Разработка функционально-градиентных разнородных сварных соединений с использованием эвтектического высокоэнтропийного сплава в качестве прослойки для высокотемпературных применений в энергетических установках нового поколения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-20141

НазваниеРазработка функционально-градиентных разнородных сварных соединений с использованием эвтектического высокоэнтропийного сплава в качестве прослойки для высокотемпературных применений в энергетических установках нового поколения

Руководитель Сонар Тушар Мадхукар, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №90 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова разнородная сварка, эвтектический высокоэнтропийный сплав, сталь мартенситного класса, аустенитная нержавеющая сталь, дуговая сварка неплавящимся электродом в защитном инертном газе, микроструктура, прочность, ползучесть, коррозия, термическая обработка после сварки

Код ГРНТИ53.49.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Электростанции нового поколения предполагают применение устойчивых к ползучести мартенситной нержавеющей стали 10Х9В2МФБР (аналог Р92) и аустенитных нержавеющих сталей 08Х18Н11 и 03Х17Н14М3 (аналоги SS304L и SS316L, соответственно) в различных узлах в зависимости от требований к температуре и коррозионной стойкости. Тепловые электростанции содержат тысячи разнородных сварных швов из мартенситной и аустенитной нержавеющих сталей для соединения различных компонентов котлов, коллекторов и сосудов высокого давления из стали 10Х9В2МФБР с магистральными паропроводами из сталей 08Х18Н11 и 03Х17Н14М3, которые должны надежно работать в диапазоне температур 500-550 ˚C. Однако, сварка разнородных мартенситных и аустенитных нержавеющих сталей представляет значительные трудности из-за различий в химическом составе, механических, физических и металлургических свойствах, что приводит к возникновению проблем горячего растрескивания, миграции углерода, образования хрупких интерметаллидов, размягчения зоны термического влияния (ЗТВ) и высоких остаточных напряжений. Отказы таких разнородных сварных соединений могут происходить преждевременно. Причиной разрушения разнородных швов является резкое изменение состава, происходящее на границе раздела двух материалов. Кроме того, электростанции нового поколения требуют развития традиционной технологии многопроходной дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертного защитного газа (GTAW) для удовлетворения требований к качеству соединений, повышению производительности и улучшению характеристик шва. В связи с этим целью данного исследования является разработка функционально-градированных разнородных сварных соединений стали 03Х17Н14М3 со сталями 08Х18Н11 и 03Х17Н14М3 с использованием эвтектического высокоэнтропийного сплава (ВЭСа) AlCoCrFeNi2.1 в качестве промежуточного слоя и процесса сварки GTAW с активированным флюсом (A-GTAW). Использование ВЭСа в качестве промежуточного слоя позволит постепенно градировать состав разнородных швов между этими двумя сталями за счет более высокой энтропии смешения и более медленной атомной диффузии ВЭСа, что исключает резкое изменение состава, вызывающее преждевременное разрушение. Преимущества процесса A-GTAW заключаются в увеличении проплавления шва на 300-400% за один проход без подготовки кромок при меньшем тепловыделении и более высокой скорости сварки, что позволяет повысить производительность сварки. Таким образом научная новизна данного проекта обусловлено совокупностью запланированных исследований и их предполагаемыми результатами, а именно: - различные участки разнородных соединений будут детально охарактеризованы, чтобы понять, как изменяется микроструктура в процессе сварки и термической обработки. - механические свойства и коррозионная стойкость разнородных соединений будут исследованы и сравнены с разнородными сварными соединениями, выполненными с использованием традиционного присадочного материала на основе никеля и процесса технологии многопроходной сварки GTAW. - будет проанализировано влияние различных рабочих высоких температур (от 450 до 850 ˚С) и послесварочной термической обработки (ПСТО) на микроструктуру, механические свойства и коррозионную стойкость разнородных соединений. - будут разработаны термодинамические и кинетические модели фазообразования и диффузии между разнородными швами во время сварки и после ПСТО с использованием программы Thermo-Calc для определения оптимальной длины шва, необходимой для повышения устойчивости к диффузии углерода, которая в значительной степени является причиной преждевременного разрушения. Результаты данного исследования позволят получить значительные сведения о проектировании, изготовлении, микроструктурной эволюции и результирующих характеристиках функционально-градиентных разнородных соединений нержавеющих сталей, которые могут быть использованы для снижения или устранения преждевременных отказов в ряде высокотемпературных применений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разнородная сварка мартенситной стали 10Х9В2МФБР (зарубежный аналог P91) и аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н11 (зарубежный аналог 304L) имеет