigate the bonding ratios between metal atoms near the phase boundaries.
Согласно настоящему изобретению присутствие атома водорода в наиболее устойчивом положении на границе фаз гамма/гамма’ не оказывает никакого влияния на предел прочности при растяжении по сравнению с системой без присутствия атомов водорода (фиг. 1). В противоположность этому, в том случае, когда атом водорода занимает наиболее устойчивое положение на границе фаз гамма/гамма’’, происходит существенное перемещение атома и система демонстрирует меньший предел прочности при растяжении по сравнению с системой без атома водорода (фиг. 2), что указывает на то, что может произойти водородное охрупчивание. Фаза дельта, которая не присутствует в представительных количествах в сплаве Alloy 718 для применения в нефтегазовой сфере, не оказывает существенного влияния на механические свойства (фиг. 3).According to the present invention, the presence of a hydrogen atom in the most stable position at the gamma/gamma' phase boundary has no effect on the tensile strength compared to a system without the presence of hydrogen atoms (Fig. 1). In contrast, in the case when the hydrogen atom occupies the most stable position at the gamma/gamma phase boundary, significant movement of the atom occurs and the system exhibits lower tensile strength compared to a system without a hydrogen atom (Fig. 2), which indicates that hydrogen embrittlement may occur. The delta phase, which is not present in representative amounts in Alloy 718 for oil and gas applications, does not have a significant effect on the mechanical properties (Fig. 3).
Alloy 718 выпускается в трёх разных вариантах, отвечающих разным требованиям к пределу текучести. Вариант 120К обладает минимальным пределом текучести, составляющим 120 тысяч фунтов на квадратный дюйм (ksi), обеспечиваемым упрочнением старением при температуре от 774 до 802°С. Вариант 140К имеет минимальный предел текучести, составляющий 140 ksi, обеспечиваемый упрочнением старением при температуре 760 - 802°С. 150К - это вариант, производимый при двухстадийном упрочнении старением при первой температуре от 700 до 750°С и второй температуре от 600 до 659°С, который обладает минимально требуемым пределом текучести 150 ksi.Alloy 718 is available in three different grades to meet different yield strength requirements. The 120K option has a minimum yield strength of 120 thousand pounds per square inch (ksi), achieved by age strengthening at temperatures from 774 to 802°C. Option 140K has a minimum yield strength of 140 ksi, provided by aging hardening at a temperature of 760 - 802°C. 150K is an option produced by two-stage aging hardening at a first temperature of 700 to 750°C and a second temperature from 600 to 659°C, which has a minimum required yield strength of 150 ksi.
Разные способы термообработки способны создавать разную микроструктуру (фиг. 4), которую исследовали для сравнения с поведением по отношению к водородному охрупчиванию. Фаза гамма’ выделяется в виде точечных частиц, в то время как фаза гамма’’ имеет игольчатую форму. Different heat treatment methods are capable of creating different microstructures (Fig. 4), which were examined for comparison with hydrogen embrittlement behavior. The gamma' phase is released in the form of point particles, while the gamma' phase is needle-shaped.
Меньшее соотношение между массовыми долями фаз гамма’ / гамма’’ создаёт наиболее неблагоприятное поведение по отношению к водородному охрупчиванию, в то время как более высокое соотношение между массовыми долями фаз гамма’ / гамма’’ обеспечивает лучшую стойкость к водородному охрупчиванию. Эта информация приведена в таблице 2.A lower ratio between the mass fractions of the gamma'/gamma'' phases produces the most unfavorable behavior with respect to hydrogen embrittlement, while a higher ratio between the mass fractions of the gamma'/gamma'' phases provides better resistance to hydrogen embrittlement. This information is shown in Table 2.
Стойкость к водородному охрупчиванию проверяли с помощью тестов на постепенное нагружение при катодной поляризации в соответствии с публикацией NACE (Национальная Ассоциация инженеров-коррозионистов) 3948, 2014 г. Образцы испытывались в инертной среде (деионизированная вода, продувка азотом при 40°С) и в агрессивной среде (0,5 М раствор серной кислоты при 40°С с подведением тока плотностью 5 мА/см2 для достижения катодной поляризации) и определяли отношение относительного удлинения при разрыве между агрессивной и инертной средами. Более высокое отношение относительного удлинения при разрыве могло служить объяснением того, почему стойкость к водородному охрупчиванию также была выше.Resistance to hydrogen embrittlement was tested using gradual loading tests with cathodic polarization in accordance with NACE (National Association of Corrosion Engineers) publication 3948, 2014. Specimens were tested in an inert environment (deionized water, nitrogen purge at 40°C) and in an aggressive environment. environment (0.5 M sulfuric acid solution at 40°C with a current density of 5 mA/cm 2 to achieve cathodic polarization) and determined the elongation ratio at break between the aggressive and inert media. The higher elongation at break ratio could explain why the resistance to hydrogen embrittlement was also higher.
Размер частиц выделений гамма’ и гамма’’ также может влиять на механические и антикоррозионные свойства никелевых сплавов.The particle size of gamma' and gamma'' precipitates can also affect the mechanical and anti-corrosion properties of nickel alloys.
Типичными условиями, вызывающими появление водородного охрупчивания, являются контакты материала с атомарным или молекулярным водородом в сочетании с напряжениями материала.Typical conditions that cause hydrogen embrittlement to occur are contact of the material with atomic or molecular hydrogen in combination with stress on the material.
Добавление легирующих элементов в никелевый сплав Alloy 718, широко используемый в нефтегазовой промышленности, имеет следующие причины.The reasons for adding alloying elements to Alloy 718 nickel alloy, which is widely used in the oil and gas industry, are as follows.
Железо эффективно для снижения стоимости металла, но вследствие ухудшения свойств материала не следует чрезмерно использовать его для легирования.Iron is effective in reducing the cost of the metal, but due to the deterioration of the material's properties, it should not be used excessively for alloying.
Хром используется для повышения прочности при комнатной температуре и одновременно для обеспечения общей коррозионной стойкости. В сочетании с углеродом хром образует карбиды, повышающие прочность при высоких температурах. Chromium is used to increase strength at room temperature while providing overall corrosion resistance. When combined with carbon, chromium forms carbides, which increase strength at high temperatures.
В целом следует заметить, что стойкость к точечной коррозии в хлорсодержащих средах возрастает с увеличением содержания молибдена. С увеличением содержания молибдена также улучшается стойкость к коррозии под напряжением при высоких температурах. При необходимости молибден может быть заменен вольфрамом. In general, it should be noted that resistance to pitting corrosion in chlorine-containing environments increases with increasing molybdenum content. As the molybdenum content increases, the resistance to stress corrosion at high temperatures also improves. If necessary, molybdenum can be replaced with tungsten.
Аустенитная матрица из гамма фазы является упрочненной старением в результате интерметаллических выделений гамма’, упорядоченной гранецентрированной кубической фазы из Ni3(Al/Ti), и гамма’’ - тетрагональной фазы Ni3Nb, поэтому алюминий, титан и ниобий используют в качестве легирующих добавок. При необходимости ниобий может быть заменен танталом. Вследствие стоимости металла предпочтительно используется ниобий. Увеличение количества алюминия и титана должно приводить к большему количеству гамма’, а снижение количества ниобия ограничивает образование гамма’’.The austenitic matrix from the gamma phase is strengthened by aging as a result of intermetallic precipitates of the gamma', ordered face-centered cubic phase of Ni 3 (Al/Ti), and the gamma' - tetragonal phase of Ni 3 Nb, therefore aluminum, titanium and niobium are used as alloying additives . If necessary, niobium can be replaced with tantalum. Due to the cost of the metal, niobium is preferably used. Increasing the amount of aluminum and titanium should lead to more gamma', and decreasing the amount of niobium limits the formation of gamma'.
