Введение 4
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1 История развития и основные аспекты разработки теплотехнических 9-12% Cr сталей 6
1.2 Влияние легирующих элементов на микроструктуру и фазовый состав .. 12
1.3 Микроструктура и механические свойства 9-12% Cr сталей после
термической обработки 15
1.4 Эволюция микроструктуры 12% Cr сталей при ползучести и отжиге 20
1.5 Постановка задач исследования 29
Глава 2. Материал и методики исследования 30
2.1 Материал исследования 30
2.2 Методы исследования 31
2.2.1 Металлографический анализ 31
2.2.2 Электронно-микроскопический анализ 31
2.2.3 Методика испытания на ударную вязкость 33
2.2.4 Методика испытания на статический изгиб 34
2.2.5 Методика испытания на растяжение 34
2.2.6 Методика испытания на ползучесть 35
2.3 Техника безопасности 36
2.3.1Техника безопасности при работе с кислотами и щелочами 36
2.3.2 Техника безопасности при работе с электрическим оборудованием 37
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 39
3.1 Микроструктура стали после термической обработки 39
3.2 Механические свойства при растяжении 42
3.3 Механические свойства при статическом и динамическом изгибе 44
3.4 Механические свойства при ползучести 47
3.5 Микроструктурные изменения исследуемой стали при ползучести и длительном отжиге 50
3.6 Обсуждение результатов 56
3.7 Расчет и оценка показателей эффективности 60
Выводы 63
Список литературы 64
В 21 веке защита окружающей среды вместе с энергетической безопасностью всё чаще выходит на передний план. Уголь является относительно недорогим топливом для тепловых электростанций. Однако традиционные угольные электростанции выбрасывают в атмосферу большое количество экологически вредных газов, таких как CO2, NO и SO. Повышение коэффициента полезного действия (КПД) угольных электростанций имеет ключевое значение для сокращения выбросов в атмосферу и повышения экономичности энергетических установок [1-5]. Повышение КПД угольных электростанций невозможно без увеличения рабочей температуры и давления пара, вырабатываемого в котельной установке и подаваемого в турбину, которая приводит в движение ротор генератора электрического тока. Переход на повышенные параметры пара требует разработки новых сталей, которые смогут выдерживать высокие температуры и давления на протяжении всего срока эксплуатации энергетических установок. Применение в Японии, США, странах Евросоюза и Китае для строительства угольных энергоблоков высокохромистых жаропрочных сталей позволило повысить параметры пара с традиционных 538°С/18,5 МПа до 593°С/30 МПа, что привело к увеличению КПД энергоблоков на 6% [2,5]. На современных электростанциях в различных участках энергоблоков используются несколько типов жаропрочных сталей [3]. Стали ферритного/бейнитного класса с 2 - 3% Cr применяют для изготовления труб в низкотемпературных секциях котлов, а мартенситные стали с 9 - 12% Cr используют в качестве материала для компонентов котлов и турбин, таких как главный паропровод, роторы и лопатки турбин. Помимо этого, высокопрочные аустенитные стали используют для труб пароперегревателей.
Известно, что высокое сопротивление ползучести высокохромистых сталей мартенситного класса достигается комплексным легированием, которое обеспечивает твердорастворное и дисперсионное упрочнение отпущенного мартенсита, что само по себе также способствует увеличению прочности из-за внутренних напряжений, присущих мартенситу [3-6]. Данный класс сталей обладает высокой вязкостью разрушения и низкой температурой хрупко-вязкого перехода (ХВП) после отпуска [7-10]. Дальнейшее повышение максимальной температуры эксплуатации этих сталей подразумевает увеличение как сопротивления ползучести, так и стойкости к окислению [3]. Высокое сопротивление окислению имеет особенно важное значение для высокохромистых сталей, применяемых для лопаток паровых турбин. Хром является наиболее эффективным легирующим элементом для повышения стойкости к окислению [11,12]. Однако увеличение содержания хрома выше 10% может привести к образованию 5-феррита, из-за которого происходит понижение жаропрочности и вязкости разрушения [8]. Таким образом большой интерес представляет разработка такого подхода к легированию, который бы обеспечивал высокою жаропрочность, и вместе с этим обладал бы удовлетворительной вязкостью разрушения. В настоящей работе представлено исследование стали с 12% Cr и повышенным содержанием Co и Си, разработанной с учетом указанных особенностей.
Цель выпускной квалификационной работы оценить возможность использования стали 12%Cr-4Co-2,2W-0,6Mo-0,22V-0,05Nb в качестве конструкционного материала для роторов и лопаток турбин тепловых энергоблоков.
По результатам работы могут быть сделаны следующие выводы:
1. После термической обработки сталь имеет структуру троостита отпуска. Поперечный размер реек составляет 286 нм, плотность дислокаций внутри реек составляет 2,2*1014 м-2. Границы реек декорированы частицами карбида M23C6 со средним размером 83 нм. Внутри реек однородно распределены частицы карбонитридов MX со средним размером 16 нм.
2. Температура ХВП, рассчитанная по значениям ударной вязкости составляет 38°С и соответствует 50% доле вязкой составляющей на поверхности излома. Температура ХВП при статическом изгибе образцов Шарпи составила -50°С.
3. При высоких напряжениях (от 220 до 160 МПа) время до разрушения исследуемой стали при температуре 650°С в 10 раз больше, чем в стандартной стали Gr122. Однако при напряжениях ниже 160 МПа сопротивление ползучести резко уменьшается и время до разрушения исследуемой стали соответствует уровню стали Gr.122.
4. Ползучесть и длительный отжиг приводят к существенным микроструктурным изменениям. В процессе ползучести при напряжении 160 МПа и температуре 650°С размер реек/субзерен увеличивается более чем в 2 раза, происходит уменьшение плотности дислокаций в 10 раз, средний размер частиц карбида M23C6 увеличивается до 105 нм. Как при ползучести, так и при длительном отжиге происходит выделение и быстрый рост частиц фазы Лавеса. В 5-феррите происходит выделение вытянутых частиц у-фазы, после ползучести в течение 1886 часов их длина составила 948 нм, а ширина 79 нм. Ползучесть до 1886 часов также приводит к трансформации мелких частиц карбонитридов МХ в крупные частицы Z-фазы со средним размером 84 нм.
