รูปแบบความล้มเหลวและวิธีการเสริมเหล็กทนความร้อน

I. โหมดความเสียหายหลักของเหล็กทนความร้อน

1. ความล้มเหลวจากการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง

• กลไก:
  ที่อุณหภูมิสูง อะตอมของโลหะทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบที่ใช้งาน เช่น ออกซิเจน เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์ (เช่น FeO, Fe₂O₃) หากฟิล์มออกไซด์หลวมและลอกออกได้ง่าย จะไม่สามารถป้องกันการบุกรุกของสื่อได้อย่างต่อเนื่อง ทำให้วัสดุถูกใช้ไปอย่างต่อเนื่องและในที่สุดก็เกิดความเสียหายเนื่องจากการลดลงของความหนาของผนังหรือความแข็งแรงลดลง
  หากมีองค์ประกอบเช่น S และ Cl ในสภาพแวดล้อม (เช่น ก๊าซไอเสียที่มีกำมะถันและสื่อคลอไรด์) การกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง (เช่น การกัดกร่อนของซัลไฟเดชันและการกัดกร่อนของคลอริเนชัน) จะเกิดขึ้น ซัลไฟด์ (FeS) หรือคลอไรด์ (FeCl₃) ที่เกิดขึ้นมีจุดหลอมเหลวต่ำและระเหยง่าย เร่งกระบวนการกัดกร่อน
• กรณีทั่วไป: เมื่อท่อซุปเปอร์ฮีตเตอร์ของหม้อไอน้ำใช้งานในก๊าซไอเสียที่มีกำมะถัน ชั้นผสมหลวมของ FeS และ FeO จะก่อตัวบนพื้นผิว หลังจากลอกออก ผนังท่อจะบางลงอย่างรวดเร็วและในที่สุดก็ระเบิด

2. ความล้มเหลวจากการคืบ

• กลไก:
  ที่อุณหภูมิสูง ความสามารถในการแพร่กระจายของอะตอมจะเพิ่มขึ้น และการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันภายในวัสดุจะช้าลง ขอบเกรนจะเลื่อน หรือโพรงจะเติบโต ส่งผลให้เกิดการเสียรูปมาโครสโคปิก (เช่น การยืดตัวและการโป่ง) เมื่อการเสียรูปเกินค่าวิกฤต (โดยทั่วไป 1%-5%) รอยร้าวจะเริ่มต้นและแพร่กระจายไปสู่การแตกหัก
  ลักษณะของความล้มเหลวจากการคืบคือพื้นผิวการแตกหักแสดงให้เห็นการแตกหักระหว่างเม็ด (ขอบเกรนเป็นจุดอ่อน มีแนวโน้มที่จะเกิดโพรง) และการเสียรูปไม่สามารถย้อนกลับได้
• กรณีทั่วไป: สลักเกลียวของกังหันไอน้ำใช้งานภายใต้อุณหภูมิและความดันสูงเป็นเวลานาน ทำให้เกิดการยืดตัวมากเกินไปเนื่องจากการคืบ ซึ่งทำให้ไม่สามารถมั่นใจในการปิดผนึกและถึงกับแตกหักได้

3. ความล้มเหลวจากความล้าทางความร้อน

• กลไก:
  ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความไม่ตรงกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างวัสดุภายในหรือส่วนประกอบที่อยู่ติดกัน (เช่น เปลือกและท่อ) นำไปสู่ความเครียดจากความร้อนสลับเป็นระยะ เมื่อความเครียดเกินขีดจำกัดความล้าของวัสดุ รอยร้าวขนาดเล็กจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวหรือที่ข้อบกพร่อง และค่อยๆ ขยายไปสู่รอยร้าวที่ทะลุทะลวง
  รอยร้าวจากความล้าทางความร้อนส่วนใหญ่เป็นแบบตาข่ายหรือรัศมี และขยายไปตามหรือผ่านเกรน (ขึ้นอยู่กับความเหนียวของวัสดุ)
• กรณีทั่วไป: ท่อร่วมไอเสียของเครื่องยนต์สันดาปภายในสร้างรอยร้าวจากความล้าทางความร้อนจำนวนมากบนพื้นผิวเนื่องจากการสตาร์ท-หยุดซ้ำๆ และความผันผวนของอุณหภูมิอย่างรุนแรง และในที่สุดก็แตกหัก

4. ความล้มเหลวจากการเสื่อมสภาพของจุลภาค

• กรณีทั่วไป:
  • เหล็กทนความร้อนแบบเพิร์ลไลติก (เช่น 12Cr1MoV): ซีเมนต์ไทต์ (Fe₃C) ในเพิร์ลไลต์จะกลม, รวมตัวกัน และแม้กระทั่งเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ภายใต้อุณหภูมิสูงในระยะยาว ทำให้ความแข็งแรงลดลงอย่างมาก
  • เหล็กทนความร้อนแบบออสเทนนิติก: เฟสเสริมความแข็งแรง (เช่น γ' เฟส Ni₃Al) จะหยาบขึ้นหรือละลายภายใต้อุณหภูมิสูงในระยะยาว ทำให้สูญเสียผลการเสริมความแข็งแรงและลดความต้านทานการคืบ

II. วิธีการเสริมความแข็งแรงของเหล็กทนความร้อน

1. การเสริมความแข็งแรงด้วยการผสมโลหะ (วิธีหลัก)

• ปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน:
  การเพิ่มองค์ประกอบเช่น Cr (12%-30%), Al (2%-5%) และ Si (1%-3%) เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์หนาแน่น (เช่น Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) บนพื้นผิวเพื่อปิดกั้นการบุกรุกของสื่อ ตัวอย่างเช่น เมื่อปริมาณ Cr ≥ 12% ฟิล์ม Cr₂O₃ อย่างต่อเนื่องสามารถก่อตัวบนพื้นผิวเหล็ก ซึ่งช่วยปรับปรุงความต้านทานการเกิดออกซิเดชันได้อย่างมาก
• ปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง (ความต้านทานการคืบ):
  • การเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายแข็ง: การเพิ่ม W และ Mo (มีรัศมีอะตอมขนาดใหญ่ สร้างพันธะที่แข็งแกร่งกับ Fe) เพื่อปรับปรุงแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของเมทริกซ์และยับยั้งการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน (ตัวอย่างเช่น Mo สามารถเพิ่มพลังงานกระตุ้นการคืบของเมทริกซ์เหล็กได้มากกว่า 30%)
  • การเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน: การเพิ่ม V, Nb, Ti, Ta ฯลฯ เพื่อสร้างคาร์ไบด์/ไนไตรด์ที่เสถียรที่อุณหภูมิสูง (เช่น VC, NbC) ด้วย C/N, การตรึงดิสโลเคชันและขอบเกรน และขัดขวางการเสียรูปจากการคืบ (ตัวอย่างเช่น V ใน 12Cr1MoV สร้าง VC ซึ่งช่วยปรับปรุงความแข็งแรงในการคืบอย่างมาก)
  • การทำให้เฟสเสถียร: การเพิ่ม Ni (8%-20%) เพื่อสร้างเมทริกซ์ออสเทนนิติก (เสถียรกว่าเฟอร์ไรต์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายต่ำ) เช่น เหล็กออสเทนนิติก 310S (25%Cr-20%Ni) สามารถใช้งานได้นานกว่า 1000℃
• ปรับปรุงประสิทธิภาพความล้าทางความร้อน:
  การเพิ่ม Mn และ Ni เพื่อลดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (ตัวอย่างเช่น Incoloy 800H มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำกว่าเหล็กเฟอร์ริติก 20% เนื่องจากมี Ni 30%) หรือการเพิ่ม Cu และ Nb เพื่อปรับปรุงความเหนียวของวัสดุ (ยับยั้งการแพร่กระจายของรอยร้าว)

2. การเสริมความแข็งแรงด้วยการอบชุบ

• การบำบัดด้วยสารละลาย + การบำบัดด้วยอายุ:
  เหมาะสำหรับเหล็กทนความร้อนแบบออสเทนนิติก (เช่น GH4169): การบำบัดด้วยสารละลาย (1000-1100℃) ทำให้องค์ประกอบการผสมโลหะ (Nb, Ti) ละลายอย่างสม่ำเสมอ และการบำบัดด้วยอายุ (700-800℃) ทำให้เกิดเฟส γ'' (Ni₃Nb) และ γ' เฟส (Ni₃Al) ซึ่งช่วยปรับปรุงความต้านทานการคืบอย่างมากผ่านการเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน
• การทำให้เป็นมาตรฐาน + การแบ่งเบาบรรเทา:
  เหมาะสำหรับเหล็กทนความร้อนแบบเพิร์ลไลติก (เช่น 12Cr1MoV): การทำให้เป็นมาตรฐาน (950-1050℃) ได้โครงสร้างเพิร์ลไลต์ละเอียด และการแบ่งเบาบรรเทา (750-800℃) ขจัดความเครียดและทำให้คาร์ไบด์คงที่ ป้องกันการกลมของเพิร์ลไลต์ภายใต้อุณหภูมิสูงในระยะยาว (การกลมจะนำไปสู่การลดลงของความแข็งแรงมากกว่า 50%)
• การอบอ่อน:
  ใช้เพื่อขจัดความเครียดในการประมวลผล (เช่น โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนหลังจากการเชื่อม) ปรับแต่งเกรน และหลีกเลี่ยงการเริ่มต้นของรอยร้าวจากความล้าทางความร้อน

3. การเสริมความแข็งแรงของพื้นผิว

• การผสมโลหะบนพื้นผิว:
  การเคลือบอะลูมิเนียมและการเคลือบโครเมียม (เช่น การบำบัดด้วยอะลูมิเนียม): การสร้างชั้นที่อุดมด้วย Al₂O₃ หรือ Cr₂O₃ (หนา 50-200μm) บนพื้นผิวเหล็ก ซึ่งช่วยเพิ่มอุณหภูมิความต้านทานการเกิดออกซิเดชัน 200-300℃ เมื่อเทียบกับเมทริกซ์ (ตัวอย่างเช่น เหล็ก 20G ที่เคลือบด้วยอะลูมิเนียมสามารถใช้งานได้สูงกว่า 800℃)
• เทคโนโลยีการเคลือบ:
  การใช้สารเคลือบเซรามิกที่อุณหภูมิสูง (เช่น Al₂O₃, ZrO₂) หรือสารเคลือบสารประกอบระหว่างโลหะ (เช่น NiAl) ที่เตรียมโดยการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) หรือการพ่นพลาสมา ซึ่งทั้งสองอย่างนี้เป็นฉนวนความร้อนและทนต่อการกัดกร่อน (การนำความร้อนของสารเคลือบมีเพียง 1/10-1/20 ของเหล็ก)
• การหลอมพื้นผิวด้วยเลเซอร์:
  การให้ความร้อนและทำความเย็นพื้นผิวอย่างรวดเร็วด้วยเลเซอร์เพื่อสร้างชั้นละเอียดหรืออสัณฐาน ปรับปรุงความแข็งของพื้นผิวและความทนทานต่อการสึกหรอ และลดการลอกของมาตราส่วนออกไซด์

4. กา