Moda Kegagalan dan Metode Penguatan Baja Tahan Panas
Baja tahan panas adalah jenis baja yang berfungsi untuk waktu yang lama di lingkungan bersuhu tinggi (biasanya ≥ 500℃) dan perlu secara bersamaan memenuhi persyaratan kekuatan suhu tinggi (ketahanan terhadap mulur dan fraktur) dan stabilitas suhu tinggi (ketahanan oksidasi dan ketahanan korosi terhadap media). Baja ini banyak digunakan pada peralatan seperti boiler pembangkit listrik, turbin gas, dan reaktor kimia. Moda kegagalannya sangat terkait dengan perilaku fisik, kimia, dan mekanik di lingkungan bersuhu tinggi, dan metode penguatan perlu secara khusus mengatasi mekanisme kegagalan ini.
Kegagalan baja tahan panas adalah hasil dari gabungan aksi lingkungan bersuhu tinggi (suhu, tegangan, media) dan sifat material itu sendiri. Moda kegagalan utama adalah sebagai berikut:
Pada suhu tinggi, baja tahan panas bereaksi secara kimia dengan gas atau media (seperti sulfida, klorida) di lingkungan seperti O₂, CO₂, dan H₂O, yang mengakibatkan hilangnya material permukaan, yang merupakan salah satu moda kegagalan yang paling umum.
-
Mekanisme:
Pada suhu tinggi, atom logam bereaksi dengan unsur aktif seperti oksigen untuk membentuk lapisan oksida (misalnya, FeO, Fe₂O₃). Jika lapisan oksida longgar dan mudah mengelupas, lapisan tersebut tidak dapat mencegah invasi media secara terus-menerus, yang menyebabkan konsumsi material secara terus-menerus dan akhirnya gagal karena pengurangan ketebalan dinding atau penurunan kekuatan.
Jika ada unsur seperti S dan Cl di lingkungan (seperti gas buang yang mengandung sulfur dan media klorida), korosi suhu tinggi (seperti korosi sulfidasi dan korosi klorinasi) akan terjadi. Sulfida (FeS) atau klorida (FeCl₃) yang dihasilkan memiliki titik leleh rendah dan mudah menguap, yang mempercepat proses korosi.
-
Kasus Khas: Ketika pipa superheater boiler berfungsi dalam gas buang yang mengandung sulfur, lapisan campuran longgar FeS dan FeO terbentuk di permukaan. Setelah mengelupas, dinding pipa menipis dengan cepat dan akhirnya pecah.
Pada suhu tinggi (biasanya melebihi 0,5Tm, di mana Tm adalah suhu leleh absolut), material mengalami deformasi plastik lambat di bawah tegangan konstan jangka panjang, dan akhirnya gagal karena deformasi atau fraktur yang berlebihan. Ini adalah moda kegagalan utama baja tahan panas di bawah beban.
-
Mekanisme:
Pada suhu tinggi, kemampuan difusi atom meningkat, dan dislokasi di dalam material bergerak perlahan, batas butir bergeser, atau rongga tumbuh, yang mengakibatkan deformasi makroskopis (seperti pemanjangan dan penggembungan). Ketika deformasi melebihi nilai kritis (biasanya 1%-5%), retakan akan dimulai dan menyebar hingga fraktur.
Ciri khas kegagalan mulur adalah permukaan fraktur menunjukkan fraktur intergranular (batas butir adalah mata rantai lemah, rentan terhadap pembentukan rongga), dan deformasi bersifat ireversibel.
-
Kasus Khas: Baut turbin uap berfungsi di bawah suhu dan tekanan tinggi untuk waktu yang lama, yang menyebabkan pemanjangan berlebihan karena mulur, yang gagal memastikan penyegelan dan bahkan putus.
Ini adalah moda kegagalan di mana material menghasilkan retakan setelah aksi berulang dari tegangan terbatas (tegangan termal) karena ekspansi dan kontraksi termal selama perubahan suhu periodik (seperti siklus pemanasan-pendinginan).
-
Mekanisme:
Selama perubahan suhu, ketidakcocokan koefisien ekspansi termal antara material internal atau komponen yang berdekatan (seperti selubung dan pipa) menyebabkan tegangan termal bolak-balik periodik. Ketika tegangan melebihi batas kelelahan material, retakan mikro akan dihasilkan di permukaan atau pada cacat, dan secara bertahap meluas menjadi retakan yang menembus.
