Виды отказов и методы укрепления теплостойкой стали

I. Основные виды неисправностей теплостойкой стали

1Окисление и высокотемпературная коррозия

• Механизм:
  При высоких температурах атомы металла вступают в реакцию с активными элементами, такими как кислород, для образования оксидной пленки (например, FeO, Fe2O3).не может предотвратить непрерывное вторжение среды, что приводит к постоянному потреблению материала и возможному отказу из-за уменьшения толщины стенки или уменьшения прочности.
  Если в окружающей среде присутствуют такие элементы, как S и Cl (например, содержащие сера дымовые газы и хлоридные среды),высокотемпературная коррозияВ результате возникают сульфиды (FeS) или хлориды (FeCl3) с низкой температурой плавления и летучестью, что ускоряет процесс коррозии.
• Типичный случай: Когда трубки сверхнагревателя котла подаются в содержащий сера дымовой газ, на поверхности образуется смешанный слой FeS и FeO. После очистки стенка труб быстро истончается и в конечном итоге лопнет.

2- Скверный сбой.

• Механизм:
  При высоких температурах способность диффузии атомов увеличивается, и вывихы внутри материала двигаются медленно, границы зерна скользят, или полости растут,приводит к макроскопическим деформациям (например, удлинению и выпуклости)Когда деформация превышает критическое значение (обычно 1% -5%), начинаются трещины и распространяются до перелома.
  Характеристика сбоя ползания заключается в том, что поверхность перелома показываетмежзернистый перелом(Границы зерна являются слабыми звеньями, склонными к образованию полости), и деформация необратима.
• Типичный случай: болты паровой турбины работают при высокой температуре и давлении в течение длительного времени, что приводит к чрезмерному удлинению из-за ползания, которое не обеспечивает герметичность и даже разрывы.

3. Тепловая усталость

• Механизм:
  При изменении температуры несоответствие коэффициентов теплового расширения между внутренним материалом или соседними компонентами (такими как оболочки и трубы) приводит к периодическому чередованию теплового напряжения.Когда напряжение превышает предел усталости материала, на поверхности или при дефектах образуются микротрещины, которые постепенно расширяются до проникающих трещин.
  Разрывы от тепловой усталости в основномретикулярный или радиальныйи расширяются вдоль или через зерна (в зависимости от прочности материала).
• Типичный случай: выхлопный коллектор двигателя внутреннего сгорания создает большое количество трещин на поверхности из-за тепловой усталости из-за повторного запуска и остановки и сильных колебаний температуры,И в конце концов, она ломается..

4Неисправность микроструктурного разложения

• Типичные случаи:
  • Перлитовая теплостойкая сталь (например, 12Cr1MoV): Цементит (Fe3C) в перлите сфероидизируется, агрегируется и даже превращается в графит при длительных высоких температурах,что приводит к значительному снижению прочности.
  • Аустенитная теплоустойчивая сталь: фаза укрепления (например, γ' фаза Ni3Al) грубости или растворяется при длительной высокой температуре,потеря усилительного эффекта и снижение сопротивления ползучести.

II. Способы укрепления теплостойкой стали

1. Укрепление сплавом (основной метод)

