ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ БЕРИЛЛИДОВ ХРОМА (CrBe₁₂) В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ УЛЬТРАКРИТИЧЕСКОГО ВОДЯНОГО ПАРА

В работе выполнена оценка перспектив применения бериллидов хрома (CrBe₁₂) в качестве материала для рабочих лопаток паровых турбин, функционирующих в условиях ультракритического водяного пара. Разработана диффузионная модель окисления, учитывающая формирование Cr₂O₃-обогащённого защитного слоя и его возможную деградацию вследствие растрескивания. Показано, что при температуре 600 °C бериллиды хрома характеризуются существенно меньшей скоростью роста оксидного слоя, по сравнению с ферритно-мартенситными сталями и титановыми сплавами, и сопоставимой или более низкой скоростью по сравнению с никелевыми суперсплавами. Дополнительно установлено, что низкая плотность CrBe₁₂ приводит к значительному снижению центробежных напряжений. Интегральный анализ, учитывающий коррозионные и механические факторы, показывает, что бериллиды хрома могут представлять перспективный класс материалов для применения в турбинных установках нового поколения, прежде всего в температурном диапазоне до 600–650 °C.  

При этом полученные результаты следует рассматривать как предварительные и требующие прямой проверки в условиях ультракритического водяного пара, а также при выполнении дополнительного анализа ползучести, усталостной и термоциклической стойкости.

1. J.H. Kim, M. Nakamichi. Characterization of modified Be13Zr beryllide pebbles as advanced neutron multipliers // Fusion Engineering Design. – 2019. – Vol. 146 (B). – P. 2608-2612. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2019.04.054

2. F.A. Hernandez, et al. Advancements in the helium-cooled pebble bed breeding blanket for the EU DEMO: holistic design approach and lessons learned. – 2019. – Fusion Science and Technology. – 2019. – Vol. 75. – P. 352-364.

3. U.S. Department of Energy, National Energy Technology Laboratory. Presentation FE0025064 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://netl.doe.gov/sites/default/files/netl-file/20180410_1530A_Presentation_FE0025064_EIO.pdf. (дата обращения: 13.04.2026).

4. Abe F. Research and Development of Heat-Resistant Materials for Advanced USC Power Plants with Steam Temperatures of 700 °C and Above // Engineering. – 2015. – Vol. 1. – P. 211–224. – DOI: 10.15302/J-ENG-2015031.

5. Special Metals Corporation. INCONEL® alloy 617 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/inconel/inconel-alloy-617.pdf. (дата обращения: 13.04.2026).

6. Yates D.H., Ganesan P., Smith G.D. Recent Advances in the Enhancement of INCONEL Alloy 617 Properties to Meet the Needs of the Gas Turbine Industry // Advanced Materials and Coatings for Combustion Turbines: Proceedings of ASM Materials Congress. – Pittsburgh, PA, 1993. – P. 89–97.

7. Special Metals Corporation. INCONEL® alloy 740H [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.specialmetals.com/documents/technical-bulletins/inconel/ inconel-alloy-740h.pdf. (дата обращения: 13.04.2026).

8. Kulsartov T., Kenzhina I., Samarkhanov K., Kenzhin Y., Gordienko Y., Ponkratov Y., Chikhray Y., Bochkov V., Zaurbekova Z., Yelishenkov A., Begentayev M., Askerbekov S., Udartsev S., Podoinikov M. Comparative analysis of high-temperature corrosion processes of beryllides of different compositions // Fusion Engineering and Design. – 2025. – Vol. 219. – art. no. 115283. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2025.115283.

9. Cao, Penghui, Daniel Wells and Michael Philip Short. Anisotropic ion diffusion in α-Cr2O3: an atomistic simulation study // Physical chemistry chemical physics: PCCP. – 2017. – Т. 19 (21). – С. 13658-13663. – DOI: 10.1039/c7cp00838d.

10. He N., Li H., Ji L., Liu X., Chen J. Investigation of metal elements diffusion in Cr₂O₃ film and its effects on mechanical properties // Ceramics International. – 2020. – Vol. 46, No. 5. – P. 6811–6819. – DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.11.173.

11. Lebreau F., Islam M.M., Diawara B., Marcus P. Structural, Magnetic, Electronic, Defect, and Diffusion Properties of Cr₂O₃: A DFT+U Study // The Journal of Physical Chemistry C. – 2014. – Vol. 118, No. 31. – P. 18133–18145. – DOI: 10.1021/jp5039943.

12. Opila E.J. Volatility of Common Protective Oxides in High-Temperature Water Vapor: Current Understanding and Unanswered Questions // Materials Science Forum. – 2004. – Vol. 461–464. – P. 765–774. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.461-464.765.

13. Kulsartov T., Kenzhina I., Samarkhanov K., Kenzhin Y., Gordienko Y., Ponkratov Y., Chikhray Y., Bochkov V., Zaurbekova Z., Yelishenkov A., Begentayev M., Askerbekov S., Udartsev S., Podoinikov M. Comparative analysis of high-temperature corrosion processes of beryllides of different compositions // Fusion Engineering and Design. – 2025. – Vol. 219. – Article 115283. – DOI: 10.1016/j.fusengdes.2025.115283.

14. Jang C., Lee D., Kim D. Oxidation behaviour of an Alloy 617 in very high-temperature air and helium environments // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2008. – Vol. 85, No. 6. – P. 368–377. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2007.11.010.

15. Liang Z., Wang Y., Zhao Q. Steam Oxidation Behavior of Alloy 617 at 900 °C to 1100 °C // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2018. – Vol. 49A, No. 7. – DOI: 10.1007/S11661-018-4644-X.

16. Saunders S.R.J., Monteiro M., Rizzo F. The oxidation behaviour of metals and alloys at high temperatures in atmospheres containing water vapour: A review // Progress in Materials Science. – 2008. – Vol. 53, No. 5. – P. 775–837. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2007.11.001.

17. Ennis P.J., Quadakkers W.J. Implications of steam oxidation for the service life of high-strength martensitic steel components in high-temperature plant // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2007. – Vol. 84, No. 1–2. – P. 82–87. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2006.09.008.

18. Guleryuz H., Cimenoglu H. Oxidation of Ti–6Al–4V alloy // Journal of Alloys and Compounds. – 2009. – Vol. 472, No. 1–2. – P. 241–246. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.04.024.

19. Casadebaigt A., Monceau D., Hugues J. High temperature oxidation of Ti-6Al-4V alloy fabricated by additive manufacturing. Influence on mechanical properties // MATEC Web of Conferences. – 2020. – Vol. 321. – Article 03006. – DOI: 10.1051/matecconf/202032103006.

20. Gaisin R. Microstructure and high-temperature mechanical performance of industrial-scale titanium and chromium beryllides for fusion applications / R. Gaisin, R. Rolli, M. Podoinikov, V. Kuksenko, K. Seemann, T. Bergfeldt, V. Chakin, P. Vladimirov // Journal of Alloys and Compounds. — 2025. — Vol. 1044. — Art. 184503. — DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.184503.

21. Gaisin R. Beryllides as advanced materials for neutron multiplication / R. Gaisin, R. Rolli, V. Chakin, P. Vladimirov // 15th International Workshop on Beryllium Technology, Karlsruhe. — Karlsruhe, 2022. — P. 141–164.