большое значение в энергетике. Сварные соединения из данных сталей подвергаются преждевременному хрупкому разрушению из-за миграции углерода, образования более мягкого δ-феррита, образования несмешанных зон и более низких механических свойств по сравнению с основными металлами (ОM). Листы из сталей 10Х9В2МФБР и 08Х18Н11 свариваются традиционным способом с использованием многопроходной дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертного защитного газа (MP-GTAW - multiple-pass gas tungsten arc welding) с присадочной проволокой, что имеет существенные недостатки, такие как высокое тепловложение, подготовка V-образных кромок соединения, большой расход защитных газов и присадочной проволоки и низкая производительность сварки. Чтобы преодолеть эти проблемы, стальные листы 10Х9В2МФБР и 08Х18Н11 сваривались с использованием нового подхода: эвтектического высокоэнтропийного сплава (ЭВЭСа) AlCoCrFeNi2.1 в качестве прослойки и роботизированного процесса GTAW с активированным флюсом (A-GTAW - activated flux gas tungsten arc welding). При сварке разнородных сталей 10Х9В2МФБР и 08Х18Н11 с использованием прослойки из ЭВЭСа AlCoCrFeNi2.1 и присадочной проволоки Inconel 82 (IN-82) были выбраны стыковые и V-образные соединения, соответственно. A-GTAW использовался для сварки сталей 10Х9В2МФБР и 08Х18Н11 с использованием в качестве прослойки ЭВЭСа AlCoCrFeNi2.1 толщиной 1,5 мм. MP-GTAW использовался для сварки сталей 10Х9В2МФБР и 08Х18Н11 с использованием присадочной проволоки Inconel 82 (IN-82) диаметром 1,6 мм. Характеристики разнородных соединений оценивались путем анализа свойств при растяжении (гладкое и с надрезом) при комнатной температуре, микротвердости, ударной вязкости при комнатной температуре, свойств при высокотемпературном растяжении (при 450, 550, 650, 750 и 850 °C), при испытании на ползучесть (при 650 °C для уровней напряжения 150 МПа и 180 МПа). Микроструктурные характеристики различных областей разнородных соединений изучались с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. Фазовый и элементный анализ различных областей соединений изучали с помощью рентгеновской дифракции и энергодисперсионной спектроскопии. Циклические испытания на горячую коррозию в расплавленной солевой среде (Na2SO4 + 60%V2O5) и испытания на стойкость к окислению на воздухе проводились при температуре 650 °C. Результаты данной научной работы. В сварных соединениях MP-GTAW/IN-82 хорошо видна в зоне сплавления несмешанная зона, как со стороны стали 10Х9В2МФБР, так и со стороны стали 08Х18Н11. При этом наблюдалось резкое изменение элементного состава и размера зерна, что нежелательно. В швах A-GTAW/ЭВЭС наблюдалась аустенитная дендритная структура с дельта-ферритом в междендритных участках вместе с мартенситными фазами, в MP-GTAW/IN-82 наблюдалось формирование полностью аустенитной структуры. Формирование аустенитной фазы в металле шва соединений MP-GTAW/IN-82 и фазы аустенит + феррит в металле шва соединений A-GTAW/ЭВЭС было спрогнозировано с помощью программы Thermo-Calc. В A-GTAW/ЭВЭС наблюдалось развитие функционально-градиентной структуры материала в зоне сплавления со стороны сталей 10Х9В2МФБР и 08Х18Н11. Соединения A-GTAW/ЭВЭС и соединения A-GTAW/ЭВЭС послесварочной термической обработки (ПСТО) показали лучшие свойства при растяжении, твердости и ударной вязкости металла по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82. Соединения A-GTAW/ЭВЭС показали увеличение предела прочности, предела текучести и удлинения на 15 %, 11 % и 100 %, соответственно, по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82. Термообработанные сварные соединения A-GTAW/ЭВЭС показали улучшение вязкости металла шва на 47 % и 13 %, соответственно, по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82. Более высокие показатели растяжения и вязкости соединений A-GTAW/ЭВЭС объясняются развитием аустенитной и мартенситной микроструктуры и выпадением в осадок более мелких вторичных фаз, обогащенных Ti, Mo, Nb и V. Свойства при растяжении при температурах 450-850 °C соединений A-GTAW/ЭВЭС и ПСТО были выше по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82. Сварные соединения A-GTAW/ЭВЭС и после их термической обработки показывают лучшие свойства при испытании на ползучесть при температуре 650°C для уровней напряжения 150 и 180 МПа по сравнению с соединениями MP-GTAW из-за более грубых выделений в ЗТВ, растворения вторичных фаз в процессе сварки и меньшего огрубления вторичных фаз при термической обработки и в процессе испытания на ползучесть. При уровне напряжения 150 МПа соединения A-GTAW/ЭВЭС показали увеличение срока службы на 47 % и уменьшение деформации ползучести на 39 % по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82. При уровне напряжения 180 МПа срок службы соединений A-GTAW/ЭВЭС и MP-GTAW/IN-82 резко сократился. Однако соединения A-GTAW/ЭВЭС показали увеличение срока службы на 23 % и снижение деформации ползучести на 45 % по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82. Соединения A-GTAW/ЭВЭС и после их термической обработки показали более низкую устойчивость к циклической горячей коррозии и окислению по сравнению с соединениями MP-GTAW/IN-82.

