أوضاع فشل وتقنيات تقوية الفولاذ المقاوم للحرارة

أولاً: أوضاع الفشل الرئيسية للفولاذ المقاوم للحرارة

1. فشل الأكسدة والتآكل في درجة الحرارة العالية

• الآلية:
  في درجات الحرارة المرتفعة ، تتفاعل ذرات المعدن مع العناصر النشطة مثل الأكسجين لتكوين أغشية أكسيد (مثل FeO و Fe₂O₃). إذا كان غشاء الأكسيد فضفاضًا وسهل التقشير ، فإنه لا يمكن أن يمنع الغزو المستمر للوسط ، مما يؤدي إلى استهلاك مستمر للمادة والفشل النهائي بسبب تقليل سمك الجدار أو انخفاض القوة.
  إذا كانت هناك عناصر مثل S و Cl في البيئة (مثل غاز المداخن المحتوي على الكبريت ووسائط الكلوريد) ، فسوف يحدث تآكل في درجة الحرارة العالية (مثل تآكل الكبريتيد والتآكل بالكلورة). الكبريتيدات (FeS) أو الكلوريدات (FeCl₃) المتولدة لها نقاط انصهار منخفضة وهي متطايرة ، مما يسرع عملية التآكل.
• حالة نموذجية: عندما تخدم أنابيب السخان الفائق للغلاية في غاز المداخن المحتوي على الكبريت ، تتشكل طبقة مختلطة فضفاضة من FeS و FeO على السطح. بعد التقشير ، يترقق جدار الأنبوب بسرعة وينفجر في النهاية.

2. فشل الزحف

• الآلية:
  في درجات الحرارة المرتفعة ، تعزز قدرة انتشار الذرات ، وتتحرك التشوهات داخل المادة ببطء ، وتنزل حدود الحبوب ، أو تنمو التجاويف ، مما يؤدي إلى تشوه كبير (مثل الاستطالة والانتفاخ). عندما يتجاوز التشوه القيمة الحرجة (عادةً 1٪ -5٪) ، ستبدأ الشقوق وتنتشر إلى الكسر.
  تتميز أعطال الزحف بأن سطح الكسر يظهر كسرًا بين الحبيبات (حدود الحبوب هي روابط ضعيفة ، عرضة لتكوين التجويف) ، والتشوه لا رجعة فيه.
• حالة نموذجية: تخدم مسامير التوربينات البخارية في ظل درجة حرارة وضغط مرتفعين لفترة طويلة ، مما يؤدي إلى استطالة مفرطة بسبب الزحف ، مما يفشل في ضمان الإغلاق وحتى ينكسر.

3. فشل الإجهاد الحراري

• الآلية:
  أثناء تغيرات درجة الحرارة ، يؤدي عدم تطابق معاملات التمدد الحراري بين المادة الداخلية أو المكونات المجاورة (مثل الأصداف والأنابيب) إلى إجهاد حراري متناوب دوري. عندما يتجاوز الإجهاد حد إجهاد المادة ، ستتولد تشققات دقيقة على السطح أو في العيوب ، وتتوسع تدريجياً لتشققات نافذة.
  تكون تشققات الإجهاد الحراري في الغالب شبكية أو شعاعية وتتوسع على طول أو عبر الحبوب (اعتمادًا على متانة المادة).
• حالة نموذجية: يولد مشعب العادم لمحرك الاحتراق الداخلي عددًا كبيرًا من تشققات الإجهاد الحراري على السطح بسبب البدء والإيقاف المتكررين وتقلبات درجة الحرارة الشديدة ، وينكسر في النهاية.

4. فشل التدهور المجهري

• حالات نموذجية:
  • الفولاذ المقاوم للحرارة من نوع اللؤلؤ (مثل 12Cr1MoV): يتكور الأسمنتيت (Fe₃C) في اللؤلؤ ، ويتجمع ، وحتى يتحول إلى جرافيت في ظل درجات الحرارة المرتفعة طويلة الأجل ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في القوة.
  • الفولاذ المقاوم للحرارة الأوستنيتي: يخشّن الطور المقوي (مثل الطور γ' Ni₃Al) أو يذوب في ظل درجات الحرارة المرتفعة طويلة الأجل ، ويفقد تأثير التقوية ويقلل من مقاومة الزحف.

ثانياً: طرق تقوية الفولاذ المقاوم للحرارة

1. تقوية السبائك (الطريقة الأساسية)

