книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

обусловившими широкое применение их для изготовления лопаток турбин. Однако относительно низкая жаропрочность ограничивает область применения этих сталей температурами, не превышающими 400—480° С (в зависимости от уровня рабочих напряжений ме­ талла лопаток). Можно считать, что вопросы термической обра­ ботки сталей 1X13 и 2X13 изучены весьма обстоятельно и те воз­ можности, которые дает обычная термообработка для повышения их жаропрочности, в основном использованы. Как показали ис­ следования и практический опыт, стали, содержащие 12% хрома, являются хорошей основой для создания модифицированных сталей, упрочненных дополнительным легированием. Уровень жаропрочности модифицированных сталей может значительно пре­ высить достигнутый для сталей 1X13 и 2X13.

Дополнительное легирование осуществляют металлами, об­ ладающими значительной сопротивляемостью ползучести, высо­ кими температурами плавления и рекристаллизации. В отече­ ственном и зарубежном турбостроении применяют упрочненные жаропрочные стали мартенситного и мартенсито-ферритного класса на базе сталей, содержащих 12% хрома. В качестве упрочняющих примесей используют молибден, ванадий, вольфрам, бор, титан, ниобий и некоторые другие металлы. Известно, что для термически обработанных сталей указанных классов характерна структура, состоящая из твердого раствора и карбидов, от состава которых в большой мере зависит сопротивляемость металла ползучести. Композиции жаропрочных сталей создают на основе заранее про­ гнозируемого распределения легирующих элементов между твер­ дым раствором и избыточной фазой.

Хром обладает высокой жаропрочностью, увеличивает корро­ зионную стойкость, повышает температуру рекристаллизации и поверхностную устойчивость сталей. Этими и другими положитель­ ными качествами определяется роль хрома как базового металла для создания жаропрочных сталей. Хром принадлежит к числу элементов, суживающих область аустенитных структур с плотно­ упакованной решеткой гранецентрированного куба, обладающей повышенной прочностью при высоких температурах.

Высокой жаропрочностью характеризуется молибден — один из основных легирующих элементов, используемых для модифи­ кации сталей, содержащих 12% хрома. В. А. Ильина и В. К- Крицкая показали, что молибден относится к элементам, наиболее эф­ фективно усиливающим межатомные связи в решетке а-твердого раствора и его прочность при высоких температурах. Молибден является также сильным карбидообразующим элементом; с его введением в сплаве образуются простые и сложные карбиды раз­ личного состава.

Ванадий, имеющий высокую температуру плавления, будучи введен в сталь, способствует значительному повышению ее жаро­ прочности. Ванадий не повышает прочности твердого раствора; его упрочняющее влияние определяется способностью образовы-

140

вать стабильные мелкодисперсные карбиды и вызывать связанные с их выделением процессы дисперсионного твердения. Эти про­ цессы протекают в интервале температур 550—600° С. Образова­ ние и выделение упрочняющей фазы (мелкодисперсных карбидов) происходит в основном в процессе термической обработки сталей, содержащих ванадий. Однако при известных условиях эти струк­ турные превращения могут происходить и при длительном воздей­ ствии рабочих температур, если они близки к 550° С.

Чистый вольфрам обладает очень высокой сопротивляемостью ползучести. При равных условиях одинаковая с молибденом де­ формация ползучести достигается в вольфраме при напряжениях,

в1,5—2 раза больших. Вольфрам является тугоплавким металлом

свысокой температурой рекристаллизации. Он упрочняет основ­ ной твердый раствор, повышает температуру его рекристаллиза­ ции и тормозит диффузионные процессы, протекающие в условиях воздействия высоких температур в твердом растворе в ферритных сталях. Вольфрам также образует сложные карбиды и интерме­ таллические соединения и создает условия для дисперсного твер­ дения сплава, в который его вводят.

Металлический ниобий относится к числу высокожаропрочных металлов, таких как вольфрам и молибден. Он благоприятно влияет

на сопротивляемость ползучести хромистых сталей, в которых с введением ниобия развивается процесс дисперсионного твер­ дения.

Опыт создания модифицированных сплавов, содержащих 12% хрома, подтверждает известное положение о том, что эффективное повышение жаропрочности достигается при введении в сплав не одного, а двух, трех и более легирующих компонентов. Одновре­ менное разностороннее воздействие различных легирующих эле­ ментов позволяет добиться максимального упрочнения сплава. Поэтому в практике турбостроения для рабочих лопаток, эксплуа­ тируемых при высоких температурах, применяют хромистые нержавеющие стали, упрочненные комплексным легированием: молибденом и ванадием; молибденом, вольфрамом и ванадием; нио­ бием, вольфрамом и молибденом и др.

