Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

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

турах 650—700° С и выше. Основной структурой сталей этой группы является аустенит с гранецентрированной кубической решеткой. Прочностные характеристики металлов связаны с диффузионной подвижностью атомов кристаллической решетки. Для миграции атомов в металле с плотноупакованной решеткой гранецентри­ рованного куба необходимо воздействие значительной внешней энергии. Поэтому разупрочняющие процессы в аустенитных сталях обычно протекают менее интенсивно, чем в сталях с перлитной или мартенситной структурной основой. Жаропрочность различ­ ных марок аустенитных сталей зависит от химического состава твердого раствора, количества, формы и степени дисперсности карбидов, интерметаллидов и других избыточных упрочняющих фаз.

Химический состав аустенитных сталей для лопаток и режимы их термической обработки устанавливают с учетом перечисленных факторов, стремясь получить оптимальное сочетание характеристик ползучести, длительной прочности, пластичности, деформационной способности, циклической прочности и вязкости и др. для обеспе­ чения надежной длительной эксплуатации лопаток в требуемом температурном интервале. В табл. 25 приведен химический' со­ став аустенитных сталей, используемых для лопаток газовых турбин, работающих при высоких температурах.

Физические свойства аустенитных сталей приведены в табл. 26, где для сравнения указаны и свойства стали 2X13. Как видим, для аустенитных сталей характерны более высокие значения плот­ ности, чем для стали 2Х13. Коэффициент их линейного расширения значительно выше, чем хромистых нержавеющих сталей. В то же время теплопроводность аустенитных сталей заметно ниже, чем стали 2X13. С этими особенностями связаны известные трудности, возникающие при обработке аустенитных сталей.

Термическая обработка аустенитных сталей обычно состоит из закалки или аустенизации при 1080— 1180° С и отпуска или старения при 700—900° С.

В энергомашиностроении накоплен значительный опыт вы­ полнения сварных соединений из аустенитных сталей. Вследствие отсутствия фазовых превращений в процессе сварки аустенитные стали не склонны к образованию в зоне термического влияния сварки хрупких закаленных участков. Поэтому при относительно невысоком содержании углерода (менее 0,25—0,30%) аустенитные стали можно сваривать без подогрева. Однако металл шва при сварке этих сталей склонен к горячим кристаллизационным тре­ щинам, особенно в тех случаях, когда он имеет чисто аустенитную структуру. Чтобы предотвратить образование горячих трещин, разработаны электроды, обеспечивающие получение двухфазной аустенито-ферритной или аустенито-карбидной (в зависимости от состава свариваемых сталей) структуры шва.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе.’Для лопаток, дли­ тельно работающих в газовых турбинах при температурах до 700—

151

152