• تحسين مقاومة الأكسدة:
  إضافة عناصر مثل Cr (12٪ -30٪) و Al (2٪ -5٪) و Si (1٪ -3٪) لتكوين غشاء أكسيد كثيف (مثل Cr₂O₃ و Al₂O₃ و SiO₂) على السطح لمنع غزو الوسائط. على سبيل المثال ، عندما يكون محتوى Cr ≥ 12٪ ، يمكن تشكيل غشاء Cr₂O₃ مستمر على سطح الفولاذ ، مما يحسن بشكل كبير مقاومة الأكسدة.
• تحسين قوة درجة الحرارة العالية (مقاومة الزحف):
  • تقوية المحلول الصلب: إضافة W و Mo (بأقطار ذرية كبيرة ، وتشكيل روابط قوية مع Fe) لتحسين قوة الترابط بين ذرات المصفوفة وتثبيط حركة التشوه (على سبيل المثال ، يمكن لـ Mo زيادة طاقة تنشيط الزحف لمصفوفة الحديد بأكثر من 30٪).
  • تقوية الترسيب: إضافة V و Nb و Ti و Ta وما إلى ذلك ، لتكوين كربيدات / نتريدات مستقرة في درجة الحرارة العالية (مثل VC و NbC) مع C / N ، وتثبيت التشوهات وحدود الحبوب ، وإعاقة تشوه الزحف (على سبيل المثال ، يشكل V في 12Cr1MoV VC ، مما يحسن بشكل كبير قوة الزحف).
  • استقرار الطور: إضافة Ni (8٪ -20٪) لتكوين مصفوفة أوستنيتية (أكثر استقرارًا من الفريت مع معامل انتشار منخفض) ، مثل الفولاذ الأوستنيتي 310S (25٪ Cr-20٪ Ni) يمكن أن يخدم لفترة طويلة فوق 1000 درجة مئوية.
• تحسين أداء الإجهاد الحراري:
  إضافة Mn و Ni لتقليل معامل التمدد الحراري (على سبيل المثال ، يحتوي Incoloy 800H على معامل تمدد حراري أقل بنسبة 20٪ من الفولاذ الفريتي بسبب احتوائه على 30٪ Ni) ، أو إضافة Cu و Nb لتحسين متانة المواد (تثبيط انتشار الشقوق).

2. تقوية المعالجة الحرارية

• معالجة المحلول + معالجة الشيخوخة:
  مناسبة للفولاذ المقاوم للحرارة الأوستنيتي (مثل GH4169): معالجة المحلول (1000-1100 درجة مئوية) تجعل عناصر صناعة السبائك (Nb و Ti) تذوب بشكل موحد ، ومعالجة الشيخوخة (700-800 درجة مئوية) تترسب الطور γ'' (Ni₃Nb) والطور γ' (Ni₃Al) ، مما يحسن بشكل كبير مقاومة الزحف من خلال تقوية الترسيب.
• التطبيع + التقسية:
  مناسب للفولاذ المقاوم للحرارة من نوع اللؤلؤ (مثل 12Cr1MoV): التطبيع (950-1050 درجة مئوية) يحصل على هيكل لؤلؤي دقيق ، والتقسية (750-800 درجة مئوية) يزيل الإجهاد ويثبت الكربيدات ، ويمنع تكور اللؤلؤ في ظل درجات الحرارة المرتفعة طويلة الأجل (سيؤدي التكور إلى انخفاض القوة بأكثر من 50٪).
• معالجة التلدين:
  يستخدم للقضاء على إجهاد المعالجة (مثل المنطقة المتأثرة بالحرارة بعد اللحام) ، وتحسين الحبوب ، وتجنب بدء تشققات الإجهاد الحراري.

3. تقوية السطح

• سبائك السطح:
  الألمنة والكروم (مثل معالجة الألمنة): تشكيل طبقة غنية بـ Al₂O₃ أو Cr₂O₃ (بسمك 50-200 ميكرومتر) على سطح الفولاذ ، مما يزيد من درجة حرارة مقاومة الأكسدة بمقدار 200-300 درجة مئوية مقارنة بالمصفوفة (على سبيل المثال ، يمكن أن يخدم الفولاذ 20G المؤلم فوق 800 درجة مئوية).
• تكنولوجيا الطلاء:
  باستخدام طلاءات سيراميك ذات درجة حرارة عالية (مثل Al₂O₃ و ZrO₂) أو طلاءات مركبة بين المعادن (مثل NiAl) ، يتم تحضيرها عن طريق الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) أو الرش البلازمي ، وكلاهما عازل للحرارة ومقاوم للتآكل (التوصيل الحراري للطلاء هو فقط 1/10-1/20 من الفولاذ).
• صهر سطح الليزر:
  تسخين وتبريد السطح بسرعة باستخدام الليزر لتكوين طبقة دقيقة الحبيبات أو غير متبلورة ، وتحسين صلابة السطح ومقاومة التآكل ، وتقليل تقشر مقياس الأكسيد.

4. التحكم في البنية المجهرية

• تحسين حجم الحبوب:
  يمكن للحبيبات الخشنة (بمساحة صغيرة لحدود الحبوب) أن تقلل من انزلاق حدود الحبوب وتحسين قوة الزحف (على سبيل المثال ، تحتوي شفرات التوربينات التي تستخدم الفولاذ الأوستنيتي الخشن الحبيبات على زيادة بنسبة 30٪ في عمر الزحف) ؛ يمكن للحبيبات الدقيقة أن تحسن المتانة وأداء الإجهاد الحراري (حدود الحبوب تعيق انتشار الشقوق ، على سبيل المثال ، أنابيب المبادلات الحرارية التي تستخدم الفولاذ الفريتي الدقيق الحبيبات لديها امتداد بنسبة 50٪ في عمر الإجهاد الحراري).
• تصميم الهيكل المزدوج:
  مثل الفولاذ المزدوج الفريت-أوستنيت (مثل 2205) ، يوفر الفريت مقاومة جيدة للأكسدة ، ويوفر الأوستنيت قوة عالية ، ولديه كل من مقاومة التآكل ومقاومة الزحف (نطاق درجة الحرارة المطبقة أوسع بمقدار 100-150 درجة مئوية من الفولاذ أحادي الطور).

ملخص