Tryby uszkodzeń i metody wzmacniania stali żaroodpornych

I. Główne sposoby awarii stali odpornej na ciepło

1Utrata utleniania i korozji w wysokiej temperaturze

• Mechanizm:
  Przy wysokich temperaturach atomy metalu reagują z czynnymi pierwiastkami, takimi jak tlen, tworząc folie tlenowe (np. FeO, Fe2O3).nie może zapobiegać ciągłej inwazji medium, co prowadzi do ciągłego zużycia materiału i ostatecznej awarii z powodu zmniejszenia grubości ściany lub zmniejszenia wytrzymałości.
  Jeżeli w środowisku występują pierwiastki takie jak S i Cl (np. gazy spalinowe zawierające siarkę i środki chlorurowe),korozja wysokotemperaturowaPowstałe siarczany (FeS) lub chlorydy (FeCl3) mają niskie punkty topnienia i są lotne, przyspieszając proces korozji.
• Typowy przypadek: Gdy w supergrzejnikach kotłowych wprowadzane są gazy spalinowe zawierające siarkę, na powierzchni powstaje luźna warstwa mieszana FeS i FeO. Po obłuszczeniu ściana rur szybko się rozcieńcza i ostatecznie pęka.

2- Złamanie.

• Mechanizm:
  Przy wysokich temperaturach, zdolność dyfuzji atomów wzrasta, a zwichnięcia wewnątrz materiału poruszają się powoli, granice ziaren przesuwają się lub próchnice rosną,powodujące makroskopowe deformacje (takie jak wydłużenie i wybrzuszenie)Kiedy deformacja przekracza wartość krytyczną (zwykle 1% -5%), powstają pęknięcia i rozprzestrzeniają się do złamania.
  Charakterystyczną cechą awarii jest to, że powierzchnia pęknięcia pokazujezłamanie międzyziarniste(granice ziaren są słabymi ogniwami, podatnymi na tworzenie się jam), a deformacja jest nieodwracalna.
• Typowy przypadek: Bulty turbin parowych działają pod wysoką temperaturą i ciśnieniem przez długi czas, co prowadzi do nadmiernego wydłużania z powodu schodzenia, które nie zapewnia uszczelnienia, a nawet pęknięć.

3Uderzenie cieplne

• Mechanizm:
  Podczas zmian temperatury niezgodność współczynników rozszerzenia termicznego między wewnętrznym materiałem lub sąsiednimi komponentami (takimi jak muszki i rury) prowadzi do okresowego przemiennego naprężenia termicznego.Gdy naprężenie przekracza granicę zmęczenia materiału, na powierzchni lub w przypadku wad powstają mikropęknięcia, które stopniowo rozszerzają się do penetrowania pęknięć.
  Szczeliny termiczne są główniesiatkówkowe lub promieniowei rozszerzają się wzdłuż lub przez ziarna (w zależności od wytrzymałości materiału).
• Typowy przypadek: Zbiornik spalin silnika spalinowego generuje dużą liczbę pęknięć termicznych na powierzchni z powodu powtarzających się przerw w uruchamianiu i silnych wahaniach temperatury,i w końcu się łamię..

4Nieprawidłowość degradacji mikrostrukturalnej

• Typowe przypadki:
  • Stal perlowa odporna na ciepło (np. 12Cr1MoV): Cementyt (Fe3C) w perlocie sferoidyzuje się, agregacji, a nawet przekształca się w grafit w długotrwałych wysokich temperaturach,powodujące znaczne zmniejszenie siły.
  • Stal austenitowa odporna na ciepło: faza wzmacniania (np. faza γ' Ni3Al) tworzy się gruba lub rozpuszcza w długotrwałych wysokich temperaturach,utrata efektu wzmacniającego i zmniejszenie odporności na wkręcanie.

