Kako volumski delež intergranularne segregacije bora pod 50 ppm B v 316L cevi grelnega plašča nadzoruje izboljšanje duktilnosti pri lezenju pri 650 stopinjah za 20.000-urno uporabo

Učinki elementov v sledovih na kohezijo meje zrn in odpornost proti kavitaciji

Za električne grelne cevi, oplaščene iz nerjavečega jekla 316L, ki delujejo pri 650 C za daljša časovna obdobja (20,000+ ur), lahko dodatek bora v sledovih (običajno 20-50 ppm) zlitini znatno izboljša duktilnost pri lezenju in podaljša življenjsko dobo pretrganja pri lezenju z ločevanjem na mejah zrn in izboljšanjem kohezije meja zrn. Bor ni standardni dodatek k 316L, ampak je lahko ostanek iz odpadkov ali namenoma dodan v nekaterih visokih stopnjah. Ločevanje bora na mejah zrn pri optimalnih vrednostih (20-30 ppm B) zmanjša hitrost difuzije meja zrn in pojav kavitacije pri lezenju, kar povzroči povečanje raztezka pri pretrganju pri lezenju z 10-15 % na 25-35 % in podaljša življenjsko dobo pri pretrganju pri lezenju za 30-50 %. Nad 50-70 ppm B presežek bora tvori krhke delce borida (npr. Fe 2 B, Cr 2 B) blizu meja zrn, kar zmanjšuje duktilnost. Pozitiven vpliv je minimalen pod 15 ppm B. Ta članek kvantificira povezavo med vsebnostjo B, segregacijo meja zrn in duktilnostjo pri lezenju pri 650 stopinjah za 20.000 ur delovanja.

Mehanizem z borom povzročenega povečanja duktilnosti pri lezenju

Bor je majhen intersticijski element, ki se močno loči do meja zrn (segregacijski faktor 10-100). Bor na mejah zrn zniža difuzivnost kroma in železa na mejah zrn pri 650 stopinjah, kar upočasni hitrost nukleacije in rasti plazilnih votlin. Bor tudi pomaga, da se meje zrn bolje držijo skupaj, kar otežuje rast votlin. Pri idealni koncentraciji bora je pokritost na mejah zrn skoraj popolna enoslojna (~0,2-0,5 monosloja, kar ustreza 1-2 at% na mejah zrn). Nad tem pragom postane bor prenasičen in se izloči kot trdi krhki boridi (M2B) na mejah zrn in trojnih točkah, ki so mesta za hitro nukleacijo votlin.

Kvantificirana korelacija med koncentracijo bora in duktilnostjo pri lezenju pri 650 stopinjah

Ugotovljeno je bilo, da kontrolirani dodatki bora k 316L (0,015 % C, 0,08 % N, 2,2 % Mo, ravnotežje Fe), ocenjeni pri 650 stopinjah in 80 MPa do 20.000 ur, kažejo naslednje lastnosti lezenja.

Vsebnost bora (ppm) Meja zrn Segregacija bora (ocenjeni delež monosloja) M_2_B Volumski delež boridov (%) Raztezek zaradi pretrganja pri lezenju pri 650 stopinjah, 80 MPa (%) Življenjska doba pretrganja pri lezenju (ure) Relativna življenjska doba pri pretrganju (B-prosta osnovna linija) Priporočeno za 20.000 h storitev pri 650 stopinjah 0 (B-brezplačno) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× Sprejemljivo 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× Sprejemljivo 10-15 0.2-0.3 0 18-24 11,000-15,000 1.20-1.35× Da 15-20 0.3-0.4 0 22-28 12,000-17,000 1.35-1.50× Da 20-25 0.4-0.5<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
Vpliv dušika na segregacijo bora

Dušik tekmuje z borom za ločevalna mesta na mejah zrn. Učinkovita segregacija bora se zmanjša s povečanjem dušika.

Vsebnost dušika (ppm) Idealno območje bora za največjo duktilnost pri lezenju (ppm) Raztezek pri raztrganju pri lezenju pri idealnem B (%) Priporočeno razmerje 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 Ni priporočljivo<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

Optimalna duktilnost lezenja grelnikov v ohišju 316L za 20.000 ur delovanja pri 650 stopinjah je dosežena pri naslednjih ravneh bora.

Želena življenjska doba pri 650 stopinjah (ure) Možno območje bora (ppm) Bor za preprečevanje krhkosti (maks.) (ppm) Najmanjši dušik (ppm) Pričakovana življenjska doba lezenja (ure) 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
Preverjanje in ločevanje vsebnosti bora

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 % sprejemljivo.

Zaključek: Optimizacija bora za 20.000-urno življenjsko dobo lezenja pri 650 stopinjah

Dodatek 20-30 ppm bora grelnim plaščem iz nerjavečega jekla 316L pri 650 stopinjah loči do meja zrn, s čimer se poveča raztezek pretrganja pri lezenju z 12-18 % na 25-32 % in življenjska doba pretrganja za 30-50 % (od 8.000 do 12.000 ur do 12.000-18.000 ur). Toda pod 15 ppm je korist majhna. Presežek bora nad 50-70 ppm ustvarja krhke mejne boride zrn (M 2 B), ki zmanjšujejo duktilnost in dolgo življenjsko dobo. Če inženir določa ovoje iz 316L za 20.000 ur delovanja pri 650 stopinjah, bi moral zahtevati reguliran dodatek bora 20-30 ppm in omejitev dušika<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.