Τρόποι αποτυχίας και μέθοδοι ενίσχυσης θερμοανθεκτικού χάλυβα

Ι. Κύριοι τρόποι βλάβης του ανθεκτικού στη θερμότητα χάλυβα

1Οξείδωση και αποτυχία διάβρωσης σε υψηλές θερμοκρασίες

• Μηχανισμός:
  Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα άτομα μετάλλου αντιδρούν με ενεργά στοιχεία όπως οξυγόνο για να σχηματίσουν οξείδια (π.χ. FeO, Fe2O3).δεν μπορεί να αποτρέψει τη συνεχή εισβολή του μέσου, που οδηγεί σε συνεχή κατανάλωση του υλικού και ενδεχόμενη βλάβη λόγω μείωσης του πάχους του τοίχου ή μείωσης της αντοχής.
  Εάν υπάρχουν στοιχεία όπως S και Cl στο περιβάλλον (όπως αέρια καπνού και χλωριούχα μέσα που περιέχουν θείο),διάβρωση σε υψηλές θερμοκρασίεςΤα σούλφίδια (FeS) ή τα χλωρίδια (FeCl3) που παράγονται έχουν χαμηλά σημεία τήξης και είναι πτητικά, επιταχύνοντας τη διαδικασία διάβρωσης.
• Τυπική περίπτωση: Όταν οι σωλήνες υπερθέρμανσης του λέβητα τροφοδοτούνται με αέρια καύσης που περιέχουν θείο, σχηματίζεται ένα χαλαρό μείγμα στρώματος FeS και FeO στην επιφάνεια.

2Ατυχία.

• Μηχανισμός:
  Σε υψηλές θερμοκρασίες, η ικανότητα διάχυσης των ατόμων αυξάνεται, και οι εκτοπίσεις στο εσωτερικό του υλικού κινούνται αργά, τα όρια των κόκκων γλιστρούν, ή οι κοιλότητες μεγαλώνουν,που οδηγεί σε μακροσκοπική παραμόρφωση (όπως επιμήκυνση και εξόγκωση)Όταν η παραμόρφωση υπερβαίνει την κρίσιμη τιμή (συνήθως 1%-5%), θα αρχίσουν ρωγμές και θα εξαπλωθούν σε κάταγμα.
  Το χαρακτηριστικό της αποτυχίας της σύρματος είναι ότι η επιφάνεια της κατάρρευσης δείχνειδιασωματικό κάταγμα(τα όρια των κόκκων είναι αδύναμοι κρίκοι, επιρρεπείς στη δημιουργία κοιλότητας) και η παραμόρφωση είναι μη αναστρέψιμη.
• Τυπική περίπτωση: Οι μπουρνούλες των ατμογεννητριών λειτουργούν υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση για μεγάλο χρονικό διάστημα, οδηγώντας σε υπερβολική επιμήκυνση λόγω της συρρίκνωσης, η οποία αποτυγχάνει να εξασφαλίσει τη σφράγιση και ακόμη και τα σπάσματα.

3. Αποτυχία θερμικής κόπωσης

• Μηχανισμός:
  Κατά τη διάρκεια των αλλαγών θερμοκρασίας, η ασυμφωνία των συντελεστών θερμικής διαστολής μεταξύ του εσωτερικού υλικού ή των γειτονικών κατασκευαστικών στοιχείων (όπως κελύφη και σωλήνες) οδηγεί σε περιοδική εναλλασσόμενη θερμική πίεση.Όταν η πίεση υπερβαίνει το όριο κόπωσης του υλικού, θα δημιουργηθούν μικροτρύπες στην επιφάνεια ή στα ελαττώματα και σταδιακά θα επεκταθούν σε διεισδυτικές ρωγμές.
  Οι ρωγμές θερμικής κόπωσης είναι κυρίωςΔικτυωτό ή ακτινοειδέςκαι επεκτείνονται κατά μήκος ή μέσω των κόκκων (ανάλογα με την αντοχή του υλικού).
• Τυπική περίπτωση: Ο διακόπτης εξάτμισης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης δημιουργεί μεγάλο αριθμό ρωγμών θερμικής κόπωσης στην επιφάνεια λόγω επαναλαμβανόμενης εκκίνησης-αποστολής και σοβαρών διακυμάνσεων θερμοκρασίας,και τελικά σπάει..

