Ученые Белгородского госуниверситета (БелГУ) разработали и запатентовали способ термомеханической обработки высокохромистых (12% Cr) мартенситных сталей, который одновременно повышает жаропрочность и ударную вязкость. До сих пор эти свойства считались взаимоисключающими. Преодоление этого противоречия открывает путь к созданию отечественных лопаток и роторов паровых турбин, способных длительно работать при температурах до 630–650 °C.
Обычно чем прочнее сталь при рабочей температуре, тем она более хрупкая. Преодолеть это противоречие авторам исследования позволил особый подход к обработке высокохромистых сталей, включающий несколько этапов: длительный нагрев, ковку, выдержку при высоких температурах и финальный отпуск. Именно такое сочетание этапов, с точным контролем температуры, степени деформации и времени выдержки и обеспечило результат, которого ранее не удавалось достичь ни в России, ни за рубежом.
Результаты лабораторных испытаний показали, что ударная вязкость новой стали при комнатной температуре превысила 100 Дж/см², при том, что после стандартной обработки этот показатель составляет менее 40 Дж/см². Температура хрупко-вязкого перехода для одного из составов снизилась с 70 до 50 °C, а это значит, что материал сохраняет вязкость вплоть до минус 40 °C. Одновременно выросла жаропрочность: предел длительной прочности на базе 100 тысяч часов при 650 °C поднялся с 70 до 100 МПа, а предел ползучести до 1 % — с 60 до 100 МПа. По словам ученых, деталь из такой стали выдержит более высокую нагрузку и прослужит дольше, не деформируясь.
В процессе обработки крупные частицы и нежелательная фаза (дельта-феррит), которые делают сталь хрупкой, либо растворяются, либо измельчаются. Одновременно формируются прочные наночастицы, которые «держат» структуру и не дают ей разрушаться при высоких температурах. В результате сталь становится и прочной, и вязкой. В обычной высокохромистой стали при затвердевании и последующей обработке доля дельта-феррита достигает 6–10 %. Уникальное сочетание этапов обработки снижает содержание нежелательной фазы до 1–2 % и растворяет крупные вредные частицы.
Контроль проводили с помощью микроструктурных исследований методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа, анализа углеродных реплик и компьютерного моделирования.
Руководитель исследования, исполняющая обязанности заведующего лабораторией механических свойств жаропрочных и наноструктурных материалов БелГУ, доктор технических наук Александра Федосеева рассказала о практической ценности разработки: «Переход тепловых электростанций на суперсверхкритические параметры пара — температуру до 630–650 °C и давление 250–300 атмосфер — позволяет поднять КПД угольных ТЭС с 34–37 до 41–44 %. Это означает экономию топлива и снижение вредных выбросов. Однако сегодня в России отсутствуют серийные материалы, способные длительно работать при таких температурах, поэтому ключевые элементы турбин приходится закупать за рубежом. Новая сталь и способ ее обработки закрывают эту зависимость».
Команда планирует продолжить исследования в двух направлениях. Первое — продолжение фундаментальных исследований: если обработка обеспечила высокие показатели при 650 °C, нужно проверить, можно ли поднять планку еще выше, изучив структурную стабильность и механизмы деформации при более высоких температурах. Второе — изготовление опытных партий изделий, например, лопаток паровых турбин, их стендовые и натурные испытания и последующая передача технологии в серийное производство.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