Дельта фаза является равновесной фазой дисперсионно твердеющей гамма’’ фазы (Ni3Nb) и согласно возможно применимой спецификации может присутствовать в микроструктуре только в очень небольших количествах, поскольку она отрицательно влияет на механические и антикоррозионные свойства. Образование дельта фазы предотвращается осуществлением отжига на твердый раствор при температуре свыше температуры сольвуса дельта фазы.The delta phase is the equilibrium phase of the precipitation hardening gamma phase (Ni 3 Nb) and, according to the applicable specification, can only be present in the microstructure in very small quantities, since it negatively affects the mechanical and anti-corrosion properties. The formation of the delta phase is prevented by solution annealing at a temperature above the solvus temperature of the delta phase.
В восстановительных атмосферах водород способен проникать в материал, что может привести к водородному охрупчиванию. Присутствие атомов водорода в кристаллической структуре материала ведёт к ослаблению связей между атомами. Это вызывает потерю прочности при растяжении и может приводить к отказу материала при механическом нагружении. In reducing atmospheres, hydrogen is able to penetrate the material, which can lead to hydrogen embrittlement. The presence of hydrogen atoms in the crystal structure of the material leads to a weakening of the bonds between atoms. This causes loss of tensile strength and can lead to failure of the material under mechanical loading.
Никелевый сплав согласно изобретению при достаточно высоких содержаниях титана, алюминия, молибдена и ниобия и в сочетании с определённой термообработкой характеризуется превосходной стойкостью к водородному охрупчиванию, а также одновременно:The nickel alloy according to the invention, with sufficiently high contents of titanium, aluminum, molybdenum and niobium and in combination with certain heat treatments, is characterized by excellent resistance to hydrogen embrittlement, and at the same time:
• хорошей прочностью• good strength
• хорошей стойкостью к коррозионному растрескиванию и точечной коррозии• good resistance to corrosion cracking and pitting
• хорошей фазовой стабильностью• good phase stability
• хорошей способностью к обработке.• good processing ability.
Содержание никеля составляет от 50 до 55%, при этом могут задаваться следующие предпочтительные диапазоны:The nickel content ranges from 50 to 55%, with the following preferred ranges available:
- 51 - 55%- 51 - 55%
- 52 - 55%- 52 - 55%
- 53 - 55%.- 53 - 55%.
Меньшие содержания никеля могут замещаться кобальтом, но вследствие стоимости металла предпочтительно используется никель.Lower nickel contents can be replaced by cobalt, but due to the cost of the metal, nickel is preferably used.
Кобальт содержится в сплаве в количестве не более 3%. Предпочтительными содержаниями могут служить:Cobalt is contained in the alloy in an amount of no more than 3%. Preferred contents would be:
- 0,01 - 1%- 0.01 - 1%
- 0,01 - не более 0,8%- 0.01 - no more than 0.8%
- 0,01 - не более 0,6%- 0.01 - no more than 0.6%
- 0,01 - не более 0,4%.- 0.01 - no more than 0.4%.
Диапазон содержания элемента хром составляет от 17 до 21%, при этом предпочтительно могут задаваться следующие диапазоны:The chromium element content range is from 17 to 21%, and the following ranges can preferably be set:
- 17 - 20%- 17 - 20%
- 17 - 19%- 17 - 19%
- 18 - 19%.- 18 - 19%.
Содержание молибдена составляет от > 0 до 9%, причём в данном случае в зависимости от сферы применения сплава предпочтительные содержания молибдена могут составлять:The molybdenum content ranges from > 0 to 9%, and in this case, depending on the application of the alloy, the preferred molybdenum content can be:
- 0,01 - 8,5%- 0.01 - 8.5%
- 0,1 - 8,0%- 0.1 - 8.0%
- 3 - 8%- 3 - 8%
- 3 - 7%- 3 - 7%
- > 3,3 - 9%- > 3.3 - 9%
- 3,75 - 9%.- 3.75 - 9%.
При необходимости элемент молибден может заменяться, по меньшей мере частично, вольфрамом при условии, что вольфрам не используется в качестве самостоятельного элемента в указанных пределах. Комбинации из Mo + W также возможны, но в зависимости от области применения. В этом случае вольфрам может использоваться при содержании от 0 до 9%. Предпочтительно вольфрам может использоваться в сплаве при содержании в следующих диапазонах:If necessary, the element molybdenum can be replaced, at least in part, by tungsten, provided that tungsten is not used as an independent element within the specified limits. Combinations of Mo + W are also possible, but depending on the application. In this case, tungsten can be used at a content of 0 to 9%. Preferably, tungsten can be used in the alloy at contents in the following ranges:
- > 0 - 9%-> 0 - 9%
- 0,001 - 9%- 0.001 - 9%
- 0,01 - 9%- 0.01 - 9%
- 0,1 - 9%- 0.1 - 9%
- 1 - 9%- 19%
- 1 - 8- 18
- 3 - 7%- 3 - 7%
- 3 - 8%- 3 - 8%
- > 3,3 - 9%.- > 3.3 - 9%.
Содержание ниобия составляет от 1 до 5,7%, при этом в зависимости от сферы применения предпочтительные содержания элемента могут задаваться в следующих пределах:The niobium content ranges from 1 to 5.7%, and depending on the scope of application, the preferred content of the element can be set within the following limits:
- 2 - 4,5%- 2 - 4.5%
- 2 - 4%- 2 - 4%
- 2 - 3,5%.- 2 - 3.5%.
Содержание титана составляет от > 0 до 3,0%. Предпочтительно содержание титана в сплаве может быть задано в следующих диапазонах:The titanium content ranges from >0 to 3.0%. Preferably, the titanium content of the alloy can be set in the following ranges:
- 0,5 - 3,0%- 0.5 - 3.0%
- 1,0 - 3,0%- 1.0 - 3.0%
- 1,0 - 2,0%- 1.0 - 2.0%
- > 1,15 - 3%- > 1.15 - 3%
- 1,18 - 3%.- 1.18 - 3%.
То же самое справедливо для элемента алюминий, который может содержаться в сплаве в количестве от 0,4 до 4,0%. В качестве альтернативы возможны также следующие диапазоны:The same is true for the element aluminum, which can be contained in the alloy in quantities from 0.4 to 4.0%. Alternatively, the following ranges are also possible:
- 0,6 - 4,0%- 0.6 - 4.0%
- 0,6 - 1,5%- 0.6 - 1.5%
- 0,8 - 4%- 0.8 - 4%
- 0,9 - 4,0%- 0.9 - 4.0%
- 1,0 - 4,0%- 1.0 - 4.0%
- 1,0 - 3,3%- 1.0 - 3.3%
- 1,5 - 3,0%.- 1.5 - 3.0%.
Элемент марганец присутствует в сплаве в количестве не более 0,35%.The element manganese is present in the alloy in an amount of no more than 0.35%.
Элемент кремний присутствует в сплаве в количестве не более 0,35%.The element silicon is present in the alloy in an amount of no more than 0.35%.
Медь содержится в сплаве в количестве не более 0,23%.Copper is contained in the alloy in an amount of no more than 0.23%.
Углерод содержится в сплаве в количестве не более 0,045%. Предпочтительно содержание углерода в сплаве может задаваться в следующих диапазонах:Carbon is contained in the alloy in an amount of no more than 0.045%. Preferably, the carbon content of the alloy can be set in the following ranges:
- 0,001 - не более 0,035%- 0.001 - no more than 0.035%
- 0,001 - не более 0,025%- 0.001 - no more than 0.025%
- 0,001 - не более 0,015%.- 0.001 - no more than 0.015%.
Максимальное содержание серы в сплаве допустимо в количестве 0,01%.The maximum sulfur content in the alloy is 0.01%.
Кроме того, в сплаве содержится фосфор в количестве от 0,001 до 0,02%. Другое предпочтительное содержание составляет 0,001 - 0,015%.In addition, the alloy contains phosphorus in an amount from 0.001 to 0.02%. Another preferred content is 0.001 - 0.015%.
