Обошли мировой тупик: материаловеды НИУ «БелГУ» научились делать сталь одновременно прочной и вязкой

Исследователи лаборатории механических свойств жаропрочных и наноструктурных материалов НИУ «БелГУ» кандидаты технических наук Павел Долженко и Анна Луговская, а также Евгений Ткачёв, Иван Бражников и Анастасия Долженко под руководством и.о. заведующего лабораторией, доктора технических наук Александры Федосеевой разработали и запатентовали способ термомеханической обработки высокохромистых (12% Cr) мартенситных сталей, который одновременно повышает жаропрочность и ударную вязкость.

До сих пор эти характеристики были связаны обратной зависимостью: чем прочнее становилась сталь при рабочей температуре, тем более хрупкой она делалась. Преодоление этого противоречия открывает путь к отечественным лопаткам и роторам паровых турбин, способным длительно работать при 630–650 °C.

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 °C 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. Деталь из такой стали выдержит более высокую нагрузку и прослужит дольше, не деформируясь.

Вредные 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%, и именно она делает материал хрупким. Уникальное сочетание этапов обработки снижает содержание нежелательной фазы до 1–2% и растворяет крупные вредные частицы, сохраняя при этом упрочняющие наночастицы.

– Наш метод подходит для борьбы с дельта-ферритом, в каких бы сталях он не возникал. Но приведет ли в других материалах такой метод обработки к положительным результатам – не гарантированно. Под каждую задачу – свой материал и обработка, – пояснила Александра Федосеева.

Достичь впечатляющего результата материаловедам НИУ «БелГУ» позволил особый подход к обработке высокохромистых сталей – термомеханическая обработка для одновременного повышения и сопротивления ползучести, и ударной вязкости материала. Она включает 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.

– Весь состав команды проекта – молодые учёные в возрасте до 39 лет. Такой молодой и сплочённый коллектив обеспечил и научную новизну, и практическую проверку разработки, – рассказала Александра Эдуардовна.

В работе команда задействовала комплекс современных методов: термомеханическая обработка, механические испытания на ударную вязкость по ГОСТ 9454-2025, на одноосное растяжение, на длительную прочность и ползучесть по ГОСТ 9651-84 и ASTM E139. Также были проведены микроструктурные исследования: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, энергодисперсионный анализ, анализ углеродных реплик и компьютерное моделирование: термодинамические и кинетические расчёты в программных пакетах Thermo-Calc и Prisma.

Учёные рассказали, что практическая ценность разработки определяется задачами, которые ставит «Энергетическая стратегия РФ на период до 2035 года».

– 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, включая углекислый газ. 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 её обработки закрывают эту зависимость, – объяснила Александра Федосеева.

Масштабная работа продолжается с 2019 года. На текущем этапе исследование остаётся фундаментальным, но разработка изначально ориентирована на нужды отечественного энергомашиностроения, и в перспективе планируется сотрудничество с профильными предприятиями для опытно-промышленных испытаний и внедрения. Следующие шаги команда планирует в двух направлениях. Первое – продолжение фундаментальных исследований: если обработка обеспечила высокие показатели при 650 °C, нужно проверить, можно ли поднять планку ещё выше, изучив структурную стабильность и механизмы деформации при более высоких температурах.

– Поднимать температуру планируем до 675–700 °C – это позволит нам расширить окно возможностей разработанного материала и разработать регламент сокращения лабораторных испытаний на основе надёжных верификационных моделей, – отмечает Александра Эдуардовна.

Вторым направлением дальнейшей работы исследователи обозначили изготовление опытных партий изделий – например, лопаток паровых турбин, их стендовые и натурные испытания и последующую передачу технологии на серийное производство.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (соглашение 24-79-10112) и выполняется в рамках научного направления «Разработка новых конструкционных материалов и покрытий». Уникальность и новизна способа термомеханической обработки жаропрочных сталей мартенситного класса защищены патентом Российской Федерации.

С получением значимого результата исследователей поздравила ректор НИУ «БелГУ» Евгения Карловская.

– Идею и схему обработки предложила Александра Эдуардовна Федосеева, а коллеги воплотили её в реальность: провели эксперименты, испытания, микроструктурные исследования. Это та самая среда университета, где учёный не ждёт разрешения, а берёт сложную задачу и доводит её до результата, – написала Евгения Анатольевна в своём канале в Mакс.