Сталь 1X11МФ (15X11МФ, Х11МФ). В качестве упрочняющих элементов этой стали, относящейся к мартенсито-ферритному классу, применены молибден и ванадий. Химический состав (в %) стали 1Х11МФ следующий:

Физические свойства стали 1X11МФ приведены в табл. 18. Эту сталь с 1956 г. широко используют как металл рабочих лопа­ ток, предназначаемых для длительной службы при температурах до 550—560° С. Освещая опыт разработки стали 1X11МФ, А. И. Чи­ жик, Е. А. Хейн и И. С. Жаковская указывают, что одним из

141

Механические свойства стали 1Х11МФ при высоких температу­ рах приведены в табл. 20. После закалки на воздухе с 1050° С и отпуска при 540° С условный предел ползучести [1 • ІО7 мм/(мм-ч)] при температуре 550° С составляет 9 кгс/мм2, длительная прочность для 100 000 ч равна 13—16 кгс/мм2. При 600° С предел ползучести для тех же условий снижается до 5 кгс/мм2. Пластичность этой стали при длительном разрыве весьма высока.

20. Механические свойства стали 1Х11МФ различной прочности при высоких температурах

Были проведены длительные испытания на усталость гладких

инадрезанных образцов из стали 1Х11МФ. А. И. Чижик отмечает, что с увеличением базы испытаний усталостная прочность гладких

инадрезанных образцов становится примерно одинаковой. При температуре 550° С предел выносливости стали 1X11МФ, нормали­

зованной с 1080— 1100° С и отпущенной при 720—740° С в течение 2 ч, который определен на базе 100 млн. циклов нагрузки, соста­ вил для гладких образцов 25 кгс/мм2, а для надрезанных образцов 17 кгс/мм2. Эта сталь обладает высоким декрементом затухания колебаний. При напряжении 15 кгс/мм2 значение ф - ІО4 составляет при комнатной температуре —230, а при 500° С ~ 135; при 550° С декремент повышается до 200.

Детали, изготовленные из стали 1X11МФ, можно сваривать. Для ручной дуговой сварки применяют электроды КТИ-9. Для этих электродов используют сварочную проволоку из стали 08X11, 08Х11МФ или 1Х11МФН. Содержание (в%) основных элементов химического состава в металле шва следующее:

Степень изменения свойств в зоне теплового влияния сварки может быть различной в зависимости от предшествовавшей терми­ ческой обработки свариваемых деталей. Для сварки стали 1X1ІМФ желательно, чтобы температура отпуска, которому ранее подвер-

144

галось после закалки каждое из свариваемых изделий, была не ниже 700° С. Степень разупрочнения участка высокого отпуска сварного соединения при этом будет сравнительно небольшой и длительная прочность соединения приблизится к свойственной основному металлу. Чем выше в хромистых сталях содержание углерода, тем больше их склонность к образованию трещин при сварке. Поэтому для сварки следует выбирать детали из стали 1X11МФ с содержанием углерода 0,12%, соответствующим его нижнему пределу в химическом составе данной марки или близким к нему. Свариваемые изделия необходимо подогревать до ~300° С. После окончания сварки изделие подвергают отпуску при 710— 720° С с охлаждением вместе с печью. Соблюдение указанных ре­ комендаций позволяет получить надежные в эксплуатации сварные соединения. В. Н. Земз-ин приводит следующие значения предела длительной прочности при 550° С изделия, сваренного из стали 15Х11МФ:

Длительная прочность

Сталь 1X11МФ (15X11МФ) можно сваривать со многими ста­ лями. При сварке ее со сталями других марок, содержащими 12% Сг, рекомендуется применять сварочные материалы, пред­ назначаемые для той из сталей, которая менее легирована. Если необходимо поверхностное упрочнение изделий из этой стали (например, лопаток для защиты от эрозии), то можно применять азотирование, аналогичное рекомендуемому для сталей 1X13 и 2X13.

Стали 1Х12ВНМФ (ЭИ802), 15Х12ВНМФ и 2Х12ВНМФ (ЭП428).

Сталь 1Х12ВНМФ, как и сталь 1Х11МФ, относится к мар­ тенсито-ферритному классу. Она является более сложно легиро­ ванной упрочненной хромистой сталью, в которую в качестве ком­ плекса повышающих жаропрочность элементов введены молибден, ванадий, вольфрам и никель. Марочный состав (в %) стали 1Х12ВНМФ следующий:

Сталь 2Х12ВНМФ имеет несколько измененный состав по сравнению с приведенным: 0,17—0,23% С; 10,5— 12,5% Сг; 0,5—0,9% Ni; содержание остальных элементов соответствует указанному выше. Основные физические свойства стали 1Х12ВНМФ приведены в табл. 21.