4Ατυχία μικροδομικής υποβάθμισης

• Τυπικές περιπτώσεις:
  • Περλίτικος ανθεκτικός στη θερμότητα χάλυβας (π.χ. 12Cr1MoV): Ο τσιμεντίτης (Fe3C) στην περγαλίτη σφαιροειδώνεται, συγκεντρώνεται και μετατρέπεται ακόμη και σε γραφίτη υπό μακροχρόνιες υψηλές θερμοκρασίες,που οδηγεί σε σημαντική μείωση της αντοχής.
  • Αυστενίτης ανθεκτικός στη θερμότητα χάλυβας: Η φάση ενίσχυσης (όπως η γ' φάση Ni3Al) τραχύνει ή διαλύεται υπό μακροχρόνιες υψηλές θερμοκρασίες,απώλεια της ενίσχυσης και μείωση της αντοχής στην έλξη.

ΙΙ. Μέθοδοι ενίσχυσης θερμοανθεκτικού χάλυβα

1. Ενίσχυση από κράμα (μέθοδος πυρήνα)

• Βελτίωση της αντοχής στην οξείδωση:
  Προσθήκη στοιχείων όπως Cr (12%-30%), Al (2%-5%) και Si (1%-3%) για να σχηματιστεί έναπυκνοξείδιο φιλμ(όπως Cr2O3, Al2O3, SiO2) στην επιφάνεια για να εμποδίσει την εισβολή των μέσων.βελτίωση σημαντικά της αντοχής στην οξείδωση.
• Βελτίωση της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες:
  • Ενίσχυση στερεού διαλύματος: Προσθήκη W και Mo (με μεγάλες ατομικές ακτίνες, σχηματίζοντας ισχυρό δεσμό με Fe) για τη βελτίωση της δύναμης σύνδεσης μεταξύ των ατόμων του πίνακα και την αναστολή της κίνησης εκτόξευσης (για παράδειγμα,Το Mo μπορεί να αυξήσει την ενέργεια ενεργοποίησης της στροφής του σιδηροποιημένου μήτρου κατά περισσότερο από 30%).
  • Ενίσχυση από βροχόπτωση: Προσθήκη V, Nb, Ti, Ta κλπ., για να σχηματιστείΚαρβίδια/νιτρίδια σταθερά σε υψηλές θερμοκρασίες(όπως το VC, το NbC) με C/N, απομακρύνσεις και όρια κόκκων, και παρεμπόδιση της παραμόρφωσης της ροπής (για παράδειγμα, το V σε 12Cr1MoV σχηματίζει VC, βελτιώνοντας σημαντικά την αντοχή της ροπής).
  • Σταθεροποίηση φάσης: προσθήκη Ni (8% - 20%) για να σχηματιστεί ένας αυστενίτης πίνακας (περισσότερο σταθερός από τον φερρίτη με χαμηλό συντελεστή διάχυσης),όπως ο austenitic χάλυβας 310S (25%Cr-20%Ni) μπορεί να λειτουργήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα πάνω από 1000 °C.
• Βελτίωση των επιδόσεων της θερμικής κόπωσης:
  Προσθήκη Mn και Ni για τη μείωση του συντελεστή θερμικής διαστολής (για παράδειγμα, το Incoloy 800H έχει συντελεστή θερμικής διαστολής 20% χαμηλότερο από τον φερριτικό χάλυβα λόγω της περιεκτικότητας σε 30% Ni),ή προσθέτοντας Cu και Nb για τη βελτίωση της αντοχής του υλικού (αναστολή της εξάπλωσης των ρωγμών).