Содержание бора составляет от 0,001 до 0,01%, при этом в качестве альтернативы допустимо также содержание в следующих диапазонах:Boron content ranges from 0.001 to 0.01%, alternatively the following ranges are also acceptable:
- 0,003 - 0,01%- 0.003 - 0.01%
- 0,005 - 0,01%- 0.005 - 0.01%
Остальное - железо и обусловленные производством примеси.The rest is iron and production-related impurities.
Необходимо соблюдать следующее отношение между ниобием и танталом для того, чтобы обеспечивалось достаточное, но ограниченное содержание выделений гамма’’ фазы:The following ratio between niobium and tantalum must be observed in order to ensure a sufficient but limited content of gamma phase precipitates:
Nb + Ta = 1 - 5,7%,Nb + Ta = 1 - 5.7%,
где Nb и Ta выражают концентрацию соответствующих элементов в масс.%.where Nb and Ta express the concentration of the corresponding elements in mass%.
Предпочтительные диапазоны содержания могут быть заданы:Preferred content ranges can be set:
Nb + Ta = < 4,75%Nb + Ta = < 4.75%
Nb + Ta = 1 - 4,75%Nb + Ta = 1 - 4.75%
Nb + Ta = 1 - 5,0%Nb + Ta = 1 - 5.0%
Nb + Ta = 2 - 4%Nb + Ta = 2 - 4%
Nb + Ta = 2 - 3,5%Nb + Ta = 2 - 3.5%
Nd + Ta = 1,6 - 4%Nd + Ta = 1.6 - 4%
Nb + Ta = 1 - 4%.Nb + Ta = 1 - 4%.
Кроме того, необходимо соблюдать следующее отношение с тем, чтобы обеспечивалась достаточная стабильность гамма’ фазы:In addition, the following ratio must be observed in order to ensure sufficient stability of the gamma phase:
Al + Ti = >1,2 - 5%,Al + Ti = >1.2 - 5%,
где Al и Ti выражают концентрацию соответствующих элементов в масс.%.where Al and Ti express the concentration of the corresponding elements in mass%.
Могут задаваться следующие предпочтительные диапазоны:The following preferred ranges can be set:
Al + Ti = 1,5 - 5%Al + Ti = 1.5 - 5%
Al + Ti = 1,8 - 5%Al + Ti = 1.8 - 5%
Al + Ti = 1,8 - 3,5%Al + Ti = 1.8 - 3.5%
Al + Ti = >1,95%Al + Ti = >1.95%
Al + Ti = >1,95 - 5%.Al + Ti = >1.95 - 5%.
Может иметь место отношение Mo + W = 3 - 9%. При необходимости и в этом случае может быть применено ограничение:A ratio of Mo + W = 3 - 9% may occur. If necessary, the following restriction can be applied in this case:
Mo +W = > 3,3%Mo +W = > 3.3%
Mo + W = > 3,3 - 9%.Mo + W = > 3.3 - 9%.
Если предусмотрено образование эта фазы, то должно быть соблюдено следующее отношение:If the formation of this phase is envisaged, then the following relation must be observed:
Ti / Al > 2 илиTi/Al > 2 or
Al / Ti > 2,Al/Ti > 2,
где Al и Ti выражают концентрацию соответствующих элементов в масс.%.where Al and Ti express the concentration of the corresponding elements in mass%.
Сплав согласно изобретению предпочтительно выплавляют и отливают в вакуумно-индукционной печи (VIM) с последующим электрошлаковым переплавом (ESR) или вакуумно-дуговым переплавом (VAR). При необходимости сплав повторно подвергают электрошлаковому переплаву (ESR) или вакуумно-дуговому переплаву (VAR).The alloy of the invention is preferably smelted and cast in a vacuum induction furnace (VIM) followed by electroslag remelting (ESR) or vacuum arc remelting (VAR). If necessary, the alloy is re-subjected to electroslag remelting (ESR) or vacuum arc remelting (VAR).
В качестве возможного варианта сплав согласно изобретению выплавляют открыто с последующей обработкой вакуумно-кислородным обезуглероживанием (VOD) или аргоно-кислородным обезуглероживанием (AOD) с последующим двукратным проведением вакуумно-дугового переплава (VAR).As a possible option, the alloy according to the invention is smelted openly, followed by vacuum-oxygen decarburization (VOD) or argon-oxygen decarburization (AOD), followed by two vacuum arc remelting (VAR) treatments.
Изготовленные слитки из сплава подвергают термообработке при необходимости при температуре от 500 до 1250°С в течение продолжительности отжига до 150 ч, после чего подвергают горячей и/или холодной деформации с получением желаемого полуфабриката, такого как в виде сортовых заготовок, прутков, проволоки, листов, полос и фольг, при необходимости с проведением промежуточного отжига при температуре от 800 до 1270°С в течение от 0,05 ч до 100 ч. При необходимости поверхность материала в промежутках и/или в конце (в том числе неоднократно) может подвергаться абродированию химически и/или механически (например, обдиркой, обточкой, шлифованием) в целях очистки. Затем, при необходимости, проводится отжиг на твердый раствор в температурном диапазоне от 970 до 1150°С в течение от 0,1 ч до 60 ч, при необходимости в атмосфере защитного газа, например, аргона или водорода, с последующим охлаждением на воздухе, при необходимости, в подвижной атмосфере отжига, в инертном газе, в воде, в полимере или в масле.The manufactured alloy ingots are subjected to heat treatment, if necessary, at temperatures from 500 to 1250°C for an annealing duration of up to 150 hours, after which they are subjected to hot and/or cold deformation to obtain the desired semi-finished product, such as in the form of billets, rods, wire, sheets , strips and foils, if necessary, with intermediate annealing at temperatures from 800 to 1270 ° C for from 0.05 hours to 100 hours. If necessary, the surface of the material in intervals and/or at the end (including repeatedly) can be abraded chemically and/or mechanically (e.g. roughing, turning, grinding) for cleaning purposes. Then, if necessary, solid solution annealing is carried out in the temperature range from 970 to 1150 ° C for 0.1 h to 60 h, if necessary in an atmosphere of a protective gas, for example, argon or hydrogen, followed by cooling in air, at necessary, in a moving annealing atmosphere, in an inert gas, in water, in a polymer or in oil.
После этого, при необходимости, проводится отжиг на упрочнение старением в температурном диапазоне от 600 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч, при необходимости в две стадии с дополнительным отжигом на упрочнение старением при 550 - 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч. After this, if necessary, annealing for aging hardening is carried out in the temperature range from 600 to 900°C for 0.1 h to 60 hours, if necessary in two stages with additional annealing for aging hardening at 550 - 900°C for from 0.1 hour to 60 hours.
Отжиг на упрочнение старением проводится в температурном диапазоне от 600 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч, причём могут быть применены следующие оптимальные диапазоны:Aging hardening annealing is carried out in the temperature range from 600 to 900°C for 0.1 hour to 60 hours, and the following optimal ranges can be used:
- 600 - 800°С в течение от 0,1 ч до 60 ч- 600 - 800°C for 0.1 h to 60 h
- 600 - 750°С в течение от 0,1 ч до 60 ч- 600 - 750°C for 0.1 h to 60 h
- 700 - 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч- 700 - 900°C for 0.1 h to 60 h
- 750 - 900°С в течение 0,1 ч до 60 ч.- 750 - 900°C for 0.1 hour to 60 hours.
