Разработка жаропрочных мартенситных сталей для тепловых электростанций. Экспериментальные исследования. Обобщение и оценка результатов исследований. Изучение влияния длительного старения и ползучести на структуру и фазовый состав сталей

Определены скорректированные величины предела длительной прочности и ползучести сталей путем аппроксимации результатов не только краткосрочных, но и длительных испытаний при 120 и 100 МПа, и установлены закономерности их ползучести: корректировка величины предела длительной прочности котельных сталей с содержанием хрома 9% и низким содержанием углерода и азота привела к его уменьшению до 81 и 80 МПа соответственно по сравнению с величиной, рассчитываемой путем аппроксимации результатов краткосрочных испытаний, и предела ползучести (1%) до 76 и 79 МПа вследствие появления перелома на кривой зависимости приложенное напряжение – время до разрушения при приложенном напряжении 140 МПа, которое соответствует времени до разрушения ~ 6000 и 3500 ч соответственно; деградация сопротивления долговременной ползучести котельных сталей в течение более 10000 ч вызвана нестабильностью реечной структуры троостита отпуска, которая трансформируется в субзеренную, что соответствует частичной трансформации обогащенных ванадием частиц VX в частицы Z-фазы; промежуточная корректировка (разрушение не наступило в течение 15000 ч) величины предела длительной прочности стали для лопаток с содержанием хрома >12% привела к небольшому увеличению на 3% по сравнению с величиной, рассчитываемой путем аппроксимации результатов краткосрочных испытаний, до 99 МПа, величина предела ползучести (1%) не изменилась и составила 71,5 МПа, вследствие отсутствия деградации сопротивления ползучести и отсутствия перелома на зависимости «время до разрушения – приложенное напряжение. Котельная сталь и сталь для лопаток с оптимальным химическим составом демонстрируют прямолинейную зависимость «напряжение – время до разрушения» вплоть до 8000 ч без свидетельств появления перелома, пределы длительной прочности сталей после оптимизации химического состава достигают 109 и 107 МПа соответственно. Применение выбранной схемы легирования сталей, как котельной, так и стали для лопаток, демонстрирует свою эффективность в повышении длительной прочности сталей посредством увеличения стабилизации частиц вторых фаз и повышения их устойчивости к укрупнению при ползучести при повышенных температурах.Экспериментально установлена возможность выплавки стали с пониженным содержанием азота по более дешевой технологии методом электрошлакового переплава. Выявлено влияние схемы легирования на поведение сталей на стадии переходной, установившейся и ускоренной ползучести: выявлено уменьшение параметра на переходной стадии ползучести с применением различных схем легирования, которое свидетельствует об уменьшении скорости реакций взаимодействия между решеточными дислокациями и дислокациями, составляющими малоугловые границы мартенситных реек. Синергетический эффект от влияния зернограничных частиц M23C6 и частиц фазы Лавеса и гомогенно распределенных карбонитридов МХ, а также твердорастворных элементов на движение дислокаций приводит к снижению скорости реакций взаимодействия, а также к выраженному увеличению протяженности переходной стадии ползучести; выявлено увеличение показателя степени при напряжении n* на установившейся стадии ползучести с применением различных схем легирования, что свидетельствует о замедлении перераспределения дислокаций на установившейся стадии ползучести; выявлено влияние схемы легирования на способность частиц вторых фаз сдерживать миграцию границ реек и субзерен на стадии ускоренной ползучести. Примененная схема легирования с пониженным содержанием азота в котельной стали и в стали для лопаток доказывает свою эффективность на примере поведения при ползучести при напряжении 140 МПа и температуре 650°С, в режиме краткосрочной ползучести. Это дает основание прогнозировать увеличение сопротивления ползучести при длительной ползучести, несмотря на то что в режиме краткосрочной ползучести стали демонстрируют примерно одинаковое время до разрушения; выявлены особенности микроструктуры в сталях, не демонстрирующих перелом на кривой зависимости «напряжение – время до разрушения» при температуре 650°С вплоть до 8000 ч (сохранение структуры реечного троостита отпуска при ползучести, отсутствие существенного укрупнения карбидов M23C6, сохранение когерентности границ карбидов M23C6 с ферритной матрицей, сохранение ориентационных соотношений карбидов с ферритной матрицей, сохранение обогащенных ванадием карбонитридов МХ либо частичная трансформация их в частицы Z-фазы (CrVN) размером менее 100 нм). Прогнозирование допустимых напряжений на ресурс 200000 ч при температуре 630°С для котельной стали с содержанием хрома 9% и низким содержанием углерода, котельной стали с содержанием хрома 9% и низким содержанием азота, стали для лопаток с содержанием хрома ≥12% на основе испытаний на ползучесть и длительную прочность показало, что все разработанные стали обладают пределом длительной прочности не менее 100 МПа при температуре 630°С, что соответствует требуемым для применения в качестве материалов для энергоблоков нового поколения. Предел длительной прочности составляет: для котельной стали с содержанием хрома 9% и низким содержанием углерода 101 МПа, для котельной стали с содержанием хрома 9% и низким содержанием азота с оптимальным составом – 122 МПа, для стали для лопаток с содержанием хрома ≥12% с оптимальным составом – 126 МПа.