2. Θερμική επεξεργασία Ενίσχυση

• Θεραπεία με διάλυμα + θεραπεία γήρανσης:
  Κατάλληλο για αυστενιτικό ανθεκτικό στη θερμότητα χάλυβα (π.χ. GH4169): η επεξεργασία με διάλυμα (1000-1100°C) κάνει τα στοιχεία κράματος (Nb, Ti) να διαλύονται ομοιόμορφα,και η επεξεργασία γήρανσης (700-800°C) προκαλεί κατάπτωση γ'' φάσης (Ni3Nb) και γ' φάσης (Ni3Al), βελτιώνοντας σημαντικά την αντοχή στην έλξη μέσω της ενίσχυσης της βροχής.
• Ομαλοποίηση + Επενδύσεις:
  Κατάλληλο για μαργαριταριστικό ανθεκτικό στη θερμότητα χάλυβα (π.χ. 12Cr1MoV): ο κανονισμός (950-1050°C) επιτυγχάνει λεπτή δομή μαργαριταριούλης και η θέρμανση (750-800°C) εξαλείφει την πίεση και σταθεροποιεί τα καρβίδια,αποτρέποντας την σφαιροειδισμό του μαργαριταριούχου υπό μακροχρόνιες υψηλές θερμοκρασίες (η σφαιροειδισμός θα οδηγήσει σε μείωση της αντοχής κατά περισσότερο από 50%).
• Επεξεργασία αναψύξης:
  Χρησιμοποιείται για την εξάλειψη του στρες επεξεργασίας (όπως η θερμική ζώνη μετά την συγκόλληση), την επεξεργασία των κόκκων και την αποφυγή της έναρξης ρωγμών θερμικής κόπωσης.

3Ενίσχυση επιφάνειας

• Σύνθεση επιφάνειας:
  Αλουμινισμός και χρωματοποίηση (όπως αλουμινιστική επεξεργασία): σχηματισμός πλούσιου στρώματος Al2O3 ή Cr2O3 (50-200μm πάχους) στην επιφάνεια του χάλυβα,που αυξάνει την θερμοκρασία αντοχής στην οξείδωση κατά 200-300°C σε σύγκριση με τη μήτρα (για παράδειγμα, αλουμινωμένο χάλυβα 20G μπορεί να λειτουργήσει πάνω από 800 °C).
• Τεχνολογία επίστρωσης:
  Χρησιμοποιώντας κεραμικές επιχρίσεις υψηλής θερμοκρασίας (όπως Al2O3, ZrO2) ή επιχρίσεις διαμεταλλικών ενώσεων (όπως NiAl), που παρασκευάζονται με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) ή ψεκασμό με πλάσμα,που είναι τόσο θερμομόνωτα όσο και ανθεκτικά στη διάβρωση (η θερμική αγωγιμότητα της επικάλυψης είναι μόνο 1/10-1/20 της θερμικής αγωγιμότητας του χάλυβα).
• Λήψη επιφάνειας με λέιζερ:
  Γρήγορη θέρμανση και ψύξη της επιφάνειας με λέιζερ για να σχηματιστεί ένα λεπτό κόκκινο ή άμορφο στρώμα, βελτιώνοντας την σκληρότητα της επιφάνειας και την αντοχή στην φθορά και μειώνοντας το ξεφλούδισμα της κλίμακας οξειδίου.

4. Έλεγχος μικροδομής

• Βελτιστοποίηση μεγέθους κόκκων:
  Οι χοντροί κόκκοι (με μικρή περιοχή ορίου κόκκων) μπορούν να μειώσουν την οριακή γλιστρίωση των κόκκων και να βελτιώσουν την αντοχή στην έλξη (για παράδειγμα,οι λεπίδες των τουρμπίνων που χρησιμοποιούν αυστενίτικο χάλυβα με χοντρό κόκκο έχουν 30% μεγαλύτερη διάρκεια ζωής)· οι λεπτοί κόκκοι μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή και τις θερμικές επιδόσεις κόπωσης (τα όρια των κόκκων εμποδίζουν την εξάπλωση των ρωγμών, για παράδειγμα,οι σωλήνες ανταλλακτών θερμότητας που χρησιμοποιούν λεπτόσφαιρικό φερριτικό χάλυβα έχουν 50% μεγαλύτερη διάρκεια θερμικής κόπωσης).
• Σχεδιασμός διπλής δομής:
  Όπως ο διπλός χάλυβας φερρίτης-αυστενίτη (π.χ. 2205), η φερρίτη παρέχει καλή αντοχή στην οξείδωση, το αυστενίτη παρέχει υψηλή αντοχή,και έχει τόσο αντοχή στη διάβρωση όσο και αντοχή στη συρρίκνωση (το εφαρμοστέο εύρος θερμοκρασιών είναι 100-150 °C ευρύτερο από αυτό του μονοφασικού χάλυβα).

Σύνοψη