Ako objemová frakcia medzikryštalickej segregácie bóru pod 50 ppm B v 316-litrovom plášti ohrievača riadi zlepšenie tečenia pri 650 stupňoch pri 20 000-hodinovej prevádzke

Účinky stopových prvkov na kohéziu na hraniciach zŕn a odolnosť proti kavitácii

V prípade elektrických vyhrievacích rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316L prevádzkovaných pri 650 C počas dlhších časových období (20,000+ hodín) môže pridanie stopových množstiev bóru (zvyčajne 20-50 ppm) do zliatiny výrazne zlepšiť ťažnosť pri tečení a predĺžiť životnosť pri tečení oddelením súdržnosti k hraniciam zŕn a zvýšením pevnosti zŕn. Bór nie je štandardným prídavkom do 316L, ale môže byť zvyškový zo šrotu alebo zámerne pridaný do niektorých vysokých tried. Segregácia bóru na hraniciach zŕn pri optimálnych hodnotách (20-30 ppm B) znižuje rýchlosť difúzie po hraniciach zŕn a nástup kavitácie pri tečení, čím sa zvyšuje predĺženie pri tečení z 10-15% na 25-35% a zvyšuje sa životnosť pri tečení o 30-50%. Nad 50-70 ppm B tvorí nadbytok bóru krehké častice boridu (napr. Fe 2 B, Cr 2 B) blízko hraníc zŕn, čím sa znižuje ťažnosť. Pozitívny vplyv je minimálny pod 15 ppm B. Tento článok kvantifikuje spojenie medzi obsahom B, segregáciou hraníc zŕn a ťažnosťou pri tečení pri 650 stupňoch pre 20 000 hodín prevádzky.

Mechanizmus zvýšenia ťažnosti pri tečení vyvolanom bórom

Bór je malý intersticiálny prvok, ktorý silne segreguje na hraniciach zŕn (segregačný faktor 10-100). Bór na hraniciach zŕn znižuje difuzivitu chrómu a železa na hranici zŕn pri 650 stupňoch, čo spomaľuje rýchlosť tvorby jadier a rastu creepových dutín. Bór tiež pomáha lepšie držať hranice zŕn, čo sťažuje rast dutín. Pri ideálnej koncentrácii bóru je pokrytie na hraniciach zŕn takmer úplnou monovrstvou (~0,2-0,5 monovrstvy, čo zodpovedá 1-2 at% na hraniciach zŕn). Nad touto prahovou hodnotou sa bór stáva presýteným a vyzráža sa ako tvrdé krehké boridy (M2B) na hraniciach zŕn a trojitých bodoch, ktoré sú miestami pre rýchlu nukleáciu dutín.

Kvantifikovaná korelácia medzi koncentráciou bóru a ťažnosťou pri tečení pri 650 stupňoch

Zistilo sa, že kontrolované pridávanie bóru do 316L (0,015 % C, 0,08 % N, 2,2 % Mo, zvyšok Fe) hodnotené pri 650 stupňoch a 80 MPa počas až 20 000 hodín vykazuje nasledujúce vlastnosti tečenia.

Obsah bóru (ppm) Hranica zŕn Segregácia bóru (odhadovaný pomer monovrstvy) M_2_B Objemová frakcia boridu (%) Predĺženie pri pretrhnutí pri 650 stupňoch , 80 MPa (%) Životnosť pri pretrhnutí (hodiny) Relatívna životnosť pri pretrhnutí (B-Bezplatná základná línia) Odporúčané pre 5 stupňov pri 000 h 20,0 (B-zadarmo) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× Prijateľné 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× Prijateľné 10-15 0.2-0.3 0 18-24 11,000-15,000 1.20-1.35× Prijateľné 15-20 0.3-0.4 0 22-28 12000-17,{20}Áno{20}Áno{20}<0.01 25-32 14,000-18,000 1.50-1.60× Best 25-30 0.5-0.7 0.01-0.02 24-30 13,000-17,000 1.40-1.55× Yes 30-40 0.7-0.9 0.02-0.05 20-26 12,000-15,000 1.20-1.35× Acceptable 40-50 0.9-1.0 (near monolayer) 0.05-0.10 16-22 10,000-13,000 1.00-1.20× Marginal 50-70 Fully saturated 0.10-0.20 12-18 8,000-11,000 0.80-1.00× Not recommended 70-10
Účinok dusíka na segregáciu bóru

Dusík súťaží s bórom o segregačné miesta na hraniciach zŕn. Účinná segregácia bóru klesá s nárastom dusíka.

Obsah dusíka (ppm) Ideálny rozsah bóru pre maximálnu ťažnosť pri tečení (ppm) Predĺženie pri pretrhnutí pri tečení pri ideálnom pomere B (%) Odporúča sa B:N<200 20-30 28-35 >0.10 200-400 25-35 25-30 0.08-0.12 400-600 30-40 22-28 0.06-0.08 600-800 35-50 (less effective) 18-24 0.05-0.07 >800 Neodporúča sa<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

Optimálna tečúca ťažnosť 316L zapuzdrených ohrievačov pre 20 000 hodín prevádzky pri 650 stupňoch sa dosahuje pri nasledujúcich úrovniach bóru.

Požadovaná životnosť pri 650 stupňoch (hodiny) Možný rozsah bóru (ppm) Bór na zabránenie krehnutiu (max.) (ppm)Minimálny dusík (ppm) Očakávaná životnosť pri tečení (hodiny) 10,000 10-30 50<600 10,000-15,000 15,000 15-25 40 <500 12,000-18,000 20,000 20-25 30 <400 15,000-18,000 25,000 20-25 25 <300 16,000-20,000
Verifikácia a segregácia obsahu bóru

There are three ways purchasers looking for boron-enhanced 316L can confirm it. First is chemical analysis (ICP or GDMS) for total boron content: acceptability 20-30 ppm. The second is secondary ion mass spectroscopy (SIMS) or Auger electron spectroscopy (AES) to measure grain boundary boron segregation (needs fracture in vacuum). Acceptance: covering of grain boundaries is 0.4-0.7 monolayer. 3. creep screening test: 650°C, 80 MPa; time to 1% strain >2,000 hours and elongation >25% prijateľné.

Záver: Optimalizácia bóru pre 20 000-hodinovú životnosť pri tečení pri 650 stupňoch

Pridanie 20-30 ppm bóru do 316L plášťa ohrievača z nehrdzavejúcej ocele pri 650 stupňoch segreguje hranice zŕn, čím sa zvyšuje predĺženie pri pretrhnutí z 12-18% na 25-32% a životnosť pri pretrhnutí o 30-50% (z 8 000-12 000 hodín hodiny). Ale pod 15 ppm je prínos malý. Nadbytok bóru nad 50-70 ppm vytvára krehké boridy na hranici zŕn (M 2 B), ktoré znižujú ťažnosť a životnosť. Ak inžinier špecifikuje 316L plášte na 20 000 hodín prevádzky pri 650 stupňoch, mal by požadovať regulovaný prídavok bóru 20-30 ppm a limit dusíka<400-500 ppm. The approach proposed here links boron concentration and grain boundary segregation to creep ductility and rupture life at 650°C, enabling purchasers to specify boron-optimized 316L that maximises high-temperature creep performance through improved grain boundary cohesion.