При необходимости, указанный отжиг на упрочнение старением проводится при двухстадийном упрочнении старением, при этом последующий отжиг на упрочнение старением проводится при 550 - 900°С в течение 0,1 ч - 60 ч, при этом могут быть заданы следующие оптимальные диапазоны:If necessary, the specified age-hardening annealing is carried out in a two-stage age-hardening, with subsequent age-hardening annealing carried out at 550 - 900 ° C for 0.1 hour - 60 hours, and the following optimal ranges can be set:
- 1-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 600 до 800°С в течение от 0,1 ч до 60 ч, 2-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 550 до 750°С в течение от 0,1 ч до 60 ч;- 1st stage of aging hardening in the temperature range from 600 to 800°C for 0.1 hour to 60 hours, 2nd stage of aging hardening in the temperature range from 550 to 750°C for 0.1 hour to 60 h;
- 1-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 600 до 800°С в течение от 0,1 ч до 60 ч, 2-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 800 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч;- 1st stage of aging hardening in the temperature range from 600 to 800°C for 0.1 hour to 60 hours, 2nd stage of aging hardening in the temperature range from 800 to 900°C for 0.1 hour to 60 h;
- 1-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 750 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч, 2-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 550 до 750°С в течение от 0,1 ч до 60 ч;- 1st stage of aging hardening in the temperature range from 750 to 900°C for 0.1 hour to 60 hours, 2nd stage of aging hardening in the temperature range from 550 to 750°C for 0.1 hour to 60 h;
- 1-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 750 до 900°С в течение от 0,1 до 60 ч, 2-ая стадия упрочнения старением в температурном диапазоне от 750 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч.- 1st stage of aging hardening in the temperature range from 750 to 900°C for 0.1 to 60 hours, 2nd stage of aging hardening in the temperature range from 750 to 900°C for 0.1 hour to 60 h.
При необходимости в промежутках и/или после последнего отжига может проводиться химическая и/или механическая очистка поверхности материала (например, обдирка, обточка, шлифование).If necessary, in intervals and/or after the last annealing, chemical and/or mechanical cleaning of the material surface (for example, peeling, turning, grinding) can be carried out.
Сплав согласно изобретению также хорошо обрабатывается и применяется в виде прутков, проволоки, полос, листов, продольно сваренных труб и бесшовных труб.The alloy according to the invention is also well processed and used in the form of rods, wires, strips, sheets, longitudinally welded pipes and seamless pipes.
При необходимости сплав может быть получен и применён в виде порошка (например, для аддитивных технологических методов). При этом порошок получают в установке для распыления порошка VIGA (вакуумный индукционный газовый распылитель) или посредством других способов, отбирают или фильтруют с учётом желаемого диапазона размера частиц порошка.If necessary, the alloy can be obtained and used in powder form (for example, for additive manufacturing methods). In this case, the powder is produced in a VIGA powder atomizer (Vacuum Induction Gas Atomizer) or through other methods, and is selected or filtered taking into account the desired particle size range of the powder.
Предпочтительно сплав согласно изобретению может применяться в тех областях, в которых присутствуют содержащие водород среды, например, скважинные завершающие инструменты, пакеры, валы наносов, подвески, клапаны, упорные кронштейны, сосуды, материал для корпуса магнитных каротажных зондов (каротаж во время бурения) и пр.Advantageously, the alloy of the invention may be used in applications where hydrogen containing media are present, such as downhole completion tools, packers, drift banks, hangers, valves, thrust brackets, vessels, magnetic logging tool body material (logging while drilling), and etc.
Благодаря сочетанию химического состава с термообработкой в сплаве согласно изобретению должна предпочтительно содержаться доля гамма’/гамма’’, составляющая более 1,3, предпочтительно более 1,5. Благодаря такому сочетанию можно также достигать предел текучести свыше 120 ksi.Due to the combination of chemical composition with heat treatment, the alloy according to the invention should preferably contain a gamma'/gamma' proportion of more than 1.3, preferably more than 1.5. Thanks to this combination, yield strengths of over 120 ksi can also be achieved.
Проведённые расчёты/испытанияCalculations/tests performed
Образующиеся в равновесном состоянии фазы рассчитывали для разных вариантов сплава посредством программы JMatPro Thermotech. В качестве базы данных при расчётах пользовались банком данных для никелевых сплавов от Thermotech. Посредством режима «термообработка» программного обеспечения JmatPro были рассчитаны содержания фаз, размеры частиц и ожидаемые механические свойства (например, предел текучести, предел прочности при растяжении, твёрдость) в том случае, когда материал соответствующего химического состава отжигался при разных температурах на упрочнение старением.The phases formed in the equilibrium state were calculated for different alloy variants using the JMatPro Thermotech program. The data bank for nickel alloys from Thermotech was used as a database for the calculations. Using the “heat treatment” mode of the JmatPro software, phase contents, particle sizes and expected mechanical properties (e.g., yield strength, tensile strength, hardness) were calculated when a material of the appropriate chemical composition was annealed at different temperatures for age strengthening.
Описание свойствDescription of properties
Сплав согласно изобретению должен обладать наряду с превосходной стойкостью к водородному охрупчиванию одновременно следующими свойствами:The alloy according to the invention must have, in addition to excellent resistance to hydrogen embrittlement, the following properties:
• хорошая прочность• good strength
• хорошая стойкость к коррозионному растрескиванию и точечной коррозии• good resistance to corrosion cracking and pitting
• хорошая фазовая стабильность • good phase stability
• хорошая способность к обработке.• good processing ability.
В системе никель-хром-алюминий-железо-титан-ниобий при разных содержаниях лигатуры могут образовываться разные фазы, например, фазы гамма’, гамма’’, дельта и эта. В таблицах 3.1 и 3.2 приведены результаты расчётов равновесных долей первых рассчитанных химических составов. Все расчёты выполнены для температуры упрочнения старением 790°С.In the nickel-chromium-aluminium-iron-titanium-niobium system, different phases can be formed at different alloy contents, for example, gamma', gamma', delta and eta phases. Tables 3.1 and 3.2 show the results of calculations of the equilibrium fractions of the first calculated chemical compositions. All calculations were performed for an aging hardening temperature of 790°C.
Химические составы LV1, 8, 9 и 39 являются примерами сплавов не в соответствии с настоящим изобретением.Chemical compositions LV1, 8, 9 and 39 are examples of alloys not in accordance with the present invention.
На основе приведённых выше результатов проведены расчёты долей равновесных фаз в зависимости от температуры для других, представляющих интерес химических составов. Для определения температуры, при которой оптимизируются выделения и поэтому достигаются повышенные механические свойства, проводились расчёты с разными температурами упрочнения старением. Результаты расчётов приведены в таблице 4 и на фиг. 5 для химического состава LB250643. Для химического состава LB250643 температура 690°С является пиковой.Based on the above results, calculations of the proportions of equilibrium phases were carried out depending on temperature for other chemical compositions of interest. To determine the temperature at which the precipitates are optimized and therefore enhanced mechanical properties are achieved, calculations were carried out with different age-hardening temperatures. The calculation results are shown in Table 4 and Fig. 5 for chemical composition LB250643. For chemical composition LB250643, 690°C is the peak temperature.
состав
шихты
LB 250643Chemical
compound
charge
LB 250643
Схожие расчёты проведены для всех других химических составов (диаграммы на фиг. 11а - 11ab). Для определения оптимальной температуры выделений проводились эксперименты с применением разных возрастающих температур.Similar calculations were carried out for all other chemical compositions (diagrams in Fig. 11a - 11ab). To determine the optimal temperature of the secretions, experiments were carried out using different increasing temperatures.
Необходимо отметить, что расчётная температура может отклоняться от экспериментальных температур.It should be noted that the calculated temperature may deviate from the experimental temperatures.
Свойства при других представляющих интерес химических составах приведены вместе с их пиковыми температурами в таблицах 5.1, 5.2 и 5.3.Properties at other chemical compositions of interest are given along with their peak temperatures in Tables 5.1, 5.2 and 5.3.