21.Изменение физических свойств стали 1Х12ВНМФ *

взависимости от температуры

турных особенностей и характеристик сталей, содержащих 12% Сг с различными упрочняющими легирующими элементами в разных сочетаниях и количествах. Кроме элементов,выбранных для ре­ комендованного состава стали, было изучено влияние ниобия, титана, бора и азота (для его введения в сталь был применен азо­ тированный феррохром). Л. Я- Либерман и А. В. Боева отмечают, что лучшие характеристики жаропрочности были зафиксированы в тех вариантах сталей, структура которых не имела свободного феррита или его количество было ограничено 10—20%. Там же, где количество обособленного феррита превышало 30%, исследо­ ватели наблюдали резкое разупрочнение стали и потерю стабиль­ ности свойств. Совместное легирование стали вольфрамом и молиб­ деном более эффективно повышает жаропрочность, чем легирова­ ние одним из этих упрочняющих элементов в эквивалентных коли­ чествах. Отмечено также, что введение ниобия и титана в сталь, со­ держащую вольфрам, молибден и ванадий, способствует увеличе­ нию количества обособленного феррита и снижению жаропроч­ ности.

Сталь 1Х12ВНМФ широко применяют для изготовления лопа­ ток мощных паровых турбин. Критические точки для этой стати

состоит из закалки с 1010— 1060° С в масле и отпуска при 660— 770° С с охлаждением на воздухе. Механические свойства стали, применяемой для лопаток, должны удовлетворять следующим тре­

1Х12ВНМФ необходимо ограничивать не только минимальными, но и максимально допустимыми значениями. Разработаны реко­ мендации, предусматривающие, что для термически обработанной стали 1Х12ВНМФ, применяемой для нагруженных лопаток, ра-

146

ботающих при высоких температурах, значения предела текучести должны составлять 67—80 кгс/мм2.

22. Механические свойства стали 1Х12ВНМФ

Отметим, что у стали 15Х12ВНМФ с повышенным содержанием углерода обычно наблюдается более равномерная структура с меньшим содержанием свободного феррита. Ее механические свойства в связи с этим более стабильны, а ударная вязкость выше, чем у стали 1Х12ВНМФ с меньшим содержанием углерода. В табл. 22 приведены механические свойства, полученные при кратковременных испытаниях на растяжение в условиях различ­ ных температур сортовой ( 0 40— 120 мм) стали 1Х12ВНМФ сле­ дующего химического состава (в %):

Значения пределов длительной прочности и ползучести (для деформации 1%) за 100 000 ч при температурах 450—580° С стали 1Х12ВНМФ с различными исходными величинами предела те­ кучести приведены в табл. 23.

23. Характеристики жаропрочности стали 1Х12ВНМФ

По данным Центрального котлотурбинного института им. И. И. Ползунова, предел выносливости стали 1Х12ВНМФ, определенный на базе 10 млн. циклов нагрузки, при комнатной температуре составляет 38—42 кгс/мм2, при 550° С равен 27 кгс/мм2 и при 580° С снижается до 24 кгс/мм2. Декремент затухания коле­ баний стали ниже, чем у сталей 1X13 и 1Х11МФ (15X11МФ). При напряжении 15 кгс/мм2 значение ф • 104 для стали 1ХІ2ВНМФ со­ ставляет в условиях комнатной температуры —120, при 500° С —• примерно 65. При 600° С декремент заметно повышается и для всех напряжений от 5 до 25 кгс/мм2 (особенно для напряжений, пре­ вышающих 10 кгс/мм2) превосходит декремент затухания колеба­

Для них применяют проволоку из стали 08Х11, 08Х11ВФ (ЭИ798), 08X11МФ (ЭИ797), Х11МФН или Х11ВМФН.

Содержание (в %) основных элементов в наплавленном ука­ занными электродами металле следующее:

580° С для основного металла составляет 12— 15 кгс/мм2, наплав­

ствляют с подогревом до 300—450° С (в зависимости от содержания углерода и других элементов в свариваемых деталях). Сварные изделия подвергают отпуску при температуре 680—700° С с охла­ ждением вместе с печью.

