Жаропрочными называют такие стали и сплавы, которые могут определенное время работать под нагрузкой при высоких температурах и при этом обладать жаростойкостью.
В теплоэнергетике жаропрочные стали используют для изготовления деталей газовых и паровых турбин, элементов котельных агрегатов и т.п.
С повышением температуры стали уменьшаются предел текучести, временное сопротивление, модуль упругости и возникает ползучесть.
Ползучесть – медленное нарастание при высоких температурах пластической деформации при постоянно действующих напряжениях, меньших предела текучести. Ползучесть приводит к разрушению металла.
Сопротивление металла ползучести и разрушению при высоких температурах и длительном воздействии нагрузки называют жаропрочностью. Жаропрочность оценивается условным пределом ползучести и пределом длительной прочности.
Рабочие температуры жаропрочных сплавов находятся в пределах (0,45…0,8)Тпл, где Тпл – температура плавления, К.
При высоких температурах деформация и разрушение обычно происходят по границам зерен, так как на границах зерен больше дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.).
Жаропрочность стали во многом зависит от величины межатомных связей и структуры. Чем выше температура плавления металла, тем сильнее межатомные связи и выше жаропрочность.
Жаропрочность повышают легированием. В результате увеличивается энергия связи между атомами и процессы диффузии задерживаются, а температура рекристаллизации повышается.
Жаропрочные сплавы, работающие при температурах до 700…900 °С, изготавливают на основе железа, никеля и кобальта, а сплавы, работающие при температуре 1200…1500 °С, – на основе молибдена и ряда других тугоплавких металлов.
В котлостроении широко используют перлитные стали. Они предназначены для длительной эксплуатации при температурах 450…580 °С. Перлитные жаропрочные стали являются низкоуглеродистыми. Они содержат от 0,08 до 0,15 % С, иногда до 0,2…0,3 %. Содержание легирующих элементов, основными из которых являются хром, молибден и ванадий, не превышает 2…3 % (12Х1МФ, 25Х2М1Ф).
Стали, содержащие 0,12… 0,15 % С, используют для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других элементов паросиловых установок, температура эксплуатации которых не превышает 570…580 °С. Перлитные стали с содержанием углерода 0,25…0,30 % по жаропрочности уступают перлитным сталям с содержанием углерода 0,12…0,15 % и их эксплуатируют при температурах 525…565 °С. Из них изготавливают роторы паровых турбин. Перлитные стали находят широкое применение благодаря невысокой стоимости, технологичности и удовлетворительной жаропрочности.
Для изделий, работающих при температурах 450…600 °С, применяют мартенситные стали. От перлитных сталей они отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или продуктов сгорания топлива. Мартенситные стали содержат 0,35…0,45 % С, 9…10 % Cr, 2…3 % Si (40Х10С2М, 11Х11Н2В2МФ).
Для изготовления дисков, лопаток и других элементов газовых турбин используют стали мартенситно-ферритногокласса, которые могут работать при температурах 600…650 °С. Это высоколегированные стали, которые содержат 11…12 % хрома и небольшое количество молибдена, вольфрама, ванадия (11Х11МФ, 11Х12ВНМФ, 15Х11МФ, 18Х11МФБ).
Для изготовления различных деталей газовых турбин, работающих в интервале температур 600…700 °С, а при умеренных напряжениях – до 800…850 °С, применяют аустенитные стали. Эти стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали. Основные легирующие элементы в этих сталях – хром и никель. Иногда никель заменяют другими аустенитообразующими элементами – марганцем или азотом. Содержание углерода в этих сталях 0,1…0,4 % (10Х11Н20Т3Р, 12Х18Н10Т, 40Х15Н7Г7Ф2МС).
Детали паровых и газовых турбин, работающих при температурах 500…750 °С, изготавливают из жаропрочных сплавов на железоникелевой основе. Структура этих сплавов – твердый раствор хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (ХН35ВТЮ) [4].
Для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков и других деталей теплоэнергетического оборудования, работающих при температуре до 850 °С, применяют жаропрочные стали на основе никеля. Их называют нимониками. Для повышения окалиностойкости никель легируют хромом в количестве (»20 %), а для увеличения жаропрочности – титаном (1,0…2,8 %) и алюминием (0,55…5,5 %). К числу таких сплавов относятся: ХН77ТЮР, ХН70ВТЮ, ХН65ВМТЮ.