Как водородная коррозия влияет на жаропрочные сплавы

Разработка передовых газотурбинных устройств в России предполагает внедрение водородных технологий и использование обогащенного водородом газотурбинного топлива. Этот газ содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Однако при взаимодействии многих материалов с водородом происходит процесс разрушения – водородная коррозия, которая приводит к снижению механических свойств металла – прочности и пластичности. Ученые Пермского Политеха сообщают, что материалы на основе никеля имеют достаточно высокую стойкость к водороду, как при обычных, так и при повышенных температурах. Политехники изучили,  как ведет себя монокристаллические никелевые сплавы под воздействием водородсодержащей атмосферы и высокой температуры.

Исследование будет полезно при разработке газотурбинных установок, которые используются в качестве источника энергии во многих областях промышленности, например, в нефтегазовой, автомобильной, авиационной и энергетической.

Статья с результатами опубликована в журнале «EDP Sciences», 2023. Данное исследование было профинансировано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.

Водородная коррозия заключается в реакции между водородом и углеродом стали, в результате которой могут появляться трещины и вздутия. Больше всего такому процессу подвержены сталь, медь и серебро. Возникновение коррозии сплавов зависит от многих факторов – температура, давление, микроструктура, химический состав, наличие напряжений в сплавах. Поэтому важно учитывать данные показатели при различных испытаниях сплава, чтобы в дальнейшем предотвратить процесс разрушения изделия.

Аустенитные хромо-никелевые стали  более устойчивы к разрушению и не подвергаются водородной коррозии даже при высокой температуре и давлении водорода. Это обуславливает их выбор как отличное покрытие для газотурбинных установок. Однако поведение таких сталей в водородсодержащей среде до конца не изучено.

Ученые Пермского Политеха в ходе работы исследовали четыре образца никелевого сплава, которые подвергали различным процессам гидрирования (насыщения водородом). Перед тем, как образец сплава испытали водородом, политехники изучили его в чистом виде. Далее тестировали образцы при 850℃ в среде чистого аргонного газа, в среде с 35% содержания аргона и 65% водорода и наконец, в среде 100% водорода.

– Процесс гидрирования образцов монокристаллического сплава осуществляли следующим образом. Образцы жаропрочных сплавов загружали в трубчатую печь, затем проводили продувку инертным газом или водородом в течение 15 минут для полного удаления воздуха из зоны реакции. При заданном расходе водорода или водородсодержащего газа осуществляли нагрев до требуемой температуры и выдержку в течение заданного времени. После этого нагрев выключали и охлаждали образцы сплавов до температуры атмосферы, – объясняет профессор кафедры химических технологий, доктор технических наук ПНИПУ Владимир Пойлов.

В ходе испытаний ученые выяснили, что водородсодержащие газы при высоких температурах приводят к образованию отложений различной структуры и состава на поверхности сплава. При низком содержании кислорода образуется плотный микроструктурный оксидный слой, богатый кобальтом и никелем. В атмосфере, содержащей 65% водорода, на поверхности формируется слой с высоким содержанием алюминия в составе. При 100%-ной атмосфере водорода на поверхности сплава образовываются наросты.

Чтобы эффективно определить, какое количество водорода содержится в образцах, ученые провели их термический анализ. Так как при достижении температуры плавления происходит удаление водорода из сплава, то по измененной массе можно определить, сколько водорода принимает никелевый сплав при гидрировании. Для этого образцы до и после испытаний нагревали до температуры 1600°C со скоростью нагрева 20°C/мин. Было выяснено, что количество поглощенного водорода составляет от 0,08 до 0,14%, что является допустимым количеством газа в сплаве. Большее насыщение водородом может разрушительно влиять на материал.

Данные, полученные в ходе исследования, подтверждают оптимальность использования никелевых сплавов в водородосодержащей среде. Их применение в качестве основного материала или покрытия для газотурбинных установок перспективно и эффективно. Работа ученых Пермского Политеха значительно повлияет на качество разработки новых композиций сплавов, устойчивых к водородной коррозии. Это позволит улучшить технические и экономические характеристики эксплуатации газотурбинных установок.