Публикации

1. Сонар Т.M., Иванов М.А., Трофимов Е.А., Лю К, Щербаков И.А., Шабурова Н.А., Самойловских П.Е. A critical review on dissimilar welding of ferritic-martensitic steel and austenitic stainless steel using gas tungsten arc welding process: Weldability issues, processing, and performance characteristics of joints Journal of Manufacturing Processes, A critical review on dissimilar welding of ferritic-martensitic steel and austenitic stainless steel using gas tungsten arc welding process: Weldability issues, processing, and performance characteristics of joints / Sonar T.M., Ivanov M.A., Trofimov E.A., Liu K., Shcherbakov I.A., Shaburova N.A., Samoilovskikh P.E. // Journal of Manufacturing Processes. -2024. - V. 133. - P. 811-864. (год публикации - 2025)
10.1016/j.jmapro.2024.11.081

2. Сонар Т.M., Иванов М.А., Щербаков И.А., Трофимов Е.А., Хасанова Е.А., Чипу М., Лю К. Enhancing Welding Productivity and Mitigation of Distortion in Dissimilar Welding of Ferritic-Martensitic Steel and Austenitic Stainless Steel Using Robotic A-TIG Welding Process Journal of Manufacturing and Materials Processing, Enhancing Welding Productivity and Mitigation of Distortion in Dissimilar Welding of Ferritic-Martensitic Steel and Austenitic Stainless Steel Using Robotic A-TIG Welding Process / Sonar, T.; Ivanov, M.; Shcherbakov, I.; Trofimov, E.; Khasanova, E.; Cheepu, M.; Liu, K. //Journal of Manufacturing and Materials Processing. - 2024. - V. 8. - N. 6. - p. 283. (год публикации - 2024)
10.3390/jmmp8060283

3. Сонар Т.М., Иванов М.А., Щербаков И. А., Трофимов Е.А., Шабурова Н. А., Хасанова Э., Сулейманова И., Самойловских П. Е. Дуговая сварка в среде инертного газа неплавящимся вольфрамовым электродом мартенситной стали и аустенитной нержавеющей стали Сварка и диагностика I Всероссийская научно-техническая конференция имени академика РАН Н.П. Алешина, Дуговая сварка в среде инертного газа неплавящимся вольфрамовым электродом мартенситной стали и аустенитной нержавеющей стали /Сонар Т.М., Иванов М.А., Щербаков И. А. [и др.] //Сварка и диагностика : I Всероссийская научно-техническая конференция имени академика РАН Н. П. Алешина (с международным участием) (Москва, 11–13 ноября 2024 года) : сборник тезисов / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)». — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2024. — С. 88-92. (год публикации - 2024)

4. Сонар Т.М., Иванов М.А., Щербаков И. А., Шабурова Н. А., Трофимов Е.А., Сулейманова И.Л., Хасанова Э.A. DISSIMILAR WELDING OF MARTENSITIC STEEL AND AUSTENITIC STAINLESS STEEL VIA ACTIVATED FLUX GAS TUNGSTEN ARC WELDING WITH EUTECTIC HIGH ENTROPY ALLOY INTERLAYER ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ («ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ») МАТЕРИАЛЫ Тезисы VII Международной школы-конференции «Перспективные многокомпонентные («высокоэнтропийные») материалы», посвященной 100-летию со дня рождения профессора Юрия Александровича Скакова, pp. 147-148 (год публикации - 2025)