Retakan kelelahan termal sebagian besar berbentuk jaring atau radial dan meluas di sepanjang atau melalui butir (tergantung pada ketangguhan material).
-
Kasus Khas: Manifold buang dari mesin pembakaran internal menghasilkan sejumlah besar retakan kelelahan termal di permukaan karena start-stop berulang dan fluktuasi suhu yang parah, dan akhirnya putus.
Layanan jangka panjang pada suhu tinggi menyebabkan perubahan ireversibel pada mikrostruktur baja tahan panas (seperti presipitasi fasa, pengasaran butir, dan transformasi struktural), yang mengakibatkan penurunan sifat mekanik (kekuatan, ketangguhan).
- Kasus Khas:
- Baja tahan panas perlitik (misalnya, 12Cr1MoV): Sementit (Fe₃C) dalam perlit mengalami spheroidisasi, agregasi, dan bahkan berubah menjadi grafit di bawah suhu tinggi jangka panjang, yang menyebabkan penurunan kekuatan yang signifikan.
- Baja tahan panas austenitik: Fasa penguat (seperti fasa γ' Ni₃Al) mengeras atau larut di bawah suhu tinggi jangka panjang, kehilangan efek penguatan dan mengurangi ketahanan mulur.
Metode penguatan perlu mengatasi mekanisme kegagalan di atas dan mencapai tujuan dengan meningkatkan ketahanan oksidasi, kekuatan suhu tinggi, ketahanan mulur, dan ketangguhan kelelahan termal, terutama termasuk paduan, perlakuan panas, modifikasi permukaan, dan kontrol mikrostruktur.
Mengoptimalkan komposisi dengan menambahkan unsur paduan untuk meningkatkan kinerja suhu tinggi material adalah metode penguatan yang paling mendasar.
- Meningkatkan Ketahanan Oksidasi:
Menambahkan unsur seperti Cr (12%-30%), Al (2%-5%), dan Si (1%-3%) untuk membentuk lapisan oksida padat (seperti Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) di permukaan untuk memblokir invasi media. Misalnya, ketika kandungan Cr ≥ 12%, lapisan Cr₂O₃ yang kontinu dapat terbentuk di permukaan baja, yang secara signifikan meningkatkan ketahanan oksidasi.
- Meningkatkan Kekuatan Suhu Tinggi (Ketahanan Mulur):
- Penguatan Larutan Padat: Menambahkan W dan Mo (dengan jari-jari atom besar, membentuk ikatan kuat dengan Fe) untuk meningkatkan gaya ikat antara atom matriks dan menghambat pergerakan dislokasi (misalnya, Mo dapat meningkatkan energi aktivasi mulur dari matriks besi lebih dari 30%).
- Penguatan Presipitasi: Menambahkan V, Nb, Ti, Ta, dll., untuk membentuk karbida/nitrida stabil suhu tinggi (seperti VC, NbC) dengan C/N, menyematkan dislokasi dan batas butir, dan menghambat deformasi mulur (misalnya, V dalam 12Cr1MoV membentuk VC, yang secara signifikan meningkatkan kekuatan mulur).
- Stabilisasi Fasa: Menambahkan Ni (8%-20%) untuk membentuk matriks austenitik (lebih stabil daripada ferit dengan koefisien difusi rendah), seperti baja austenitik 310S (25%Cr-20%Ni) dapat berfungsi untuk waktu yang lama di atas 1000℃.
- Meningkatkan Kinerja Kelelahan Termal:
Menambahkan Mn dan Ni untuk mengurangi koefisien ekspansi termal (misalnya, Incoloy 800H memiliki koefisien ekspansi termal 20% lebih rendah daripada baja feritik karena mengandung 30% Ni), atau menambahkan Cu dan Nb untuk meningkatkan ketangguhan material (menghambat perambatan retakan).
Mengatur mikrostruktur melalui perlakuan panas untuk mengoptimalkan kuantitas, ukuran, dan distribusi fasa yang diendapkan dan meningkatkan kinerja suhu tinggi.
