Foutenmodus en versterkingsmethoden van warmtebestendige staal
Hittebestendig staal is een soort staal dat lange tijd in hoge temperatuuromgevingen (meestal ≥ 500°C) functioneert en tegelijkertijd moet voldoen aan de eisen van:hoogtemperatuursterkte(weerstand tegen kruipen en breuken) enhoge temperatuurstabiliteitHet wordt veel gebruikt in apparatuur zoals boilers van elektriciteitscentrales, gasturbines en chemische reactoren.De storingsmodussen zijn nauw verbonden met de fysieke, chemische en mechanische gedragingen in hoge temperatuuromgevingen, en versterkingsmethoden moeten specifiek deze storingsmechanismen aanpakken.
De storing van warmtebestendige staal is het gevolg van de gecombineerde werking van de omgeving met hoge temperaturen (temperatuur, spanning, medium) en de eigenschappen van het materiaal zelf.De belangrijkste storingsmodussen zijn als volgt::
Bij hoge temperaturen reageert warmtebestand staal chemisch met gassen of media (zoals sulfiden, chloriden) in het milieu zoals O2, CO2 en H2O, wat resulteert in oppervlakteverlies,wat een van de meest voorkomende storingsmodussen is.
-
Mechanisme:
Bij hoge temperaturen reageren metaalatomen met actieve elementen zoals zuurstof om oxidefilms te vormen (bijv. FeO, Fe2O3).het kan de voortdurende invasie van het medium niet voorkomen, wat leidt tot een voortdurend verbruik van het materiaal en uiteindelijk een storing als gevolg van verminderde wanddikte of verminderde sterkte.
Als er elementen zoals S en Cl in de omgeving zijn (zoals zwavelhoudend rookgas en chloride media),corrosie bij hoge temperaturenDe geproduceerde sulfiden (FeS) of chloriden (FeCl3) hebben lage smeltpunten en zijn vluchtig, waardoor het corrosieproces versnelt.
-
Typisch geval: Wanneer de superverwarmingsbuizen van de ketel in zwavelhoudend rookgas worden gebruikt, vormt zich op het oppervlak een losse gemengde laag van FeS en FeO.
Bij hoge temperaturen (meestal hoger dan 0,5 Tm, waarbij Tm de absolute smelttemperatuur is) wordt het materiaal onderworpen aan eenlangzame plastische vervormingDit is de belangrijkste storingsmodus van warmtebestendige staal onder belasting.
-
Mechanisme:
Bij hoge temperaturen wordt het vermogen van de atomen om te diffunderen groter, en verplaatsingen in het materiaal bewegen langzaam, de korrelgrenzen glijden of holtes groeien,resulterend in macroscopische vervorming (zoals verlenging en uitbuiting)Wanneer de vervorming de kritieke waarde overschrijdt (meestal 1% tot 5%), ontstaan scheuren die zich verspreiden tot breuk.
De kenmerken van een scheur in de kruip zijn dat het breukoppervlakintergranulaire breuk(de korrelgrenzen zijn zwakke schakels, gevoelig voor holtevorming) en de vervorming is onomkeerbaar.
-
Typisch geval: Stoomturbinebouten werken lange tijd onder hoge temperatuur en druk, wat leidt tot overmatige verlenging vanwege kruip, wat niet zorgt voor afdichting en zelfs breuken.
Het is een storingsmodus waarbij materialen scheuren veroorzaken na herhaalde actie van beperkte spanning (thermische spanning) als gevolg van thermische uitbreiding en samentrekking tijdensperiodieke temperatuurveranderingen(zoals verwarmings-koelingscycli).
-
Mechanisme:
Tijdens temperatuurveranderingen leidt de mismatch van de koefficiënten van thermische uitbreiding tussen het interne materiaal of aangrenzende componenten (zoals schelpen en buizen) tot periodieke wisselende thermische spanning.Wanneer de spanning de vermoeidheidsgrens van het materiaal overschrijdt, ontstaan op het oppervlak of bij defecten micro-scheuren die geleidelijk uitbreiden tot doordringende scheuren.
Thermische vermoeidheid scheuren zijn meestalreticulair of radialen zich langs of door de korrels uitbreiden (afhankelijk van de stoffelijke taaiheid).