5. Сонар Т.M., Иванов М.А., Щербаков И.А., Окулов А.В., Шабурова Н.А., Лю К., Хасанова Е.А., Самойловских П.Е. Effect of activated flux GTAW with AlCoCrFeNi2.1 eutectic high entropy alloy interlayer on microstructure and mechanical properties of dissimilar P91/304 L steel joints Journal of Materials Processing Technology, vol. 340, p. 118873 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jmatprotec.2025.118873

6. Сонар Т.M., Иванов М.А., Щербаков И.А.,Окулов А.В., Шабурова Н.А., Трофимов Е.А., Тиньгаев А.К., Самойлов С.П., Хасанова Е.А., Альрухайми А. Unveiling the Influence of A-TIG Welding with AlCoFeCrNi2.1 EHEA Intermediate Layer on PWHT Performance of 9Cr-1Mo-V/304L Steel Dissimilar Joints for Next-Generation Power Plants Metallurgical and Materials Transactions A, Sonar T., Ivanov M., Shcherbakov I., Okulov A., Shaburova N., Trofimov E., Tingaev A., Samoilov S., Khasanova E., Alruhaimi A. Unveiling the Influence of A-TIG Welding with AlCoFeCrNi2.1 EHEA Intermediate Layer on PWHT Performance of 9Cr-1Mo-V/304L Steel Dissimilar Joints for Next-Generation Power Plants. Metallurgical Materials Transactions A (2025). https://doi.org/10.1007/s11661-025-08034-6 (год публикации - 2025)
10.1007/s11661-025-08034-6