При необходимости сплав может выпускаться и применяться в виде порошка. Поскольку при аддитивных технологических методах обрабатываемость сплава роли не играет, то в химическом составе отмечается наличие широкого проёма по содержанию алюминия. Для аддитивных технологических методов порошок может иметь более высокое, достигающее 4% содержание алюминия. Возможные химические составы для порошкового сплава приведены в таблице 6.If necessary, the alloy can be produced and used in powder form. Since with additive manufacturing methods the machinability of the alloy does not play a role, the chemical composition shows the presence of a wide gap in aluminum content. For additive manufacturing methods, the powder can have a higher aluminum content, reaching 4%. Possible chemical compositions for powder alloy are given in Table 6.
[по Роквеллу]Hardness
[by Rockwell]
Согласно результатам этих расчётов повышением содержания ниобия от около 3,5 до 5% доля гамма’’ фазы может быть удвоена, если содержание титана и алюминия сохраняется постоянным. Если содержания алюминия и ниобия (тантала) сохраняются постоянными, а содержание титана возрастает, то образуется больше гамма’ фазы, при этом ожидается улучшение механических свойств. При увеличении содержания алюминия может выделяться больше гамма’ фазы в сочетании с одинаковым или меньшим содержанием титана и ниобия (по сравнению с Alloy 718).According to the results of these calculations, by increasing the niobium content from about 3.5 to 5%, the proportion of the gamma phase can be doubled if the titanium and aluminum contents are kept constant. If the aluminum and niobium (tantalum) contents are kept constant and the titanium content increases, more gamma phase will be formed and an improvement in mechanical properties is expected. As aluminum content increases, more gamma phase may be released in combination with equal or less titanium and niobium content (compared to Alloy 718).
При экстремально низком содержании ниобия (тантала) (<1%) и постоянном содержании алюминия (≈0,6%) гамма’’ фаза не образуется и поэтому, согласно расчётам, механические свойства являются не удовлетворительными.With an extremely low niobium (tantalum) content (<1%) and a constant aluminum content (≈0.6%), the gamma phase is not formed and therefore, according to calculations, the mechanical properties are not satisfactory.
Колебания содержания молибдена, вольфрама, бора и фосфора не оказывают непосредственного и существенного влияния на выделения гамма’ и гамма’’ фаз.Fluctuations in the content of molybdenum, tungsten, boron and phosphorus do not have a direct and significant effect on the release of gamma’ and gamma’ phases.
На фиг. 5, 6 приведены фазовые диаграммы, показывающие выделение гамма’ фазы при температуре ниже 919°С и гамма’’ фазы при температуре ниже 880°С при химическом составе LB250643 (при высоком содержании титана и алюминия в сочетании с низким содержанием ниобия (тантала)).In fig. 5, 6 show phase diagrams showing the release of the gamma phase at temperatures below 919°C and the gamma phase at temperatures below 880°C with the chemical composition LB250643 (with a high content of titanium and aluminum in combination with a low content of niobium (tantalum)) .
Фазовая диаграмма на фиг. 5 показывает расчёт образования фаз выделения при температуре ниже 919°С и учитывает только термодинамическую стабильность. Поэтому на этой фазовой диаграмме не учтена гамма’’ фаза. Дельта фаза является термодинамически наиболее стабильной фазой выделения, но она вследствие кинетики выделения образуется медленно. Содержание эта фазы при таком составе по существу отсутствует согласно термодинамическим расчётам. The phase diagram in Fig. Figure 5 shows the calculation of the formation of precipitation phases at temperatures below 919°C and takes into account only thermodynamic stability. Therefore, this phase diagram does not take into account the gamma phase. The delta phase is the thermodynamically most stable phase of the release, but due to the kinetics of the release it forms slowly. The content of this phase at this composition is essentially absent according to thermodynamic calculations.
Диаграмма ТТТ (время, температура, превращение) при химическом составе LB250643 приведена на фиг. 6. При этом теперь принято во внимание присутствие гамма’’ фазы. Как и ожидалось, дельта и эта фазы выделялись после более длительного отжига при температуре упрочнения старением, следовательно, на выделение этих фаз влияет длительность отжига при упрочнении старением. И хотя не было отмечено никакой разницы между численными испытаниями на растяжение системы гамма / дельта с присутствием водорода и без него, однако общая характеристика по границам гамма / дельта фаз может быть критической вследствие низкой энергии атомной связи. Поэтому длительность отжига при упрочнении старением должна быть ограничена до не более 60 часов для исключения образования дельта фазы.The TTT (time, temperature, conversion) diagram for the chemical composition of LB250643 is shown in Fig. 6. In this case, the presence of the gamma phase is now taken into account. As expected, the delta and this phases precipitated after longer annealing at the age-hardening temperature, therefore, the precipitation of these phases is affected by the duration of annealing during age-hardening. Although no difference was observed between numerical tensile tests of the gamma/delta system with and without the presence of hydrogen, the overall performance at the gamma/delta phase boundaries may be critical due to the low atomic bond energy. Therefore, the duration of annealing during aging hardening should be limited to no more than 60 hours to prevent the formation of the delta phase.
Содержание бора и фосфора не оказывает влияния на долю гамма’ или гамма’’ фаз. Изменение содержания алюминия, ниобия (тантала) и титана непосредственно влияет на образование гамма’ и гамма’’ фаз.The content of boron and phosphorus does not affect the proportion of gamma' or gamma' phases. Changing the content of aluminum, niobium (tantalum) and titanium directly affects the formation of gamma’ and gamma’ phases.
Для понимания количественного образования упрочняемых старением фаз были проведены расчёты применительно к химическому составу LB250643. Расчёты при соответствующем химическом составе проводились при температуре первой стадии упрочнения старением 650°С (ниже пиковой температуры). После этого проводилась вторая стадия упрочнения старением при варьируемых температурах. Подобные расчёты выполнялись для пиковой температуры в качестве температуры первой стадии упрочнения старением и при 730°С (свыше пиковой температуры) в качестве температуры первой стадии упрочнения старением, при этом температура на второй стадии варьировалась при шаге в 20 градусов. Результаты указаны в таблице 7 и на фиг. 7.To understand the quantitative formation of age-hardening phases, calculations were carried out in relation to the chemical composition of LB250643. Calculations for the appropriate chemical composition were carried out at a temperature of the first stage of aging hardening of 650°C (below the peak temperature). After this, a second stage of aging strengthening was carried out at varying temperatures. Similar calculations were performed at the peak temperature as the first stage age hardening temperature and at 730°C (above the peak temperature) as the first stage age hardening temperature, with the second stage temperature varied in 20 degree increments. The results are shown in Table 7 and FIG. 7.
Следует отметить, что длительность упрочнения старением влияет на доли фаз. Пример для химического состава LB250643 приведён на фиг. 8. На этой фигуре показана изотермическая диаграмма для данного химического состава при упрочнении старением при 650°С, при этом максимальная доля гамма’ фазы была достигнута через около 7 часов. Если температура поднята до 730°С, то продолжительность для достижения максимальной доли гамма’ фазы сокращается. На фиг. 9 приведена изотермическая диаграмма для данного химического состава для упрочнения старением при 730°С.It should be noted that the duration of aging hardening affects the phase fractions. An example for the chemical composition of LB250643 is shown in FIG. 8. This figure shows the isothermal diagram for a given chemistry during age hardening at 650°C, with the maximum gamma phase being reached after about 7 hours. If the temperature is raised to 730°C, then the duration to achieve the maximum proportion of the gamma phase is reduced. In fig. Figure 9 shows an isothermal diagram for a given chemical composition for aging strengthening at 730°C.
Различие между расчётными и экспериментальными пиковыми температурами ожидаемо и известно. Для того, чтобы узнать, какое отклонение произойдёт при данных пределах состава, пиковую температуру подтвердили посредством термообработки и испытаний на твёрдость. Диаграмма с экспериментально установленными показателями твёрдости при химическом составе LB250643 приведена на фиг. 10. При данном химическом составе отклонение составляет 80°С, эта разница должна учитываться при планировании термообработки.The difference between calculated and experimental peak temperatures is expected and known. In order to know what deviation would occur at given composition limits, the peak temperature was confirmed through heat treatment and hardness testing. A diagram with experimentally determined hardness indicators for the chemical composition of LB250643 is shown in Fig. 10. For a given chemical composition, the deviation is 80°C; this difference must be taken into account when planning heat treatment.