-
Typisch geval: De uitlaatkolom van een verbrandingsmotor veroorzaakt door herhaalde start-stop- en ernstige temperatuurschommelingen een groot aantal warmtevermoeidheids scheuren op het oppervlak.en uiteindelijk breekt.
Langdurige werking bij hoge temperaturen veroorzaakt onomkeerbare veranderingen in de microstructuur van warmtebestendige staal (zoals fase neerslag, korrelgroefheid en structurele transformatie),Het effect van de verlaging van de mechanische eigenschappen (sterkte, taaiheid).
- Typische gevallen:
- Perlitic warmtebestendige staal (bijv. 12Cr1MoV): Het cementit (Fe3C) in perliticum spheroïdeert, aggregaten, en zelfs transformeert in grafiet onder lange termijn hoge temperaturen,die tot een aanzienlijke afname van de sterkte leidt.
- Austenitisch warmtebestendige staal: de versterkingsfase (zoals de γ'-fase Ni3Al) wordt grof of oplost zich bij langdurige hoge temperaturen,Verlies van het versterkende effect en vermindering van de kruipweerstand.
De versterkingsmethoden moeten de bovengenoemde mislukte mechanismen aanpakken en het doel bereiken door:het verbeteren van de oxidatiebestendigheid, de hoge temperatuursterkte, de kruipbestendigheid en de thermische vermoeidheid, met name legering, warmtebehandeling, oppervlaktewijziging en microconstructiebeheersing.
Het is de meest elementaire versterkingsmethode om de samenstelling te optimaliseren door toevoeging van legeringselementen om de hoogtemperatuurprestaties van materialen te verbeteren.
- Verbetering van de oxidatiebestendigheid:
Het toevoegen van elementen zoals Cr (12%-30%), Al (2%-5%) en Si (1%-3%) om eendichte oxidefolie(zoals Cr2O3, Al2O3, SiO2) op het oppervlak om de invalling van media te blokkeren. Bijvoorbeeld wanneer het Cr-gehalte ≥ 12% is, kan een continue Cr2O3-film op het staaloppervlak worden gevormd,een aanzienlijke verbetering van de oxidatiebestendigheid.
- Verbetering van de sterkte bij hoge temperaturen (kruipbestandheid):
- Versterking van vaste oplossingen: toevoeging van W en Mo (met grote atoomradius, waardoor een sterke binding met Fe ontstaat) om de bindingskracht tussen matrixatomen te verbeteren en de dislocatiebeweging te remmen (bijvoorbeeld,Mo kan de kruip-activeringsenergie van de ijzermatrix met meer dan 30% verhogen).
- Voortslagversterking: toevoeging van V, Nb, Ti, Ta, enz., omhoogtemperatuurstabiele carbiden/nitriden(zoals VC, NbC) met C/N, verstelingen en korrelgrenzen, en het belemmeren van kruipvervorming (bijvoorbeeld V in 12Cr1MoV vormt VC, waardoor de kruipsterkte aanzienlijk wordt verbeterd).
- Fase-stabilisatie: toevoeging van Ni (8%-20%) om een austenitische matrix te vormen (stabieler dan ferriet met een lage diffusiekoëfficiënt),zoals 310S austenitisch staal (25%Cr-20%Ni) kan lang boven 1000°C blijven.
- Verbetering van de thermische vermoeidheid:
Het toevoegen van Mn en Ni om de termiese uitbreidingscoëfficiënt te verminderen (bijvoorbeeld Incoloy 800H heeft een 20% lagere termiese uitbreidingscoëfficiënt dan ferritisch staal vanwege het bevatten van 30% Ni),of het toevoegen van Cu en Nb om de hardheid van het materiaal te verbeteren (het remmen van de verspreiding van scheuren).
Het reguleren van de microstructuur door middel van warmtebehandeling om de hoeveelheid, grootte en verdeling van geprecipiteerde fasen te optimaliseren en de prestaties bij hoge temperaturen te verbeteren.
- Oplossingsbehandeling + verouderingsbehandeling:
Geschikt voor austenitisch hittebestendig staal (bv. GH4169): door middel van een oplossingbehandeling (1000-1100°C) kunnen legeringselementen (Nb, Ti) gelijkmatig oplossen,en veroudering (700-800°C) precipiteert γ''-fase (Ni3Nb) en γ'-fase (Ni3Al), waardoor de kruipbestandheid aanzienlijk wordt verbeterd door middel van neerslagversterking.