- Perlakuan Solusi + Perlakuan Penuaan:
Cocok untuk baja tahan panas austenitik (misalnya, GH4169): Perlakuan solusi (1000-1100℃) membuat unsur paduan (Nb, Ti) larut secara merata, dan perlakuan penuaan (700-800℃) mengendapkan fasa γ'' (Ni₃Nb) dan fasa γ' (Ni₃Al), yang secara signifikan meningkatkan ketahanan mulur melalui penguatan presipitasi.
- Normalisasi + Tempering:
Cocok untuk baja tahan panas perlitik (misalnya, 12Cr1MoV): Normalisasi (950-1050℃) memperoleh struktur perlit halus, dan tempering (750-800℃) menghilangkan tegangan dan menstabilkan karbida, mencegah spheroidisasi perlit di bawah suhu tinggi jangka panjang (spheroidisasi akan menyebabkan penurunan kekuatan lebih dari 50%).
- Perlakuan Annealing:
Digunakan untuk menghilangkan tegangan pemrosesan (seperti zona yang terkena panas setelah pengelasan), memurnikan butir, dan menghindari dimulainya retakan kelelahan termal.
Membentuk lapisan pelindung melalui modifikasi permukaan untuk mengisolasi media suhu tinggi atau meningkatkan kinerja permukaan, yang menggantikan kekurangan kinerja matriks.
- Paduan Permukaan:
Aluminisasi dan kromisasi (seperti perlakuan aluminisasi): Membentuk lapisan kaya Al₂O₃ atau Cr₂O₃ (ketebalan 50-200μm) di permukaan baja, yang meningkatkan suhu ketahanan oksidasi sebesar 200-300℃ dibandingkan dengan matriks (misalnya, baja 20G yang dialuminisasi dapat berfungsi di atas 800℃).
- Teknologi Pelapisan:
Menggunakan lapisan keramik suhu tinggi (seperti Al₂O₃, ZrO₂) atau lapisan senyawa intermetalik (seperti NiAl), yang disiapkan dengan deposisi uap fisik (PVD) atau penyemprotan plasma, yang bersifat isolasi panas dan tahan korosi (konduktivitas termal lapisan hanya 1/10-1/20 dari baja).
- Peleburan Permukaan Laser:
Memanaskan dan mendinginkan permukaan dengan cepat dengan laser untuk membentuk lapisan berbutir halus atau amorf, meningkatkan kekerasan permukaan dan ketahanan aus, dan mengurangi pengelupasan skala oksida.
Mengoptimalkan kinerja suhu tinggi dengan mengontrol mikrostruktur seperti ukuran butir dan komposisi fasa.
- Optimasi Ukuran Butir:
Butir kasar (dengan area batas butir kecil) dapat mengurangi geseran batas butir dan meningkatkan kekuatan mulur (misalnya, bilah turbin menggunakan baja austenitik berbutir kasar memiliki peningkatan umur mulur sebesar 30%); butir halus dapat meningkatkan ketangguhan dan kinerja kelelahan termal (batas butir menghambat perambatan retakan, misalnya, tabung penukar panas menggunakan baja feritik berbutir halus memiliki perpanjangan 50% dalam umur kelelahan termal).
- Desain Struktur Dupleks:
Seperti baja dupleks ferit-austenit (misalnya, 2205), ferit memberikan ketahanan oksidasi yang baik, austenit memberikan kekuatan tinggi, dan memiliki ketahanan korosi dan ketahanan mulur (rentang suhu yang berlaku 100-150℃ lebih luas daripada baja fasa tunggal).
Kegagalan baja tahan panas terutama berasal dari korosi oksidasi, deformasi mulur, retakan kelelahan termal, dan degradasi mikrostruktural di lingkungan bersuhu tinggi. Penguatannya membutuhkan kerja sama dari paduan (meningkatkan kinerja penting), perlakuan panas (mengoptimalkan struktur), penguatan permukaan (perlindungan isolasi), dan kontrol mikrostruktur (mencocokkan persyaratan layanan). Misalnya, tabung boiler perlu fokus pada penguatan ketahanan oksidasi dan ketahanan mulur (menambahkan Cr, Mo + aluminisasi), sedangkan manifold buang perlu memprioritaskan peningkatan kinerja kelelahan termal (pemurnian butir + paduan dengan koefisien ekspansi rendah).
Pesan Anda harus antara 20-3.000 karakter!