Các chế độ thất bại và phương pháp củng cố thép chống nhiệt

I. Các Chế Độ Hỏng Hóc Chính của Thép Chịu Nhiệt

1. Hỏng hóc do oxy hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao

• Cơ chế:
  Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử kim loại phản ứng với các nguyên tố hoạt tính như oxy để tạo thành các lớp oxit (ví dụ: FeO, Fe₂O₃). Nếu lớp oxit lỏng lẻo và dễ bong ra, nó không thể ngăn chặn sự xâm nhập liên tục của môi trường, dẫn đến sự tiêu hao liên tục của vật liệu và cuối cùng là hỏng hóc do giảm độ dày thành hoặc giảm độ bền.
  Nếu có các nguyên tố như S và Cl trong môi trường (như khí thải chứa lưu huỳnh và môi trường clorua), ăn mòn ở nhiệt độ cao (như ăn mòn sunfua và ăn mòn clo hóa) sẽ xảy ra. Các sunfua (FeS) hoặc clorua (FeCl₃) được tạo ra có điểm nóng chảy thấp và dễ bay hơi, làm tăng tốc quá trình ăn mòn.
• Trường hợp điển hình: Khi ống quá nhiệt của lò hơi hoạt động trong khí thải chứa lưu huỳnh, một lớp hỗn hợp lỏng lẻo của FeS và FeO hình thành trên bề mặt. Sau khi bong ra, thành ống mỏng đi nhanh chóng và cuối cùng bị vỡ.

2. Hỏng hóc do rão

• Cơ chế:
  Ở nhiệt độ cao, khả năng khuếch tán của các nguyên tử tăng lên, và các sai lệch bên trong vật liệu di chuyển chậm, các ranh giới hạt trượt, hoặc các lỗ hổng phát triển, dẫn đến biến dạng vĩ mô (như kéo dài và phình ra). Khi biến dạng vượt quá giá trị tới hạn (thường là 1%-5%), các vết nứt sẽ bắt đầu và lan ra đến gãy.
  Đặc điểm của hỏng hóc do rão là bề mặt gãy cho thấy gãy liên hạt (ranh giới hạt là các liên kết yếu, dễ hình thành lỗ hổng), và biến dạng là không thể đảo ngược.
• Trường hợp điển hình: Bu lông tuabin hơi nước hoạt động dưới nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian dài, dẫn đến kéo dài quá mức do rão, không đảm bảo độ kín và thậm chí bị gãy.

3. Hỏng hóc do mỏi nhiệt

• Cơ chế:
  Trong quá trình thay đổi nhiệt độ, sự không phù hợp của hệ số giãn nở nhiệt giữa vật liệu bên trong hoặc các thành phần liền kề (như vỏ và ống) dẫn đến ứng suất nhiệt thay đổi theo chu kỳ. Khi ứng suất vượt quá giới hạn mỏi của vật liệu, các vết nứt nhỏ sẽ được tạo ra trên bề mặt hoặc tại các khuyết tật, và dần dần lan rộng thành các vết nứt xuyên thấu.
  Các vết nứt do mỏi nhiệt chủ yếu là dạng lưới hoặc hướng tâm và lan dọc theo hoặc xuyên qua các hạt (tùy thuộc vào độ dẻo dai của vật liệu).
• Trường hợp điển hình: Cổ góp xả của động cơ đốt trong tạo ra một số lượng lớn các vết nứt do mỏi nhiệt trên bề mặt do việc khởi động-dừng lặp đi lặp lại và sự dao động nhiệt độ nghiêm trọng, và cuối cùng bị gãy.

4. Hỏng hóc do suy giảm vi cấu trúc

• Các trường hợp điển hình:
  • Thép chịu nhiệt peclit (ví dụ: 12Cr1MoV): Xi măng (Fe₃C) trong peclit cầu hóa, kết tụ và thậm chí biến đổi thành than chì dưới nhiệt độ cao trong thời gian dài, dẫn đến giảm đáng kể độ bền.
  • Thép chịu nhiệt austenit: Pha gia cường (như pha γ' Ni₃Al) thô hoặc hòa tan dưới nhiệt độ cao trong thời gian dài, mất tác dụng gia cường và giảm khả năng chống rão.

