Создание новых жаропрочных материалов для энергетики в настоящее время определяет прогресс технико-экономических показателей тепловых электростанций, работающих на угле. Стратегическим направлением развития теплоэнергетики, работающей на твердом топливе, является создание паротурбинных энергоблоков нового поколения, работающих на ССКП пара, имеющих совершенную проточную часть и улучшенную тепловую схему. В настоящее время угольные тепловые электростанции России, работающие при параметрах пара 545-560°С и 140-240 атмосфер, выработали свой ресурс и подлежат замене. Они имеют низкий коэффициент полезного действия (34-37%) и большие вредные выбросы в атмосферу. За счет повышения параметров пара до супер сверхкритических величин (T = 600-620°С, Р = 250-300 атмосфер) планируется повысить КПД до 41-44% и сократить вредные тепловые выбросы. В РФ на данный момент отсутствуют материалы, отвечающие требованиям для энергетического оборудования нового поколения. Основными требованиями, предъявляемыми к современным материалам для лопаток паровых турбин, работающих на ССПК пара, является предел длительной прочности при температуре 650°С не менее 100 МПа, ударная вязкость при комнатной температуре не менее 59 Дж см^-2, предел текучести и предел прочности при комнатной температуре не менее 550 МПа и 700 МПа соответственно.

На основе предыдущих работ был разработан микроструктурный дизайн 12% Cr сталей путем оптимизации аустенит- и феррит-стабилизирующих элементов. Было показано, что только микроструктурный дизайн, основанный на низком содержании азота, обеспечивает высокую длительную прочность при долговременной ползучести мартенситных сталей с 10% хрома. Низкое содержание азота предотвращает образование крупных частиц Z-фазы. Увеличение содержания хрома до 12% в изучаемых сталях, необходимое для повышения сопротивления окислению вплоть до 650°C, в совокупности с низким содержанием азота было скомпенсировано увеличением содержания элементов замещения, стабилизирующих аустенит, а именно повышено содержание кобальта до 4% и бора до 0,012%, добавлены медь до 1% и тантал до 0,1%. Скорректированный микроструктурный дизайн новых сталей позволил получить содержание дельта-феррита около 10%. Повышение содержания кобальта и бора обеспечивает замедление диффузионно-контролируемых процессов типа переползания дислокаций и укрупнения частиц вторичных фаз по механизму Оствальда. Добавление тантала обеспечивает трехфазное разделение карбонитридов МХ (где М означает металл типа Nb, V, Ti и/или Ta, а Х – углерод и/или азот) на частицы NbX, обогащенные ниобием, VX, обогащенные ванадием, и TaX, обогащенные танталом. Добавление меди обусловлено возможностью образования нанокластеров с размером 3-5 нм при отпуске, которые, являясь местами зарождения частиц фазы Лавеса, выделяемых при ползучести, провоцируют более мелкодисперсное распределение этой фазы. Комплексное воздействие указанных легирующих элементов способствовало повышению сопротивления ползучести 12% Cr сталей до уровня 9% Cr сталей.

Также в рамках ранее проведенных исследований были исследованы прочностные свойства, жаропрочные свойства и ударная вязкость одной 12% Cr стали, дополнительно легированной кобальтом, медью, вольфрамом, молибденом и танталом с высоким содержанием бора и низким содержанием азота, после стандартной термической обработки, заключающейся в гомогенизации и ковке при температуре 1150°С, нормализации с 1070°С с последующим отпуском при 770°С. Такая обработка позволила обеспечить высокие кратковременные прочностные свойства 12% Cr стали (предел текучести и предел прочности при комнатной температуре 614 МПа и 750 МПа соответственно) и удовлетворительное сопротивление ползучести (предел ползучести около 80 МПа). Однако ударная вязкость была очень низкая и не соответствовала предъявляемым требованиям. Было предположено, что низкая величина ударной вязкости 12% Cr стали после стандартной термической обработки вызвана высоким содержанием дельта-феррита, границы которого декорированы непрерывными цепочками крупных W- и Cr-содержащих частиц. Для решения этой проблемы была подобрана схема термомеханической обработки, заключающаяся в добавлении к стандартной термической обработке промежуточных деформаций с длительными выдержками, направленных на снижение содержания доли дельта-феррита и крупных W- и Cr-обогащенных частиц. Разработанная термомеханическая обработка повысила величину ударной вязкости при комнатной температуре свыше 100 Дж см^-2, повысила энергию нижнего шельфа так, что вплоть до температуры испытания -60°С величина ударной вязкости составляет около 60 Дж см^-2, сместила температуру хрупко-вязкого перехода на 30°С в сторону меньших температур.

Однако, универсальность разработанной схемы термомеханической обработки на сопротивление ударным нагрузкам других 12% Cr сталей с низким содержанием азота с различными схемами легирования проверена не была, хотя имеет критически важное значение, поскольку на настоящий момент отсутствует единая термическая или термомеханическая обработка, приводящая к высоким механическим свойствам всех 12% Cr сталей независимо от их легирования. Универсальность разработанной схемы термомеханической обработки для различных 12% Cr сталей обеспечит создание оптимального микроструктурного дизайна 12% Cr сталей с высоким уровнем механических свойств, на что и направлен настоящий проект. Целью проекта является выявление положительного влияния специально подобранной термомеханической обработки на сопротивление ударным нагрузкам в широком диапазоне температур с определением температуры хрупко-вязкого перехода для нескольких перспективных 12% Cr сталей с низким содержанием азота различного легирования с проверкой универсальности специально подобранной термомеханической обработки к различным сталям.

На страницу проекта