Материаловеды НИУ «БелГУ» запатентовали новую жаропрочную сталь для элементов энергетических установок

В настоящее время энергетическое машиностроение, производящее оборудование для угольных электростанций, предъявляет спрос на новые жаропрочные стали. Используемые в конструкциях тепловых и газовых турбин жаропрочные стали, а также металлические сплавы на никелевой основе накладывают ограничения по температуре эксплуатации и имеют сравнительно небольшой ресурс службы.

Как поясняют учёные, из-за низких сопротивлений ползучести сталей при температурах выше 580°C, а также ограниченной свариваемости их невозможно использовать для изготовления лопаток паровых турбин для работы при более высоких температурах. Замена сталей на никелевые сплавы экономически нецелесообразна, поскольку увеличивает стоимость турбин и усложняет их конструкцию, что приводит как к эксплуатационным ограничениям, так и уменьшению ресурса.

На базе НИИ материаловедения и инновационных технологий НИУ «БелГУ» под руководством доктора физико-математических наук Рустама Кайбышева в рамках гранта Российского научного фонда № 19-73-10089 разработаны и запатентованы жаропрочные стали, способные функционировать при температуре 650°C и давлении пара 30-35 МПа. Полученный материал представляет жаропрочную сталь мартенситного класса, содержащую в особой пропорции углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, молибден, рений, ванадий, ниобий, азот, бор, кобальт, серу, фосфор, алюминий, медь, рений, титан и железо.

По словам Рустама Оскаровича, проведенные исследования подтверждают высокий срок эксплуатации полученных сталей: они служат в несколько раз дольше, чем используемые в энергетической отрасли отечественные и зарубежные аналоги при данной температуре. Это открывает возможность для разработки энергоблоков с температурой пара до 650^оС. До настоящего времени все попытки японских и других инженеров достичь этой температуры на паровых турбинах оказались неудачными.

– В ходе исследований была установлена роль различных легирующих элементов в жаропрочности высокохромистых сталей. Это позволило подобрать неизвестное ранее влияние соотношения легирующих элементов, которое обеспечило повышение сопротивления ползучести при температуре 650°С. Увеличение количества меди и снижение на треть доли вольфрама позволяет увеличить в несколько раз время до разрушения запатентованной стали при экстремально высоких для этого класса материала температурах, – комментирует Рустам Оскарович.

По словам руководителя проекта старшего научного сотрудника НИЛ механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИИ материаловедения и инновационных технологий, кандидата технических наук Александры Федосеевой, перспективные характеристики нового материала позволяют применять его для изготовления лопаток паровых турбин, роторов и других элементов энергетических установок и существенно увеличить срок службы деталей.

Сегодня максимальные температуры эксплуатации используемых в теплоэнергетике находятся в диапазоне 545-600°С. Учёные считают, что внедрение запатентованного материала позволит поднять рабочую температуру тепловых электростанций до 650°C и, соответственно, существенно увеличить их коэффициент полезного действия, снизить вес при сохранении мощности и уменьшить выброс диоксида углерода на 1 киловатт-час.