II. Metody wzmocniania stali odpornej na ciepło

1. Wzmocnienie stopu (metoda podstawowa)

• Poprawa odporności na utlenianie:
  Dodawanie takich pierwiastków jak Cr (12%-30%), Al (2%-5%) i Si (1%-3%) tworzygęsta folia tlenowaNa przykład, gdy zawartość Cr wynosi ≥ 12%, na powierzchni stali może powstać ciągła folia Cr2O3,znacząco zwiększa odporność na utlenianie.
• Poprawa wytrzymałości na wysokie temperatury (odporność na pełzanie):
  • Wzmocnienie roztworu stałego: Dodawanie W i Mo (z dużymi promieniami atomowymi, tworząc silne połączenie z Fe) w celu poprawy siły wiązania między atomami macierzystego i hamowania ruchu zwichnięcia (np.,Mo może zwiększyć energię aktywacyjną krycia matrycy żelaza o ponad 30%).
  • Wzmocnienie opadów: dodanie V, Nb, Ti, Ta itp., w celu utworzeniawęglowodany/nitrydy stabilne w wysokiej temperaturze(takie jak VC, NbC) z C/N, wychylającymi się wychylami i granicami ziarna i utrudniającymi odkształcanie się pełzania (np. V w 12Cr1MoV tworzy VC, znacząco poprawiając wytrzymałość pełzania).
  • Stabilizacja fazowa: dodanie Ni (8% - 20%) w celu utworzenia matrycy austenitycznej (bardziej stabilna niż feryt o niskim współczynniku dyfuzji),np. stal austenitowa 310S (25%Cr-20%Ni) może służyć przez długi czas powyżej 1000°C.
• Poprawa wydajności w przypadku zmęczenia termicznego:
  Dodawanie Mn i Ni w celu zmniejszenia współczynnika rozszerzenia termicznego (np. Incoloy 800H ma o 20% niższy współczynnik rozszerzenia termicznego niż stal ferytyczna ze względu na zawartość 30% Ni),lub dodanie Cu i Nb w celu poprawy wytrzymałości materiału (zażerające rozprzestrzenianie się pęknięć).

2. Wytwarzanie cieplne wzmocnienie

• Leczenie roztworem + leczenie starzenia:
  nadaje się do austenitycznej stali odpornej na ciepło (np. GH4169): obróbka roztworem (1000-1100°C) powoduje równomierne rozpuszczenie elementów stopów (Nb, Ti),W przypadku, gdy procesy oczyszczania i starzenia (700-800°C) spowodowały spadek fazy γ'' (Ni3Nb) i fazy γ' (Ni3Al), znacząco poprawiając odporność na pełzanie poprzez wzmocnienie opadów.
• Normalizacja + Tempering:
  Odpowiednie dla stali o odporności na ciepło perarlicznej (np. 12Cr1MoV): normalizacja (950-1050 °C) uzyskuje strukturę precyzyjnego perlitu, a hartowanie (750-800 °C) eliminuje naprężenie i stabilizuje węglowodany,zapobieganie sferoidalizacji perlitu w warunkach długotrwałej wysokiej temperatury (sferoidalizacja prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości o ponad 50%).
• Leczenie wygrzewką:
  Stosuje się go do eliminowania obciążenia procesem (takich jak strefa dotknięta ciepłem po spawaniu), do rafinowania ziaren i do uniknięcia powstawania pęknięć z powodu zmęczenia termicznego.

3Wzmocnienie powierzchni

• Stopy powierzchni:
  Aluminizowanie i chromizowanie (np. obróbka aluminizowania): tworzenie na powierzchni stali wzbogaconej warstwy Al2O3 lub Cr2O3 (50-200 μm grubości),który zwiększa temperaturę odporności na utlenianie o 200-300°C w porównaniu z matrycą (np., aluminiowana stal 20G może służyć powyżej 800°C).
• Technologia powlekania:
  Wykorzystując powłoki ceramiczne o wysokiej temperaturze (takie jak Al2O3, ZrO2) lub powłoki związków międzymetalowych (takie jak NiAl), przygotowane przez fizyczne osadzenie parą (PVD) lub opryskiwanie plazmowe,które są zarówno termoizolacyjne, jak i odporne na korozję (przewodność cieplna powłoki wynosi tylko 1/10-1/20 przewodności cieplnej stali).
• Roztopienie powierzchni laserowej:
  Szybkie podgrzewanie i chłodzenie powierzchni za pomocą lasera w celu utworzenia warstwy o drobnych ziarnach lub amorficznej, poprawiając twardość powierzchni i odporność na zużycie oraz zmniejszając łuszczenie się skały tlenowej.

4. Kontrola mikrostruktury

• Optymalizacja wielkości ziarna:
  Grubie ziarna (z małą powierzchnią granicy ziarna) mogą zmniejszyć przesuwanie się granicy ziarna i poprawić wytrzymałość pełzania (np.Ostrze turbiny wykorzystujące gruboziarnistą stal austenitową mają o 30% większą żywotność); drobne ziarna mogą poprawić wytrzymałość i wydajność termiczną (granice ziarna hamują rozprzestrzenianie się pęknięć, na przykład,Rury wymienników ciepła z wykorzystaniem stali ferrytowej o drobnym ziarnku mają 50% wydłużenie żywotności termicznej).
• Projektowanie struktury dupleksu:
  Na przykład ferrytowo-austenitowa stal dupleksowa (np. 2205), ferryt zapewnia dobrą odporność na utlenianie, austenit zapewnia wysoką wytrzymałość,i posiada zarówno odporność na korozję, jak i odporność na wkręcanie (stosowany zakres temperatur wynosi 100-150 °C szerszy niż zakres stali jednopasowej).

Podsumowanie