• Улучшение устойчивости к окислению:
  Добавление таких элементов, как Cr (12%-30%), Al (2%-5%) и Si (1%-3%) для образованияплотная оксидная пленка(например, Cr2O3, Al2O3, SiO2) на поверхности, чтобы блокировать вторжение среды. Например, когда содержание Cr ≥ 12%, на поверхности стали может образовываться непрерывная пленка Cr2O3,значительно повышает сопротивляемость окислению.
• Улучшение прочности при высоких температурах (устойчивость к ползучему движению):
  • Укрепление твердого раствора: добавление W и Mo (с большим атомным радиусом, образуя сильную связь с Fe) для улучшения силы связывания между атомами матрицы и ингибирования движения дислокации (например,Mo может увеличить энергию активации резкости железной матрицы более чем на 30%).
  • Укрепление осадками: добавление V, Nb, Ti, Ta и т. д., чтобы сформироватькарбиды/нитриды, стабильные при высоких температурах(например, VC, NbC) с C/N, застегивание вывих и границы зерна, и препятствование деформации ползания (например, V в 12Cr1MoV образует VC, значительно улучшая прочность ползания).
  • Фазовая стабилизация: добавление Ни (8% - 20%) для образования аустенитной матрицы (более стабильная, чем феррит с низким коэффициентом диффузии),например, 310S аустенитной стали (25%Cr-20%Ni) может служить в течение длительного времени выше 1000 °C.
• Улучшение эффективности тепловой усталости:
  Добавление Mn и Ni для уменьшения коэффициента теплового расширения (например, Incoloy 800H имеет коэффициент теплового расширения на 20% ниже, чем ферритовая сталь из-за содержания 30% Ни),или добавление Cu и Nb для улучшения прочности материала (ингибирование распространения трещин).

2Тепловая обработка Укрепление

• Лечение раствором + лечение старения:
  Подходит для аустенитной теплостойкой стали (например, GH4169): обработка раствором (1000-1100°C) приводит к равномерному растворению элементов сплава (Nb, Ti),и обработка старением (700-800°C) осаждает γ'' фазу (Ni3Nb) и γ' фазу (Ni3Al), значительно улучшая сопротивляемость ползучести благодаря укреплению осадками.
• Нормализация + Температура:
  Подходит для жемчужной теплоустойчивой стали (например, 12Cr1MoV): нормализация (950-1050 °C) получает тонкую структуру перлита, а закаливание (750-800 °C) устраняет напряжение и стабилизирует карбиды,предотвращение сфероидизации перлита при длительных высоких температурах (сфероидизация приведет к снижению прочности более чем на 50%).
• Обработка отжима:
  Он используется для устранения процессуального напряжения (например, зоны, подверженной воздействию тепла после сварки), очистки зерен и предотвращения возникновения трещин от тепловой усталости.

3Укрепление поверхности

• Сплавление поверхности:
  алюминирование и хронизация (например, обработка алюминированием): формирование обогащенного слоя Al2O3 или Cr2O3 (толщиной 50-200 мкм) на поверхности стали,который повышает температуру сопротивления окислению на 200-300°C по сравнению с матрицей (например,, алюминированная сталь 20G может служить выше 800°C).
• Технология покрытия:
  с использованием высокотемпературных керамических покрытий (таких как Al2O3, ZrO2) или покрытий межметаллических соединений (таких как NiAl), полученных путем физического отложения паров (PVD) или распыления плазмой,изготавливаемые из нержавеющей стали,.
• Лазерное плавление поверхности:
  Быстрое нагревание и охлаждение поверхности с помощью лазера для формирования мелкозернистого или аморфного слоя, улучшение твердости поверхности и износостойкости, а также уменьшение очистки окислительной чешуи.

4Контроль микроструктуры

• Оптимизация размера зерна:
  Грубые зерна (с небольшой площадью границы зерна) могут уменьшить скольжение границы зерна и улучшить прочность ползания (например,Терморегуляторные лопатки с использованием грубозернистой аустенитной стали имеют 30% большее время службы); мелкие зерна могут улучшить выносливость и температурную утомляемость (границы зерна препятствуют распространению трещин, например,трубы для теплообменников, использующие мелкозернистую ферритовую сталь, имеют 50% увеличение срока службы при тепловой усталости).
• Проектирование дуплексной структуры:
  Например, феррит-аустенит дуплексная сталь (например, 2205), феррит обеспечивает хорошую устойчивость к окислению, аустенит обеспечивает высокую прочность,и имеет как коррозионную стойкость, так и стойкость к прополкам (применимый температурный диапазон 100-150 °C шире, чем у однофазной стали).

Резюме