Научные основы повышения жаропрочности 12% Cr сталей, дополнительно легированных кобальтом, медью, вольфрамом, молибденом и танталом, с высоким сопротивлением ударным нагрузкам, предназначенных для лопаток паровых турбин тепловых электростанций

Настоящий проект посвящен исследованию жаропрочных свойств 12% Cr стали, дополнительно легированной кобальтом, медью, вольфрамом, молибденом и танталом с высоким содержанием бора и низким содержанием азота, подвергнутой термомеханической обработке, которая привела к существенному увеличению ударной вязкости в широком температурном интервале. 12% Cr-3% Co сталь может быть использована в качестве материала изготовления лопаток и роторов паровых турбин для тепловых электростанций, работающих на суперсверхкритических параметрах (ССКП) пара (T = 600-620°С, Р = 250-300 атмосфер). 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 ССКП планируется повысить КПД до 41-44% и сократить вредные тепловые выбросы. В рамках ранее проведенных исследований были исследованы прочностные свойства, жаропрочные свойства и ударная вязкость 12% Cr сталей, дополнительно легированных кобальтом, медью, вольфрамом, молибденом и танталом с высоким содержанием бора и низким содержанием азота, после стандартной термической обработки. Такая обработка привела к формированию реечной структуры троостита отпуска с высокой плотностью дислокации, которая стабилизирована тремя типами частиц вторичных фаз: МХ карбонитриды, М23С6 карбиды и фазы Лавеса. Помимо мартенситной структуры также присутствуют зерна дельта-феррита, границы которых декорированы непрерывными цепочками крупных W- и Cr-содержащих частиц. Такая структура позволила обеспечить высокие кратковременные прочностные свойства 12% Cr стали (предел текучести и предел прочности при комнатной температуре 614 МПа и 750 МПа соответственно). Предел ползучести около 80 МПа соответствует уровню 9% Cr сталей. Однако ударная вязкость была очень низкая и не соответствовала предъявляемым требованиям. Разработанные термомеханические обработки, направленные на снижение содержания доли дельта-феррита и крупных W- и Cr-обогащенных частиц, повысили величину ударной вязкости при комнатной температуре свыше 100 Дж см-2. Однако, влияние разработанных термомеханических обработок на жаропрочные свойства, а также кратковременные прочностные свойства осталось неисследованным, хотя разработанные термомеханические обработки внесли существенные изменения в структуру 12% Сr сталей. А ведь именно долговременная высокотемпературная ползучесть 12% Cr сталей является основным препятствием для повышения температуры эксплуатации оборудования. Нет сомнений, что изменения в структуре 12% Сr сталей, вызванные термомеханической обработкой, будут иметь позитивный эффект как на жаропрочные свойства, так и на кратковременные прочностные свойства. Такое предположение основано на том, что (а) устранение дельта-феррита и крупных W- и Cr-обогащенных частиц обеспечит однородность деформации при ползучести, снизит количество потенциальных мест зарождения трещин и несплошностей, а также сохранит W и Cr в твердом растворе для дальнейшего образования мелких частиц при отпуске и/или ползучести, и (б) добавление мелких частиц карбидов типа МС стабилизирует реечную структуру троостита отпуска в процессе ползучести при низких приложенных напряжениях даже в случае растворения частиц типа М23С6 и фазы Лавеса по малоугловым границам мартенситных реек, что считается основной причиной снижения сопротивления ползучести высокохромистых мартенситных сталей с низким содержанием азота. Предлагается применить новый подход к повышению одновременно жаропрочных свойств и сопротивления ударным нагрузкам для 12% Cr сталей за счет существенной модификации структуры путем проведения термомеханической обработки. Таким образом, предлагаемый проект позволит разработать новые микроструктурные дизайны 12% Cr мартенситных сталей с уникальным сочетанием высоких жаропрочных свойств и хорошим сопротивлением ударным нагрузкам.