Экспериментальные данныеExperimental data
Для подтверждения механизмов водородного охрупчивания проводились лабораторные опыты с лабораторными расплавами с химическими составами LB250646, LB250647, LB250650, LB250642. С этими расплавами проводили тесты на медленное нагружение при катодной поляризации согласно публикации NACE 3948, 2014 г. Результаты приведены в таблице 8.To confirm the mechanisms of hydrogen embrittlement, laboratory experiments were carried out with laboratory melts with the chemical compositions LB250646, LB250647, LB250650, LB250642. Slow loading tests with cathodic polarization were performed on these melts according to NACE publication 3948, 2014. The results are shown in Table 8.
Тесты на медленное нагружение подтверждают действие теоретического механизма, согласно которому присутствие или преобладание гамма’’ вредно сказывается на стойкости материала к водородному охрупчиванию, поскольку сплавы без содержания ниобия или с его низким содержанием (т.е. с преобладанием гамма’) не обладают полностью или почти не обладают предрасположенностью к водородному охрупчиванию, что подтверждается более высокими коэффициентами относительного удлинения при разрыве.Slow loading tests support the theoretical mechanism that the presence or predominance of gamma' is detrimental to the resistance of a material to hydrogen embrittlement, since alloys with no or low niobium content (i.e., gamma-dominant) do not have all or have almost no susceptibility to hydrogen embrittlement, which is confirmed by higher elongation coefficients at break.
Шихта, обеспечивающая выделение только гамма’’ (LB250650 без содержания алюминия), характеризуется наихудшей стойкостью к водородному охрупчиванию.The charge providing only gamma release (LB250650 without aluminum content) is characterized by the worst resistance to hydrogen embrittlement.
Поэтому заявленные пределы для сплава согласно изобретению могут быть отдельно обоснованы следующим образом.Therefore, the stated limits for the alloy according to the invention can be separately justified as follows.
Железо снижает стоимость и, таким образом, должно использоваться. Поэтому 12% - это нижний предел содержания железа. Однако железо не следует вносить чрезмерно из-за ухудшения свойств материала. Поэтому 24% следует считать верхним пределом. При необходимости железо может быть заменено кобальтом.Iron reduces cost and thus should be used. Therefore, 12% is the lower limit for iron content. However, iron should not be added excessively due to the deterioration of the material properties. Therefore, 24% should be considered the upper limit. If necessary, iron can be replaced with cobalt.
Минимальное содержание 17% хрома повышает прочность при комнатной температуре и одновременно обеспечивает общую стойкость к коррозии. В сочетании с углеродом образуются карбиды хрома, которые способны повысить прочность при высоких температурах. Слишком большие содержания хрома ухудшают стабильность фаз в сплаве и способствуют образованию вредных фаз, что отрицательно сказывается на пластичности и вязкости, и поэтому содержание хрома в количестве 21% служит верхним пределом.A minimum of 17% chromium increases strength at room temperature while providing overall corrosion resistance. When combined with carbon, chromium carbides are formed, which can increase strength at high temperatures. Too high chromium contents impair the phase stability of the alloy and promote the formation of harmful phases, which negatively affects ductility and toughness, and therefore a chromium content of 21% serves as an upper limit.
Более высокие содержания молибдена увеличивают стойкость к точечной коррозии в хлорсодержащих средах. С увеличением минимального содержания молибдена от 0,001 до 3% стойкость к коррозионному растрескиванию при повышенных температурах также возрастает. Верхним пределом считается содержание 9%, поскольку добавление молибдена значительно влияет на стоимость металла. Higher molybdenum contents increase resistance to pitting corrosion in chlorine-containing environments. As the minimum molybdenum content increases from 0.001 to 3%, resistance to corrosion cracking at elevated temperatures also increases. The upper limit is considered to be 9% content, since the addition of molybdenum significantly affects the cost of the metal.
Вольфрам может применяться в качестве замещающего молибден элемента и тогда он также ограничивается содержанием от >0 до 9%.Tungsten can be used as a replacement element for molybdenum and is then also limited to a content of >0 to 9%.
Также возможна комбинация из молибдена и вольфрама, при этом доля вольфрама устанавливается равной по меньшей мере 0,01%. A combination of molybdenum and tungsten is also possible, with the tungsten proportion set to at least 0.01%.
Образование интерметаллической выделяющейся при упрочнении старением гамма’ фазы возрастает при повышении количества Al + Ti. Поэтому минимальное содержание алюминия 0,4% является необходимым. Если же содержание алюминия является слишком большим, то по границам зёрен происходит агрегация и огрубление гамма’ фазы, вследствие чего резко снижаются механические свойства и ухудшается обрабатываемость в горячем состоянии. Для порошкового сплава для аддитивных технологических методов содержание алюминия может быть задано более высоким, так как соответствующие процессы обходятся без горячей деформации. Поэтому содержание алюминия ограничивают 4,0%.The formation of the intermetallic gamma phase released during aging hardening increases with increasing amount of Al + Ti. Therefore, a minimum aluminum content of 0.4% is necessary. If the aluminum content is too high, then aggregation and coarsening of the gamma phase occurs along the grain boundaries, as a result of which the mechanical properties sharply decrease and hot workability deteriorates. For a powder alloy for additive manufacturing methods, the aluminum content can be set higher, since the corresponding processes do not involve hot deformation. Therefore, the aluminum content is limited to 4.0%.
Титан сочетают с алюминием и никелем для получения гамма’ фазы, он содействует увеличению прочности сплава в результате выделений. Тем не менее, если титан внесён в чрезмерном количестве, может образовываться фаза эта, из-за чего ухудшаются механические свойства. Поэтому титан добавляют в количестве до 3,0%.Titanium is combined with aluminum and nickel to produce the gamma phase, which helps increase the strength of the alloy as a result of the precipitates. However, if titanium is added in excessive quantities, this phase can form, which causes the mechanical properties to deteriorate. Therefore, titanium is added in amounts up to 3.0%.
Ниобий (или тантал) стабилизирует гамма’ фазу и способствует увеличению прочности. Поэтому его минимальное содержание должно составлять 1%. Однако ниобий (или тантал) причастен к образованию гамма’’ фазы, являющейся вредной для стойкости к водородному охрупчиванию, и поэтому подлежит контролю. По этой причине содержание ниобия (или тантала) ограничено величиной от 1 до 5,7%.Niobium (or tantalum) stabilizes the gamma phase and helps increase strength. Therefore, its minimum content should be 1%. However, niobium (or tantalum) is involved in the formation of the gamma phase, which is detrimental to hydrogen embrittlement resistance and should therefore be controlled. For this reason, the niobium (or tantalum) content is limited to between 1 and 5.7%.
Бор и фосфор обладают способностью к подавлению чрезмерного накапливания водорода по границам фаз и зёрен. Этим возможно снизить чувствительность к водородному охрупчиванию. Тем не менее сегрегации по границам фаз и зёрен слишком выражены в том случае, когда бор и фосфор применяются в чрезмерном количестве, и эффект снижения водородного охрупчивания теряется. Также может быть ограничена обрабатываемость и поэтому бор ограничивают до содержания от 0,001% до не более 0,01%, фосфор ограничивают до содержания от 0,001 до не более 0,02%.Boron and phosphorus have the ability to suppress excessive accumulation of hydrogen along phase and grain boundaries. This can reduce sensitivity to hydrogen embrittlement. However, phase and grain boundary segregations are too pronounced when boron and phosphorus are applied in excess, and the effect of reducing hydrogen embrittlement is lost. Processability may also be limited and therefore boron is limited to from 0.001% to not more than 0.01%, phosphorus is limited to from 0.001 to not more than 0.02%.