- Normaliseren + Temperen:
Geschikt voor parelvormig warmtebestendige staal (bijv. 12Cr1MoV): door normalisatie (950-1050°C) wordt een fijne parellietstructuur verkregen, en door tempering (750-800°C) wordt spanning geëlimineerd en worden de carbiden gestabiliseerd,het voorkomen van spheroïdisatie van perliet bij lange termijn hoge temperaturen (sferoïdisatie leidt tot een sterktevermindering van meer dan 50%).
- Ontdooiing:
Het wordt gebruikt om verwerkingsstress te elimineren (zoals de warmte-beïnvloedde zone na het lassen), korrels te verfijnen en het ontstaan van thermische vermoeidheidspraken te voorkomen.
Het vormen van een beschermende laag door oppervlaktewijziging om hoogtemperatuurmedia te isoleren of de oppervlakteprestaties te verbeteren, waardoor de tekortkoming van de matrixprestaties wordt gecompenseerd.
- Oppervlakte-legering:
Aluminisatie en chromatisatie (zoals aluminiumbehandeling): Vorming van een Al2O3- of Cr2O3-verrijkte laag (50-200 μm dik) op het staaloppervlak,die de oxidatieweerstandstemperatuur met 200-300°C verhoogt in vergelijking met de matrix (bijvoorbeeld, gealuminiseerd 20G staal kan boven 800°C dienen).
- Beschermingstechnologie:
met behulp van keramische coatings met hoge temperatuur (zoals Al2O3, ZrO2) of coatings van intermetalen verbindingen (zoals NiAl), bereid door fysieke dampdepositie (PVD) of plasmabespuiting,die zowel warmte-isolatieve als corrosiebestendig zijn (de thermische geleidbaarheid van de coating is slechts 1/10-1/20 van die van staal).
- Laseroppervlaksmelting:
Het oppervlak snel verwarmen en koelen met een laser om een fijnkorrelige of amorfe laag te vormen, waardoor de hardheid en slijtvastheid van het oppervlak worden verbeterd en het afschilpen van de oxideschaal wordt verminderd.
Het optimaliseren van de prestaties bij hoge temperaturen door het beheersen van microstructuren zoals de korrelgrootte en de fase-samenstelling.
- Optimalisatie van de korrelgrootte:
Grove korrels (met een klein korrelgrensgebied) kunnen korrelgrensschuiven verminderen en de kruipsterkte verbeteren (bijvoorbeeldTurbinebladen met ruwkorrelig austenitisch staal hebben een 30% langere looptijd)• fijnkorrels kunnen de taaiheid en de thermische vermoeidheid verbeteren (de korrelgrenzen belemmeren bijvoorbeeld de verspreiding van scheuren,warmtewisselaarbuizen met fijnkorraal ferritisch staal hebben een verlenging van de thermische vermoeidheidsduur van 50%).
- Ontwerp van een duplexstructuur:
Zoals ferriet-austeniet duplex staal (bijv. 2205), biedt ferriet een goede oxidatiebestendigheid, austeniet biedt hoge sterkte,en zowel corrosiebestendig als kruipbestendig is (het toepasselijke temperatuurbereik is 100-150 °C breder dan dat van eenfasig staal).
De storing van warmtebestendige staal komt voornamelijk voort uit oxidatiecorrosie, kruipvervorming, thermische vermoeidheid scheuren en microstructurele afbraak in hoge temperatuur omgevingen.De versterking ervan vereist de samenwerking vanlegering (verbetering van de essentiële prestaties), warmtebehandeling (optimalisatie van de structuur), versterking van het oppervlak (isolatiebescherming) en controle van de microstructuur (overeenstemmende servicevereisten)Zo moeten bijvoorbeeld ketelbuizen zich richten op het versterken van de oxidatiebestendigheid en de kruipbestendigheid (toevoeging van Cr, Mo + aluminisatie),Terwijl uitlaatcollectoren prioriteit moeten geven aan het verbeteren van de thermische vermoeidheidsprestaties (graanverfijning + legering met een lage uitbreidingscoëfficiënt).
Uw bericht moet tussen de 20-3.000 tekens bevatten!