Сталь 18Х1ШФБ (ЭП291). Эта сталь создана также на базе нержавеющей стали, содержащей 12% хрома. В качестве упроч­ няющих металлов применены молибден, ванадий, ниобий и никель. Сталь 18X11МФБ характеризуется высокой жаропрочностью и предназначена для длительной службы при температурах до 580— 600° С. Химический состав (в %) этой стали следующий:

Физические свойства стали 18X11МФБ приведены в табл. 24. В процессе создания этой стали было изучено влияние на жаро­ прочность хромистой стали молибдена и вольфрама (по 0,5 % и 1%), повышенного содержания ванадия и небольших примесей ниобия. А. И. Чижик, Е. А. Хейн и И. С. Жаковская отмечают, что химический состав стали был выбран с учетом следующих резуль­ татов проведенных экспериментов: введение ниобия в количествах,

148

24.Изменение физических свойств стали 18X11МФБ *

взависимости от температуры

не превышающих 0,3—0,4%, существенно повысило сопротивляе­ мость ползучести; увеличение содержания ванадия с 0,3 до 0,8% заметно снизило жаропрочность; лучший комплекс жаропрочных свойств, высокая стабильность в процессе длительных выдержек при 600° С, вполне удовлетворительная пластичность в условиях длительного разрыва и другие положительные качества были зафиксированы у стали со средним содержанием легирующих эле­ ментов: 0,9% Мо, 0,3% V и 0,3% Nb. Для предупреждения обра­ зования в структуре избыточного феррита в сталь введен в неболь­ шом количестве (до 1%) никель и повышено содержание марганца.

Рекомендуемая термическая обработка стали 18X11МФБ — закалка с 1080—1130° С на воздухе или в масле и отпуск при 660— 770° С с охлаждением на воздухе. Механические свойства после термообработки должны удовлетворять следующим требованиям:

Сталь для упрочнения поверхностного слоя можно подвергать азотированию. Изделия из этой стали можно сваривать при подо­ греве. Сварные соединения необходимо подвергать отпуску при температурах, определяемых в зависимости от химического со­ става свариваемых изделий.

В заключение отметим, что плотность упрочненных нержаве­ ющих сталей, содержащих 12% хрома, несколько выше, чем стали

149

2X13. Коэффициент линейного расширения сталей 1X13, 2X13 и упрочненных сталей практически одинаков. Значения теплопро­ водности немного ниже у упрочненных сталей, однако эти раз­ личия очень невелики (обычно в тысячных долях калории) и с по­ вышением температуры практически исчезают.

Характеристики жаропрочности модифицированных хромистых сталей существенно выше, чем сталей 1X13 и 2X13. Так, значения предела ползучести (1 %; 100 000 ч) упрочненных сталей при 550° С примерно равны соответствующим показателям хромистых сталей при 450° С или несколько превышают их. Предел длительной прочности (для 100 000 ч) упрочненных хромистых сталей при 550° С выше, чем у хромистых при 450° С. Относительно большой запас пластичности, малая чувствительность к концентраторам напряжений и удовлетворительная демпфирующая способность позволяют успешно использовать упрочненные хромистые стали для значительно нагруженных рабочих лопаток, работающих при высоких температурах.

Разработаны и успешно применяются модифицированные хро­ мистые стали и других марок. Стали этой категории используют в турбостроении и как материал для крепежных деталей, а также для изготовления поковок роторов, дисков и т. д. Эти стали весьма технологичны, их можно ковать, штамповать, обрабатывать ме­ таллорежущими инструментами, азотировать, достигая этим высо'кой поверхностной твердости для защиты от эрозионного раз­ рушения. Упрочненные хромистые стали характеризуются доста­ точной для условий службы в паровых турбинах стойкостью к об­ разованию окалины.

Аустенитные стали. На начальном этапе внедрения пара вы­ сокого давления в отечественную теплоэнергетику для изготовле­ ния лопаток регулирующих ступеней турбины с начальной темпе­ ратурой пара 480—500° С применяли сложнолегированную сталь аустенитного класса марки 2Х14Н14В2С2Т (ЭИ123), содержащую 14% хрома и 14% никеля. В дальнейшем от ее применения для данного назначения отказались, так как опыт показал, что такие лопатки можно успешно изготовлять из нержав ющих хромистых сталей мартенситного класса.

В турбинах типа СВК-150-1 и некоторых других агрегатах для лопаток первых ступеней была применена аустенитная сталь 1Х16Н13М2Б (ЭИ405). В дальнейшем эту сталь для указанного назначения заменили упрочненные нержавеющие стали с 12% Сг. В настоящее время лопаточный аппарат отечественных серийно производимых паровых турбин, включая турбины мощностью до 800 тыс. кВт, изготовляют без применения аустенитных сталей. Для-. лопаток всех ступеней используют стали 1X13, 2X13 и раз­ личные марки упрочненных нержавеющих сталей с 12% хрома.

Рабочая температура лопаток первых ступеней в газовых тур­ бинах выше, чем в паровых. Разработаны различные марки сталей аустенитного класса для длительной эксплуатации при темпера-

150