Hvernig virkar rúmmálshlutfall Chi (χ) fasa úrkomu við 700 gráður meðan á langtímaþjónustu 316L hitaslíðurslöngur stendur við 700 gráður

Stökkvandi millimálmfasinn myndaðist við 600-800 gráður

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (sveigjanlegt) til<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Vélbúnaður til að skemma Chi fasa

χ fasinn hefur líkamsmiðaða rúmmassa (BCC) uppbyggingu með stórri einingafrumu (a≈ 8,9 Å) og er ríkur af mólýbdeni (venjulega 20-30% Mo) og króm (25-35% Cr). Það fellur helst út við kornmörk, ferrít-austenít snertingu og við innfellingar. Fasinn er harður og brothættur og nærvera hans veitir þægilegar leiðir fyrir brot meðfram kornamörkum. Ólíkt sigma fasa er chi fasi sterkari stökkvandi efni þar sem hann myndast sem litlar, þéttar agnir sem mynda samfellt brothætt net við lægra rúmmálsbrot. Hámarkið sést við 700 gráður og 1.000-5.000 klukkustundir af öldrun eftir mólýbdeninnihaldi. Standard 316L (2,0-2,5% Mo) er næmt; aukið mólýbden (2,5-3,0% Mo, nálægt 317L) eykur hraða kí framleiðslu.

Magnbundið samband á milli hita-meðhöndlaðs rúmmálshlutfalls og höggþols við 700 gráður

Brokunarframvinda ákvarðað með stýrðri öldrun 316L slöngu við 700 gráður (nef kífasa TTT ferill) með mismunandi öldrunartíma fylgt eftir með kí fasa magngreiningu (röntgengeislun, SEM) og Charpy V-hakáhrifaprófun við stofuhita (20 gráður).

Öldrunartími við 700 gráður (h)Chi fasa rúmmálshlutfall (%Chi kornastærð (nm) Úrkoma Staður Herbergishiti Áhrifsorka (J, Charpy V-hak) Brot yfirborðsútlit Mælt með fyrir þjónustu þar sem seigja er þörf
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Breiður, ofvaxinn 5-10Mjög viðkvæmt nr
TTT skýringarmynd fyrir Chi Phase í 316L

TTT skýringarmyndin af chi fasanum í 316L (2,3% Mo) gefur til kynna að hraðasta úrkoman sé við 700 o C og nefið er um 1.000-2.000 klst.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Áhrif mólýbdensinnihalds á hraða kí-úrkomu

Hærra mólýbden stuðlar að útfellingu chi fasa. Lægra mólýbden er gott fyrir þjónustu við 700 gráður.

Mólýbdeninnihald (wt%) Tími að 1,0% Chi við 700 gráður (klst.) Höggorka eftir 2.000 klst. við 700 gráður (J) Ráðlagður hámarkshiti í 10.000 klst. Líftími 2.0 (lágmark 316) 1.500-2,500 30-60 650 (venjulegt) 2,6 gráður 1.000-1,800 25-50 640 gráðu 2,5 (hámark 316L) 600-1,000 15-35 620 gráðu 2,8 (nálægst 317L) 300-600 10-25 600 gráðu 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 gráðu Hagnýtar ráðleggingar fyrir 316L hitari þjónustu við 70 gráður

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) fyrir 316L hitaslíður við eða í kringum 700 gráður, eftirfarandi þjónustutakmarkanir eiga við.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (ekki ásættanlegt)<600 310 or Inconel 600
Hvaða efni sem er fyrir hitahjólreiðar50% tímasparnaður Ofan Fara í næsta bekk
EIGINLEIKUR CHI-FASABRÖKKUNAR

Þrjár aðferðir mæla chi-fasabrot fyrir hitara sem hafa verið notaðir við 600-750 gráður. Í fyrsta lagi hörkuprófunin. Hörkan eykst úr 160-180 HV í 220-300 HV vegna chi-fasaþróunarinnar. Annað er málmfræði á sviði (eftirmynd). Slípað og ætið yfirborð sem sést við 500-1.000 getur sýnt kí-útfellingar við kornmörkin. Þriðja er einfaldað höggpróf. Ef hægt er að fjarlægja hluta af hitaranum getur lítið Charpy próf metið seigjutap. Röntgengeislun (XRD) eða SEM/EDS er endanleg leið til að bera kennsl á chi fasa beint.

Ályktun: Skilgreindu þjónustumörk til að koma í veg fyrir chi-brjótingu

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J til 30-60 J (brotið brot). Verkfræðingar sem tilgreina 316L slíður fyrir þjónustu yfir 650 gráður ættu að ákvarða heildartíma sem varið er á 600-750 gráðu svæðinu og bera það saman við takmarkanirnar sem sýndar eru á TTT skýringarmyndinni. Fyrir 1000 til 2000 klukkustundir við 700 gráður eða 5000 til 10000 klukkustundir við 650 gráður er mælt með því að uppfæra í 347 (níóbíum stöðugt, myndar ekki chi) eða 310 ryðfríu stáli (alveg austenítískt, hærra króm). Aðferðin sem lögð er til hér tengir kí fasa rúmmálshlutfalli við mælanlegt stofuhitaáhrif seigleikataps og gerir kaupendum kleift að koma á hita-tíma takmörkunum sem koma í veg fyrir að 316L hitari slíður skemmist við langvarandi háhitanotkun.