Hoe werkt de volumefractie van Chi (χ)-faseprecipitatie bij 700 graden tijdens langdurig gebruik van 316L verwarmingsmantelbuizen Controlekamertemperatuur Impacttaaiheidsreductie

De brosmakende intermetallische fase werd gevormd bij 600-800 graden

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 (ductiel) tot<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.

Mechanisme van verbrossing van de Chi-fase

De χ-fase heeft een lichaamsgecentreerde kubieke (BCC) structuur met een grote eenheidscel (a≈ 8,9 Å) en is rijk aan molybdeen (gewoonlijk 20-30% Mo) en chroom (25-35% Cr). Het slaat bij voorkeur neer op korrelgrenzen, ferriet-austeniet-contacten en op insluitsels. De fase is hard en bros en de aanwezigheid ervan biedt gemakkelijke routes voor breuk langs de korrelgrenzen. In tegenstelling tot de sigmafase is de chi-fase een sterker brosmakend middel, omdat het kleine, dicht bij elkaar geplaatste deeltjes vormt die een continu bros netwerk vormen bij lagere volumefracties. Het maximum wordt waargenomen bij 700 graden en 1.000-5.000 uur veroudering, afhankelijk van het molybdeengehalte. Standaard 316L (2,0-2,5% Mo) is gevoelig; verhoogd molybdeen (2,5-3,0% Mo, dichtbij 317L) verhoogt de snelheid van chi-productie.

Kwantitatieve relatie tussen hitte-behandelde volumefractie en impacttaaiheid bij 700 graden

De voortgang van de verbrossing wordt bepaald door gecontroleerde veroudering van 316L-buizen bij 700 graden (neus van de chi-fase TTT-curve) met verschillende verouderingstijden, gevolgd door kwantificatie van de chi-fase (röntgendiffractie, SEM) en Charpy V--kerfslagtesten bij kamertemperatuur (20 graden).

Verouderingstijd bij 700 graden (u) Chi-fase Volumefractie (% Chi Deeltjesgrootte (nm) Neerslaglocatie Kamertemperatuur Impactenergie (J, Charpy V-notch) Breukoppervlak Uiterlijk aanbevolen voor service waar taaiheid nodig is
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 Breed, verouderd 5-10Extreem kwetsbaar Nee
TTT-diagram voor Chi-fase in 316L

Het TTT-diagram van de chi-fase in 316L (2,3% Mo) geeft aan dat de snelste neerslag optreedt bij 700 o C en dat de neus ongeveer 1.000-2.000 uur duurt.

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
Invloed van het molybdeengehalte op de snelheid van Chi-neerslag

Hoger molybdeen bevordert de precipitatie van de chi-fase. Lager molybdeen is goed voor gebruik bij 700 graden.

Molybdeengehalte (gew%) Tijd tot 1,0% Chi bij 700 graden (uur) Impactenergie na 2000 uur bij 700 graden (J) Aanbevolen maximale temperatuur gedurende 10.000 uur Levensduur 2,0 (minimaal 316) 1500-2,500 30-60 650 graad 2,2 (typisch 316L) 1000-1,800 25-50 640 graad 2,5 (maximaal 316L) 600-1,000 15-35 620 graad 2,8 (benadert 317L) 300-600 10-25 600 graad 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 graad Praktische aanbevelingen voor 316L verwarmingsmantels bij 700 graden gebruik

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) voor 316L verwarmingsmantels op of rond 700 graden zijn de volgende servicebeperkingen van toepassing.

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 (niet acceptabel)<600 310 or Inconel 600
Elk onderwerp dat onderhevig is aan thermische cycli. 50% tijdsbesparingBoven promoveren naar het volgende leerjaar
KARAKTERISERING VAN CHI-FASE-VERBESTERING

Drie methoden meten de chi-faseverbrossing voor verwarmingstoestellen die op 600-750 graden hebben gewerkt. Eerst het testen van de hardheid. Door de chi-fase-ontwikkeling neemt de hardheid toe van 160-180 HV naar 220-300 HV. De tweede is veldmetallografie (replica). Een gepolijst en geëtst oppervlak, gezien bij 500-1000, kan chi-precipitaten vertonen aan de korrelgrenzen. De derde is een vereenvoudigde impacttest. Als een deel van de verwarmer kan worden verwijderd, kan een kleine Charpy-test met kleine afmetingen het taaiheidsverlies beoordelen. Röntgendiffractie (XRD) of SEM/EDS is de definitieve manier om de chi-fase direct te identificeren.

Conclusie: Definieer servicelimieten om Chi-verbrossing te voorkomen

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 tot 30-60 J (brosse breuk). Ingenieurs die 316L-mantels specificeren voor gebruik boven 650 graden moeten de totale tijd bepalen die wordt doorgebracht in het gebied van 600-750 graden en deze vergelijken met de beperkingen die worden weergegeven in het TTT-diagram. Voor 1000 tot 2000 uur bij 700 graden of 5000 tot 10.000 uur bij 650 graden wordt aanbevolen om te upgraden naar 347 (niobium-gestabiliseerd, vormt geen chi) of 310 roestvrij staal (volledig austenitisch, hoger chroom). De hier voorgestelde aanpak relateert het volumepercentage van de chi-fase aan meetbaar verlies aan taaiheid bij kamertemperatuur en stelt kopers in staat temperatuur-tijdbeperkingen in te stellen die verbrossing van 316L-verwarmingsmantels bij langdurig gebruik bij hoge temperaturen uitsluiten.