Совершенствование микроструктурного дизайна Re-содержащей 10%Cr-3%Co мартенситной стали для тепловых электростанций

Настоящий проект посвящен совершенствованию микроструктурного дизайна Re-содержащей 10%Cr-3%Co стали, которая может быть использована в качестве материала изготовления котлов, паропроводов и/или лопаток паровых турбин для тепловых электростанций, работающих на супер сверхкритических параметрах (ССКП) пара. Совершенствование микроструктурного дизайна Re-содержащей 10%Cr-3%Co стали будет осуществлено на основе установления и устранения микроструктурных изменений, приводящих к снижению сопротивления ползучести при высоких температурах и низких напряжениях, и математического моделирования. Создание новых жаропрочных материалов для энергетики в настоящее время определяет прогресс технико-экономических показателей тепловых электростанций, работающих на угле. Стратегическим направлением развития теплоэнергетики, работающей натвердом топливе, является создание паротурбинных энергоблоков нового поколения, работающих на ССКП пара, имеющих совершенную проточную часть и улучшенную тепловую схему. В настоящее время угольные тепловыеэлектростанции 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 = 620-650°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. Основным препятствием для повышения температуры эксплуатации оборудования является высокотемпературнаяползучесть теплотехнических 9-12%Cr сталей мартенситного класса, в связи с этим долговременные испытания на ползучесть представляют наибольший интерес. Для мартенситных сталей с 9-12% хрома участниками проекта в предыдущих работах было обнаружено, что основным препятствием для повышения температуры их эксплуатации является перелом в зависимости напряжений от времени до разрушения, который отделяет кратковременнуюползучесть (до 10000 часов) от долговременной (более 10000 часов). Этот переход уменьшает сопротивление ползучести с увеличением времени эксплуатации. Кроме того, он затрудняет прогнозирование предела длительной прочности при долговременной ползучести по результатам испытаний в режимах кратковременной ползучести. Установление природы перехода кратковременной к долговременной ползучести является критически важным ипозволит скорректировать микроструктурный дизайн сталей мартенситного класса с целью устранения либо смещенияперехода в сторону большего времени испытаний (эксплуатации). Предлагаемый проект позволит разработать новые микроструктурные дизайны мартенситных сталей с учетом понимания причин возникновения перелома.В ранее разработанной физической модели, объясняющей высокую жаропрочность 9%Cr-3%Co сталей, именно трансформация реечной структуры троостита отпуска в субзеренную структуру считалась причиной потеривысокохромистыми сталями своего уникального сопротивления ползучести и резкого уменьшения величин долговременной прочности в результате перехода от кратковременной ползучести к долговременной ползучести.Актуализация физической модели заключается в предположении, что резкое снижение долговременной прочности при ползучести может происходить не только за счет трансформации реечной структуры троостита отпуска всубзеренную структуру, но и из-за сильного укрупнения частиц фазы Лавеса до размеров нескольких микрон, которые могут выступать в качестве источников образования крупных пор, несплошностей, трещин, что и вызывает «преждевременное» разрушение материала даже с сохранением реечной структуры троостита отпуска, стабилизированной мелкими карбидами М23С6 с размерами до 100 нм. Задача настоящего проекта, как фундаментального исследования, подтвердить или опровергнуть данные предположения за счет (а) дополнительных испытаний на ползучесть при температуре 650°С и приложенном напряжении 120 МПа до различных степеней деформации, соответствующих переходной, установившейся и ускоренной стадиям ползучести с последующим анализом микроструктурных изменений на каждой стадии ползучести с целью установить критические микроструктурные изменения, являющиеся причинами перехода от установившейся стадии к ускоренной стадии ползучести, а также «преждевременного» разрушения образцов, (б) проведения анализа причин резкого укрупнения частиц фазы Лавеса путем установления потенциальной связи их укрупнения с местом зарождения, химическим составом этих частиц и локальным химическим составом матрицы вблизи частиц, размерным распределением, (в) разработки и исследования новых модификаций 10%Сr-3%Co сталей с измененной схемой легирования элементов замещения.