Кобальт может заменять никель, он улучшает свойства при повышенных температурах. В сплаве может содержаться до 3% кобальта. Cobalt can replace nickel; it improves properties at elevated temperatures. The alloy may contain up to 3% cobalt.
Содержание углерода ограничивается величиной не более 0,045%, поскольку этот элемент при таком содержании снижает способность к обработке вследствие чрезмерного образования карбидов.The carbon content is limited to no more than 0.045%, since this element at this content reduces the workability due to excessive formation of carbides.
Медь ограничивается величиной не более 0,23%, так как этот элемент снижает стойкость к окислению.Copper is limited to no more than 0.23%, since this element reduces oxidation resistance.
Остальное в сплаве - никель (50 - 55%), следует иметь в виду, что в остатке содержатся в незначительных количествах примеси, которые существенно не изменяют свойства сплава. Следовательно, примеси, такие, как сера, могут присутствовать в общем количестве 0,01%. Марганец и кремний ограничивают содержанием, не превышающим 0,35%.The rest of the alloy is nickel (50 - 55%), it should be borne in mind that the remainder contains small amounts of impurities that do not significantly change the properties of the alloy. Therefore, impurities such as sulfur may be present in a total amount of 0.01%. Manganese and silicon are limited to a content not exceeding 0.35%.
Для контроля за выделениями фаз и их моделирования крайне важно планирование термообработки. Поэтому пределы параметров термообработки сплава согласно изобретению могут быть обоснованы отдельно следующим образом.Heat treatment planning is essential to control and model phase precipitation. Therefore, the limits of the heat treatment parameters of the alloy according to the invention can be justified separately as follows.
Фазы выделения для возможных пределов химического состава образуются при температуре ниже 970°С и поэтому сплав подвергают отжигу на твердый раствор в течение от 0,1 мин до 60 ч с тем, чтобы перевести все фазы в раствор, с учётом размеров изделия. Температура отжига на твердый раствор ограничена максимальной величиной 1150°С с целью ограничения роста зерен. Для исключения образования выделений после отжига на твердый раствор предлагается проводить быстрое охлаждение в подвижной атмосфере отжига, инертном газе, воде, полимере или масле.Precipitation phases for possible limits of chemical composition are formed at temperatures below 970°C and therefore the alloy is subjected to solid solution annealing for from 0.1 min to 60 hours in order to transfer all phases into solution, taking into account the size of the product. The solution annealing temperature is limited to a maximum value of 1150°C in order to limit grain growth. To eliminate the formation of precipitates after annealing on a solid solution, it is proposed to carry out rapid cooling in a moving annealing atmosphere, inert gas, water, polymer or oil.
Затем проводится отжиг на упрочнение старением для образования фаз выделения и для достижения хороших механических свойств. Для этого материал подвергают отжигу при температуре от 600 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч. Более длительные периоды упрочнения старением приводят к выделениям дельта и эта фаз и должны избегаться. Ag hardening annealing is then carried out to form precipitation phases and to achieve good mechanical properties. To do this, the material is annealed at a temperature of 600 to 900°C for 0.1 hour to 60 hours. Longer periods of age hardening lead to precipitation of delta and eta phases and should be avoided.
При необходимости упрочнение старением может проводиться на второй стадии при температуре от 550 до 900°С в течение от 0,1 ч до 60 ч.If necessary, aging hardening can be carried out in the second stage at a temperature of 550 to 900°C for from 0.1 hour to 60 hours.
Температура упрочнения старением выбирается в зависимости от назначения. Процессы упрочнения старением, оптимизирующие механические свойства, применяются при назначениях, при которых требуются превосходные механические свойства. Процессы упрочнения старением, оптимизирующие соотношение гамма’/гамма’’ фаз, применяются в случаях, когда требуется превосходная стойкость к водородному охрупчиванию. The aging hardening temperature is selected depending on the purpose. Age strengthening processes that optimize mechanical properties are used in applications where superior mechanical properties are required. Aging strengthening processes that optimize the gamma/gamma phase ratio are used in applications where superior resistance to hydrogen embrittlement is required.
Одностадийные упрочнения старением приводят к более высоким соотношениям гамма’/гамма’’ фаз и более низким механическим свойствам.Single-stage aging strengthening results in higher gamma'/gamma' phase ratios and lower mechanical properties.
Двухстадийные упрочнения старением могут приводить к различным структурам с достижением разных механических свойств в зависимости от выбранных температур на первой и второй стадиях.Two-stage aging strengthening can result in different structures achieving different mechanical properties depending on the selected temperatures in the first and second stages.
Если температура на первой стадии равна упомянутой пиковой температуре, то упрочнение старением приводит к превосходным механическим свойствам, хотя соотношение гамма’/гамма’’ фаз согласно расчётам меньше.If the temperature in the first stage is equal to the mentioned peak temperature, then the aging hardening results in superior mechanical properties, although the gamma'/gamma' phase ratio is calculated to be lower.
Двухстадийное упрочнение старением при первой температуре свыше пиковой температуры приводит к средним механическим свойствам. Соотношения долей гамма’/гамма’’ фаз являются в этом случае меньшими, т.е. это приводит к более низкой стойкости к водородному охрупчиванию.Two-stage aging strengthening at the first temperature above the peak temperature results in average mechanical properties. The ratios of the proportions of gamma’/gamma’ phases are smaller in this case, i.e. this results in lower resistance to hydrogen embrittlement.
Если температура на первой стадии лежит ниже пиковой температуры, а температура на второй стадии меньше температуры на первой стадии, то механические свойства будут ниже свойств, которые могут быть достигнуты при одностадийном упрочнении старением. Однако соотношение долей гамма’ / гамма’’ фаз может быть выше, и, таким образом, такая термообработка может использоваться в случаях назначения, при которых главной целью служат повышенные требования к стойкости к водородному охрупчиванию. С другой стороны, превосходные механические свойства могут достигаться и в том случае, когда температура на первой стадии лежит ниже пиковой температуры, а температура на второй стадии выше первой температуры. Соотношение долей гамма’ / гамма’’ фаз сохраняется на том же самом уровне.If the temperature in the first stage is below the peak temperature, and the temperature in the second stage is less than the temperature in the first stage, then the mechanical properties will be lower than those that can be achieved with single-stage age strengthening. However, the ratio of gamma'/gamma' phase fractions can be higher, and thus such heat treatment can be used in applications where the main goal is increased requirements for resistance to hydrogen embrittlement. On the other hand, excellent mechanical properties can also be achieved when the temperature in the first stage is below the peak temperature and the temperature in the second stage is higher than the first temperature. The ratio of the proportions of gamma’ / gamma’ phases remains at the same level.
Необходимо учитывать также длительность упрочнения старением. При низкотемпературном упрочнении старением требуются более длительные периоды упрочнения старением с тем, чтобы могли произойти все выделения, в то время как для упрочнения старением при более высоких температурах достаточны короткие периоды упрочнения старением.The duration of aging hardening must also be taken into account. Low temperature age strengthening requires longer periods of age strengthening so that all precipitation can occur, while for higher temperature age strengthening short periods of age strengthening are sufficient.
Посредством сплава согласно изобретению или посредством термообработки согласно изобретению (отжиг на твердый раствор и отжиг на упрочнение старением) могут обеспечиваться следующие свойства: коэффициент относительного удлинения при разрыве при испытании в среде кислого газа (NACE, публикация 3948) превышает 75%, предпочтительно превышает 90%, при пределе текучести на воздухе >100 ksi, предпочтительно >120 ksi.The following properties can be achieved by the alloy according to the invention or by the heat treatment according to the invention (solution annealing and age hardening annealing): acid gas elongation at break (NACE Publication 3948) greater than 75%, preferably greater than 90% , with a yield strength in air >100 ksi, preferably >120 ksi.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Фиг. 1 - энергия в зависимости от удлинения при численном испытании на растяжение системы гамма/гамма’ без (чёрная линия) и с (красная линия) присутствием атома водорода.Fig. 1 - energy depending on elongation during a numerical tensile test of the gamma/gamma’ system without (black line) and with (red line) the presence of a hydrogen atom.