II. Phương Pháp Tăng Cường của Thép Chịu Nhiệt

1. Tăng cường bằng hợp kim hóa (Phương pháp cốt lõi)

• Cải thiện khả năng chống oxy hóa:
  Thêm các nguyên tố như Cr (12%-30%), Al (2%-5%) và Si (1%-3%) để tạo thành một lớp oxit đặc (như Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) trên bề mặt để ngăn chặn sự xâm nhập của môi trường. Ví dụ, khi hàm lượng Cr ≥ 12%, một lớp Cr₂O₃ liên tục có thể được hình thành trên bề mặt thép, cải thiện đáng kể khả năng chống oxy hóa.
• Cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao (Khả năng chống rão):
  • Tăng cường dung dịch rắn: Thêm W và Mo (với bán kính nguyên tử lớn, tạo thành liên kết mạnh với Fe) để cải thiện lực liên kết giữa các nguyên tử ma trận và ức chế sự di chuyển của sai lệch (ví dụ, Mo có thể làm tăng năng lượng kích hoạt rão của ma trận sắt hơn 30%).
  • Tăng cường kết tủa: Thêm V, Nb, Ti, Ta, v.v., để tạo thành cacbua/nitrua ổn định ở nhiệt độ cao (như VC, NbC) với C/N, cố định các sai lệch và ranh giới hạt, và cản trở biến dạng rão (ví dụ, V trong 12Cr1MoV tạo thành VC, cải thiện đáng kể độ bền rão).
  • Ổn định pha: Thêm Ni (8%-20%) để tạo thành ma trận austenit (ổn định hơn so với ferit với hệ số khuếch tán thấp), chẳng hạn như thép austenit 310S (25%Cr-20%Ni) có thể hoạt động trong thời gian dài trên 1000℃.
• Cải thiện hiệu suất mỏi nhiệt:
  Thêm Mn và Ni để giảm hệ số giãn nở nhiệt (ví dụ, Incoloy 800H có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 20% so với thép ferit do chứa 30% Ni), hoặc thêm Cu và Nb để cải thiện độ dẻo dai của vật liệu (ức chế sự lan truyền vết nứt).

2. Tăng cường bằng xử lý nhiệt

• Xử lý dung dịch + Xử lý hóa già:
  Thích hợp cho thép chịu nhiệt austenit (ví dụ: GH4169): Xử lý dung dịch (1000-1100℃) làm cho các nguyên tố hợp kim (Nb, Ti) hòa tan đồng đều, và xử lý hóa già (700-800℃) kết tủa pha γ'' (Ni₃Nb) và pha γ' (Ni₃Al), cải thiện đáng kể khả năng chống rão thông qua tăng cường kết tủa.
• Chuẩn hóa + tôi:
  Thích hợp cho thép chịu nhiệt peclit (ví dụ: 12Cr1MoV): Chuẩn hóa (950-1050℃) thu được cấu trúc peclit mịn, và tôi (750-800℃) loại bỏ ứng suất và ổn định cacbua, ngăn ngừa cầu hóa peclit dưới nhiệt độ cao trong thời gian dài (cầu hóa sẽ dẫn đến giảm độ bền hơn 50%).
• Xử lý ủ:
  Nó được sử dụng để loại bỏ ứng suất gia công (chẳng hạn như vùng ảnh hưởng nhiệt sau khi hàn), tinh chỉnh hạt và tránh sự bắt đầu của các vết nứt do mỏi nhiệt.

3. Tăng cường bề mặt

• Hợp kim hóa bề mặt:
  Alumin hóa và crom hóa (chẳng hạn như xử lý alumin hóa): Tạo thành một lớp giàu Al₂O₃ hoặc Cr₂O₃ (dày 50-200μm) trên bề mặt thép, làm tăng nhiệt độ chống oxy hóa lên 200-300℃ so với ma trận (ví dụ, thép 20G alumin hóa có thể hoạt động trên 800℃).
• Công nghệ phủ:
  Sử dụng lớp phủ gốm nhiệt độ cao (như Al₂O₃, ZrO₂) hoặc lớp phủ hợp chất liên kim loại (như NiAl), được điều chế bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD) hoặc phun plasma, vừa cách nhiệt vừa chống ăn mòn (độ dẫn nhiệt của lớp phủ chỉ bằng 1/10-1/20 so với thép).
• Nung chảy bề mặt bằng laser:
  Nung nóng và làm mát nhanh bề mặt bằng laser để tạo thành một lớp hạt mịn hoặc vô định hình, cải thiện độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn, và giảm bong tróc vảy oxit.

4. Kiểm soát vi cấu trúc

• Tối ưu hóa kích thước hạt:
  Hạt thô (với diện tích ranh giới hạt nhỏ) có thể làm giảm sự trượt ranh giới hạt và cải thiện độ bền rão (ví dụ, cánh tuabin sử dụng thép austenit hạt thô có tuổi thọ rão tăng 30%); hạt mịn có thể cải thiện độ dẻo dai và hiệu suất mỏi nhiệt (ranh giới hạt cản trở sự lan truyền vết nứt, ví dụ, ống trao đổi nhiệt sử dụng thép ferit hạt mịn có tuổi thọ mỏi nhiệt kéo dài 50%).
• Thiết kế cấu trúc kép:
  Chẳng hạn như thép kép ferit-austenit (ví dụ: 2205), ferit cung cấp khả năng chống oxy hóa tốt, austenit cung cấp độ bền cao, và nó có cả khả năng chống ăn mòn và chống rão (phạm vi nhiệt độ áp dụng rộng hơn 100-150℃ so với thép một pha).

Tóm tắt