چگونه کسری حجمی فاز Laves (Fe2Mo) در دمای 650 درجه در طول خدمات طولانی مدت-سرویس طولانی مدت لوله غلاف بخاری 316 لیتری کاهش شکل پذیری پارگی خزش را کنترل می کند

اثر مولیبدن{0}}فاز بین فلزی غنی بر شکنندگی

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20% (نشکن) به<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

مکانیسم تردی فاز لاوس

فاز Laves (Fe2Mo) یک ساختار شش ضلعی بسته-بسته شده (HCP)، غنی از مولیبدن (Mo 35-45٪) و سیلیکون (Si 3-5٪) است که از ماتریکس آستنیت فوق اشباع در مواجهه طولانی مدت در 550-700 درجه رسوب می کند. سینتیک بارش در مقایسه با فاز چی با بیش از 1000-2000 ساعت در دمای 650 درجه سانتیگراد برای دستیابی به کسر حجمی قابل توجهی کند است. فاز سخت و شکننده است و وجود چنین فازهایی منجر به مسیرهای شکست آسان می شود، به ویژه زمانی که مرز دانه ها را زیبا می کنند. بر خلاف فازهای چی و سیگما که استحکام را نیز کاهش می دهند، فاز لاوس عمدتاً مواد را شکننده می کند و ظرفیت تغییر شکل پلاستیکی را قبل از گسیختگی کاهش می دهد. این امر به ویژه در غلاف بخاری مضر است زیرا علامت معمولی خرابی تورم (افزایش قطر) به دلیل خزش است. در تردی فاز Laves، پارگی می‌تواند به سرعت و بدون تغییر شکل آشکار قبلی اتفاق بیفتد.

همبستگی کمی بین کسر حجمی فاز Laves و شکل‌پذیری گسیختگی در 650 درجه

پیری کنترل شده لوله 316 لیتری (2.2 درصد وزنی مو، 0.02 درصد وزنی C، 0.08 درصد وزنی N) در دمای 650 درجه برای حداکثر 20000 ساعت، و به دنبال آن آزمایش گسیختگی خزشی در 650 درجه و 80 مگاپاسکال، ریزش فاز لاوس و ریزش دودی زیر را نشان داده است.

زمان پیری (ساعت) 650 درجه کسر حجمی فاز Laves (%) اندازه ذرات فاز Laves (nm) بارش محل پارگی خزش طولی در 650 درجه (%) حالت پارگی توصیه شده برای خدماتی که نیاز به شکل‌پذیری دارد (هشدار بالا قبل از شکست)
0 (بازپخت شده) 0 خیر هیچ 20-30 شکل پذیر (ترانس دانه ای) بله 1000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 گسترده<2 Extremely brittle No 
تأثیر محتوای مولیبدن بر سینتیک بارش لاوس

میزان بارش فاز لاوس متناسب با غلظت مولیبدن است. Mo کمتر (2.0-2.2%) برای مقاومت در برابر شکنندگی Laves خوب است.

محتوای مولیبدن (% وزنی) زمان تا 1.0% در 650 درجه (ساعت) افزایش طول پارگی خزشی پس از 10000 ساعت در 650 درجه (%) حداکثر دمای سرویس توصیه شده برای 10000 ساعت طول عمر فولاد محدوده دمایی محدوده دمایی فولاد عمر 650 درجه (20 دقیقه محدوده دمایی . (نوع 316L) 4000-6000 4-6 630 درجه 2.4 2500-4000 3-5 620 درجه 2.5 (حداکثر 316 لیتر) 1500-3000 2-4 610 درجه 2.8 (نزدیک به 317 لیتر) 800-1500 1-3 600 درجه توصیه‌های عملی برای غلاف‌های گرمکن 316 لیتری در سرویس 650 درجه

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
تایید فاز Laves و کاهش شکل پذیری

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20 درصد به<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

نتیجه‌گیری: برای جلوگیری از شکنندگی Laves، محدودیت‌هایی برای محتوای Mo و شرایط خدمات ارائه کنید.

برای غلاف بخاری فولادی ضد زنگ 316 لیتری که در فاز Laves 650 درجه (Fe2Mo) کار می کنند پس از 2000-6000 ساعت رسوب می کنند و پس از 5000-10000 ساعت به کسر حجمی 0.6-1.5٪ می رسند. در این سطوح، شکل‌پذیری گسیختگی خزشی از 20% به 5-8% کاهش می‌یابد. این منجر به شکست شکننده (پارگی ناگهانی بدون سابقه) به جای شکست شکل پذیر (هشدار تورم قابل مشاهده) می شود. طول عمر غلاف 316L محدود به<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >10000 ساعت در 650 درجه، ارتقاء را به 347 (نیوبیوم تثبیت شده و فاز Laves تولید نمی کند) یا فولاد ضد زنگ 310 را در نظر بگیرید. چارچوب ارائه شده در اینجا، کسر حجمی فاز Laves را به کاهش شکل‌پذیری گسیختگی خزشی در 650 درجه مرتبط می‌کند و به مشتریان اجازه می‌دهد تا شیمی مواد و حداکثر مدت زمان خدمات را تعریف کنند که از خرابی شکننده در خدمات گرم‌کن دمای بالا طولانی‌مدت جلوگیری می‌کند.