Жаростойкие стали и сплавы, наиболее широко применяемые в теплоэнергетике

Жаростойкость (способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени) во многом зависит от внешних и внутренних факторов - состояния поверхностного слоя, структуры металла или сплава, от чистоты механической обработки. Установлено, чем более тщательно подготовлена поверхность к работе при высоких температурах (например, не только шлифовка, но и полировка), тем более замедлен процесс окисления. Это связано с тем, что оксиды распределяются более равномерно и прочнее сцепляются с поверхностью металла.

Для повышения жаростойкости в качестве легирующих элементов рационально использовать хром, алюминий, кремний - раскислители, имеющие большее химическое сродство к кислороду, чем железо. Как результат при легировании вышеназванными элементами на поверхности образуется очень прочная оксидная пленка сложного окисла железа, хрома, кремния и алюминия, защищающая поверхность металла от дальнейшего окисления. Следует учитывать, что защитные свойства таких пленок повышаются, если она не плотная и не пропускает ионы кислорода, но и не отслаивается при механическом воздействии.

Влияние некоторых легирующих элементы, которые наиболее часто используются в жаростойких сталях, более подробно изложено в учебном пособии [1].

Матюнин В. М. в учебном пособии по теплоэнергетике [2] выделяет 6 основных групп сталей по жаростойкости:

• нестойкие,
• мало стойкие,
• относительно стойкие,
• достаточно стойкие,
• стойкие,
• вполне стойкие.

Закономерно, что в теплоэнергетике в большинстве случаев применяются вполне стойкие и стойкие стали.

Основной путь повышения жаростойкости - изменение состава и строения защитной поверхностной окисной пленки. Проблема металловедов - сделать ее достаточно прочной и трудно проницаемой для ионизированных атомов кислорода и металла. Установлено, что при введении в состав стали таких элементов как хром, кремний и алюминий (обладающих большим сродством к кислороду, чем железо), на поверхности стальных изделий образуются плотные защитные пленки, состоящие из оксидов типа (Cr, Fe)₂O₃; (Al, Fe)₂O₃; (Si, Fe)O₂.

При рассмотрении различных групп жаростойких сталей следует учитывать, что все они практически легированы вышеуказанными элементами.

Однако, на практике в теплоэнергетике наиболее часто используют классификацию жаростойких сталей и сплавов, предложенную Матюниным В. М. в источнике [3]:

• Ферритные хромистые и хромоалюминиевые жаростойкие стали. Типичные представители 12Х17; 15Х25Т; 15Х18СЮ. Все они - однофазные сплавы, представляющие собой твердый раствор хрома и некоторых других элементов в a-Fe, т. е. высоколегированный феррит. Увеличение содержания хрома значительно повышает жаростойкость. Если изделие эксплуатируется при более высокой температуре, то сталь легируют большим количеством хрома. Это вызвано тем, что активность коррозии значительно повышается при увеличении температуры. Например, легирование стали хромом до 5% обеспечивает ее окалиностойкость при 650 - 700°С.
• Мартенситные хромокремнистые жаростойкие стали. Типичные представители 4Х9С2; 40Х10С2М; 30Х13Н7С2. Отличительная особенность сталей данной группы - хорошее сопротивление газовой коррозии в продуктах сгорания различных видов топлива и очень высокая износостойкость как при трении, так и при ударных нагрузках.
• Аустенитные жаростойкие стали. Типичные представители 12Х18Н10Т; 09Х14Н16Б; 36Х18Н25С2. Характеристики жаростойкости данной группы сталей идентичны жаростойким высокохромистым ферритным сталям. Однако, эти стали отличают одновременно высокие жаростойкие и жаропрочные свойства за счет высокого содержания никеля. Основные недостатки аустенитных жаростойких сталей - высокая стоимость и незначительное сопротивление газовой коррозии в сернистых газах. Однако, эти стали имеют широкий диапазон использования в теплоэнергетике за счет уникальности свойств (несмотря на высокую стоимость никеля, входящего в их состав): высокая жаростойкость, жаропрочность, хорошая технологичность, длительная эксплуатация при высоких температурах не вызывает охрупчивания. Улучшению эксплуатационных свойств способствует легирование титаном, ниобием (предотвращают развитие в стали межкристаллитной коррозии), кремнием (повышает жаропрочность в среде с повышенным содержанием серы).
• Жаростойкие сплавы. Типичные представители - сплавы на железоникелевой и никелевой основах ХН60Ю, ХН78Т. Сплавы данной группы сохраняют характеристики жаростойкости до 1050-1250°С. Уникальность свойств состоит в том, что они высоко сопротивляются газовой коррозии, хорошо прокаливаются, свариваются, штампуются, обладают сопротивлением термической усталости, весьма пластичны в горячем и холодном состояниях. Указанные свойства позволяют использовать жаростойкие сплавы для изготовления наиболее ответственных деталей газовых турбин, таких как камеры сгорания, жаровые трубы (рис.) газопроводных систем, работающие при температурах до 1250°С.

Более подробно режимы термической обработки и механические свойства жаростойких сталей и сплавов всех групп приведены в таблицах учебного пособия [2].

Рис. Разрез камеры сгорания и жарового газотурбинного двигателя

Таким образом, в работе рассмотрены основные жаростойкие стали и сплавы в теплоэнергетике и их классификация с учетом легирования.