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Разнородная сварка ферритно-мартенситной стали 10Х9В2МФБР (аналог P91) и аустенитной нержавеющей стали 03Х17Н14М3 (аналог 316L) имеет важное значение в энергетике. Процесс осложнён различиями в составе и свойствах материалов, ведущими к миграции углерода, формированию дельта-феррита, зон несплавления, горячим трещинам и разупрочнению ЗТВ. Эти дефекты вызывают преждевременное разрушение соединений и дорогостоящие простои. Традиционная многопроходная аргонодуговая сварка (MP-GTAW) с никелевой присадкой IN-82 также характеризуется высокой энергоёмкостью и низкой производительностью. В качестве решения был применён новый подход: роботизированная активированная флюсом аргонодуговая сварка (A-GTAW) с прослойкой из эвтектического высокоэнтропийного сплава (ЭВЭС) AlCoCrFeNi2.1. Разнородные соединения пластин толщиной 6 мм были изготовлены двумя способами. Соединения MP-GTAW/IN-82 изготовлены ручной сваркой с V-образной разделкой за семь проходов присадочным прутком Inconel 82 (Ø1,6 мм). Соединения A-GTAW/ЭВЭС изготовлены роботизированной сваркой стыкового соединения за два прохода с применением флюса TiO₂ и промежуточного слоя ЭВЭС толщиной 1,5 мм. Для обоих типов применялся предварительный нагрев до 250°C и поддерживалась межпроходная температура 250°C. После сварки соединения выдерживались при 250°C в течение 30 минут, а затем подвергались модифицированной ПСТО: нормализация при 1050°C (30 мин, воздух) и отпуск при 680°C (30 мин, воздух). Для оценки свойств проведён комплекс испытаний: растяжение при комнатной и повышенных (450–850°C) температурах, микротвёрдость, ударная вязкость, длительная прочность (650°C, 180 МПа), микроструктурный анализ (ОМ, СЭМ), РФА, EDS, а также циклические испытания на горячую коррозию (Na₂SO₄ + 60% V₂O₅) и окисление на воздухе при 650°C. Микроструктурные характеристики. Соединения MP-GTAW/IN-82 имели полностью аустенитную микроструктуру металла шва. Соединения A-GTAW/EHEA характеризовались двухфазной микроструктурой (отпущенный мартенсит + аустенит), оптимальной для прочности и вязкости, что потенциально исключает необходимость ПСТО. После ПСТО в MP-GTAW-соединениях наблюдалось частичное растворение вторичных фаз. В A-GTAW-соединениях после ПСТО сформировалась структура из пучков бейнита (ламели безуглеродистого феррита и плёнок остаточного аустенита), разделённых микроблоками аустенита. Формирование ГЦК-фаз в MP-GTAW-соединениях и смеси ГЦК+ОЦК-фаз в A-GTAW-соединениях было предсказано моделированием (Thermo-Calc) и подтверждено РФА. Соединения A-GTAW/ЭВЭС показали меньшую химическую неоднородность (сегрегацию), менее выраженные зоны несплавления и более плавные градиенты состава по сравнению с MP-GTAW/IN-82. ПСТО вызвала миграцию углерода и выделение карбидов Cr в ЗТВ на стороне стали 03Х17Н14М3 у MP-GTAW-соединений. В A-GTAW-соединениях миграция углерода была подавлена благодаря повышенной энтропии смешения металла шва и наличию функционально-градиентной структуры на границах раздела. ПСТО также минимизировала градиент размера зерна в ЗТВ на стороне стали 10Х9В2МФБР в обоих типах соединений. Механические свойства. В состоянии после сварки соединения A-GTAW/ЭВЭС превзошли MP-GTAW/IN-82: предел текучести выше на 6,35%, пластичность – на 26,07%, твёрдость металла шва – на 129,67%, ударная вязкость – на 18,42%. Это связано с двухфазной микроструктурой A-GTAW/ЭВЭС, в то время как полностью аустенитная структура MP-GTAW/IN-82 с крупными вторичными фазами на границах зёрен обусловила более низкие свойства. После модифицированной ПСТО преимущество A-GTAW/ЭВЭС сохранилось и усилилось: улучшение предела текучести составило 16,67%, пластичности – 75,43%, твёрдости металла шва – 85,31%, ударной вязкости металла шва – 33,34%. Важным результатом ПСТО стало смещение места разрушения A-GTAW/ЭВЭС-соединений из ЗТВ на стороне стали 10Х9В2МФБР в основной металл стали 03Х17Н14М3, что свидетельствует о преодолении проблемы разупрочнения ЗТВ. Свойства при повышенных температурах. Соединения A-GTAW/ЭВЭС обладают превосходной прочностью при высоких температурах, хотя их стойкость к горячей коррозии и окислению ниже, чем у MP-GTAW/IN-82. При нагреве от 450°C до 850°C прочность на растяжение MP-GTAW/IN-82 снизилась на 75,30% (после сварки) и 76,05% (после ПСТО), тогда как у A-GTAW/ЭВЭС снижение составило 58,68% и 49,45% соответственно. В состоянии после сварки длительная прочность A-GTAW/ЭВЭС-соединений (63,05 ч) значительно превосходила показатели MP-GTAW/IN-82 (3,16 ч). Модифицированная ПСТО резко улучшила длительную прочность MP-GTAW/IN-82 до 79,11 ч (за счёт устранения разупрочнения ЗТВ), но ухудшила её у A-GTAW/ЭВЭС-соединений до 2,36 ч из-за ускоренной микрструктурной деградации металла шва. Вывод. Роботизированный процесс A-GTAW с прослойкой ЭВЭС AlCoCrFeNi2.1 доказал свою более высокую технологическую и эксплуатационную целесообразность для разнородной сварки сталей 10Х9В2МФБР и 03Х17Н14М3 по сравнению с традиционной MP-GTAW с присадкой Inconel 82, обеспечив получение соединений с отличным комплексом свойств, что позволяет исключить необходимость проведения ПСТО.

Публикации

Возможность практического использования результатов
1. Новая технология сварки: Метод A-GTAW с прослойкой ЭВЭС позволяет исключить последующую термообработку сварного соединения, улучшает механические свойства, снижает стоимость и повышает производительность по сравнению с традиционной многопроходной сваркой GTAW с использованием присадочного материала Inconel 82. 2. Экономический эффект: Технология направлена на снижение эксплуатационных затрат, увеличение срока службы компонентов энергетических установок и поддержку экономического роста за счет создания эффективных высокопроизводительных соединений разнородных материалов. 3. Социальная значимость: Исследование способствует развитию современных энергетических установок за счет повышения надежности сварных соединений разнородных материалов, обеспечивая их безопасную и безотказную эксплуатацию. 4. Научная новизна: Работа включает детальный микроструктурный анализ, механические испытания (растяжение, твердость, ползучесть, ударная вязкость, свойства при высоких температурах), исследования коррозионной стойкости и окисления, а также термодинамическое моделирование фазообразования. Полученные результаты вносят вклад в понимание принципов проектирования и изготовления функционально-градиентных соединений разнородных материалов, позволяя снизить вероятность преждевременных отказов в высокотемпературных применениях. Проект вносит вклад в формирование научно-технологического задела, способствующего экономическому росту и социальному развитию Российской Федерации, путем создания усовершенствованных технологий и продуктов для энергетического сектора.