Фиг. 2 - энергия в зависимости от растяжения при численном испытании на растяжение системы гамма/гамма’’ без (чёрная линия) и с (красная линия) атомом водорода.Fig. 2 - energy depending on stretching during a numerical tensile test of the gamma/gamma system without (black line) and with (red line) a hydrogen atom.
Фиг. 3 - энергия в зависимости от растяжения при численном испытании на растяжение системы гамма/дельта без (чёрная линия) и с (красная линия) атомом водорода.Fig. 3 - energy depending on stretching during a numerical tensile test of the gamma/delta system without (black line) and with (red line) a hydrogen atom.
Фиг. 4 - полученные сканирующим электронным микроскопом изображения материала, представленного вариантами 120К, 140К, 150К сплава Alloy 718.Fig. 4 - images of the material obtained by scanning electron microscope, represented by variants 120K, 140K, 150K of the Alloy 718 alloy.
Фиг. 5 - механические свойства в зависимости от температуры упрочнения старением сплава состава LB250643.Fig. 5 - mechanical properties depending on the temperature of aging hardening of the alloy of composition LB250643.
Фиг. 5’ - фазовая диаграмма сплава состава LB250643Fig. 5’ - phase diagram of the alloy composition LB250643
Фиг. 6 - диаграмма «время, температура, превращение» сплава состава LB250643.Fig. 6 - diagram “time, temperature, transformation” of the alloy of composition LB250643.
Фиг. 7 - расчётные механические свойства после двухстадийного упрочнения старением твердения сплава химического состава LB250643.Fig. 7 - calculated mechanical properties after two-stage hardening by aging hardening of the alloy of chemical composition LB250643.
Фиг. 8 - изотермическая диаграмма сплава химического состава LB250643 при упрочнении старением при 650°С. Доля выделения гамма’ фазы показана красными кружками, доля выделения гамма’’ фазы - голубыми четырёхугольниками.Fig. 8 - isothermal diagram of the alloy of the chemical composition LB250643 during hardening by aging at 650°C. The fraction of the gamma phase is shown by red circles, the fraction of the gamma phase is shown by blue quadrangles.
Фиг. 9 - изотермическая диаграмма сплава химического состава LB250643 при упрочнении старением при 730°С. Доля выделения гамма’ фазы показана красными кружками, доля выделения гамма’’ фазы - голубыми четырёхугольниками.Fig. 9 - isothermal diagram of the alloy of the chemical composition LB250643 during hardening by aging at 730°C. The fraction of the gamma phase is shown by red circles, the fraction of the gamma phase is shown by blue quadrangles.
Фиг. 10 - экспериментальная кривая твёрдости в зависимости от температуры упрочнения старением сплава химического состава LB250643.Fig. 10 - experimental curve of hardness depending on the temperature of hardening by aging of an alloy of the chemical composition LB250643.
Фиг. 11а-11ab - механические свойства в зависимости от температуры упрочнения старением разных вариантов сплава.Fig. 11a-11ab - mechanical properties depending on the temperature of aging hardening of different alloy variants.
Claims (45)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019106776.6 | 2019-03-18 | ||
DE102020106433.0 | 2020-03-10 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021126173A Division RU2791029C1 (en) | 2019-03-18 | 2020-03-17 | Nickel alloy with good corrosion resistance and high tensile strength and method for production of semi-products |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2023103593A RU2023103593A (en) | 2023-03-16 |
RU2808314C2 true RU2808314C2 (en) | 2023-11-28 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1802466A1 (en) * | 1990-12-28 | 1995-04-30 | Всесоюзный институт легких сплавов | Method for producing metal powder material |
RU2038401C1 (en) * | 1993-05-06 | 1995-06-27 | Институт порошковой металлургии | Nickel-base powdery high-temperature wear-resistant alloy |
RU2124417C1 (en) * | 1994-03-10 | 1999-01-10 | Ман Б Энд В Диесель А/С | Fuel intake valve nozzle and method of its manufacture |
US8961646B2 (en) * | 2010-11-10 | 2015-02-24 | Honda Motor Co., Ltd. | Nickel alloy |
RU2623540C1 (en) * | 2016-08-12 | 2017-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Granulated high-temperature nickel alloy and product manufactured therefrom |
RU2627137C1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-08-03 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Method of producing powders from heat-resistant nickel alloys |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1802466A1 (en) * | 1990-12-28 | 1995-04-30 | Всесоюзный институт легких сплавов | Method for producing metal powder material |
RU2038401C1 (en) * | 1993-05-06 | 1995-06-27 | Институт порошковой металлургии | Nickel-base powdery high-temperature wear-resistant alloy |
RU2124417C1 (en) * | 1994-03-10 | 1999-01-10 | Ман Б Энд В Диесель А/С | Fuel intake valve nozzle and method of its manufacture |
US8961646B2 (en) * | 2010-11-10 | 2015-02-24 | Honda Motor Co., Ltd. | Nickel alloy |
RU2627137C1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-08-03 | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") | Method of producing powders from heat-resistant nickel alloys |
RU2623540C1 (en) * | 2016-08-12 | 2017-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Granulated high-temperature nickel alloy and product manufactured therefrom |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220098704A1 (en) | Nickel alloy having good resistance to corrosion and high tensile strength, and method for producing semi-finished products | |
EP2072627B1 (en) | Weldable oxidation resistant nickel-iron-chromium-aluminum alloy | |
JP5270123B2 (en) | Nitride reinforced cobalt-chromium-iron-nickel alloy | |
JP6705508B2 (en) | NiCrFe alloy | |
EP2725112B1 (en) | Carburization-resistant metal material and uses of the carburization-resistant metal material | |
JP6076472B2 (en) | Nickel-chromium-aluminum alloy with good workability, creep strength and corrosion resistance | |
JP5661938B2 (en) | Ni-Fe-Cr-Mo-alloy | |
GB2405643A (en) | A nickel-chromium-molybdenum alloy | |
JP3308090B2 (en) | Fe-based super heat-resistant alloy | |
CA3039661C (en) | High temperature, damage tolerant superalloy, an article of manufacture made from the alloy, and process for making the alloy | |
JP2000256770A (en) | LOW THERMAL EXPANSION Ni BASE SUPERALLOY | |
USH2245H1 (en) | Age-hardenable, nickel-base superalloy with improved notch ductility | |
EP1270754A1 (en) | Two-step aging treatment for Ni-Cr-Mo alloys | |
RU2808314C2 (en) | Method for producing nickel alloy powder with good corrosion resistance and high tensile strength and its application (options) | |
CA2249835A1 (en) | Hot working high-chromium alloy | |
RU2791029C1 (en) | Nickel alloy with good corrosion resistance and high tensile strength and method for production of semi-products | |
JPH0114992B2 (en) | ||
JP6738010B2 (en) | Nickel-based alloy with excellent high-temperature strength and high-temperature creep properties | |
US11441217B2 (en) | Method for producing semi-finished products from a nickel-based alloy | |
JP2002235134A (en) | Heat resistant alloy having excellent strength and toughness and heat resistant alloy parts | |
US5437743A (en) | Weldable heat resistant alloy | |
US11814704B2 (en) | High strength thermally stable nickel-base alloys | |
Pender | Inconel alloy 706 | |
JPH03122244A (en) | High strength aluminum alloy for welding excellent in stress corrosion cracking resistance | |
JPH1129837A (en) | Heat resistant cast steel and heat resistant cast steel part |