Jak objemový zlomek z -fáze (CrVN) precipitace v 347 ohřívací trubici po 50 000 hodinách při 600 stupních řídí snížení dlouhodobé-tečení pevnosti při protržení

Komplexní nitridová fáze a její degradace creepových vlastností

Srážení Z-fáze (CrVN, komplexní nitrid chrom-vanadium) může nastat v případě 347 elektrických topných trubek s pláštěm z nerezové oceli (stabilizované Nb{2}}), které pracují při 600 stupních po velmi dlouhou dobu (50,{5}} hodin), například v pecích s dlouhými zbytkovými články, vanadiem nebo elektrárnách s dlouhou životností jako průmyslová elektrárna (obvykle 0,10-0,20 % V). Na rozdíl od NbC, který vykazuje stabilní zpevnění, se Z-fáze vysráží zpočátku jako jemné částice (10-30 nm), které přispívají k pevnosti při tečení, ale po 20 000-30 000 hodinách při 600 stupních Z-fáze Z-fáze spotřebovává další coarsens (na 100 nm) a destabilizující dusík spotřebovává také vanadium a 500-5 vysráží. Čistým výsledkem po 50 000 hodinách je ztráta meze pevnosti při tečení o 30-50 % vzhledem k materiálu bez vanadu. Pod 0,05 % V je generace Z-fáze nevýznamná a pevnost při tečení je stabilní. V této práci je kvantifikována korelace mezi zbytkovým obsahem vanadu a objemovým podílem fáze Z po 50 000 hodinách při 600 stupních a ztrátou meze pevnosti při tečení.

Mechanismus křehnutí fáze Z-

Z-fáze (CrVN) je tetragonální sloučenina složená z chrómu, vanadu a dusíku. Sráží asi 500-700 stupňů . Z-fáze hrubne Ostwaldovým zráním během dlouhodobého stárnutí. Růst částic fáze Z- spotřebovává matrici vanad (vytváří VC) a dusík (vytváří Cr2N nebo NbN). Pevnost při tečení je snížena změkčením matrice a přítomností velkých, křehkých částic Z-fáze. Tento dopad je nejzřetelněji patrný po 30 000 až 50 000 hodinách, kdy jsou částice fáze Z větší než 200 až 300 nm.

Kvantitativní závislosti obsahu vanadu, Z-fáze objemového zlomku a pevnosti při tečení

Řízené dlouhodobé- stárnutí trubek 347 (0,45 % Nb, 0,06 % C, 0,08 % N) s různým zbytkovým vanadem při 600 stupních po dobu 50 000 hodin a následné zkoušky tečením při 600 stupních a 80 MPa určily následující ztráty pevnosti.

Obsah vanadu (hmot. %) Z-Fázový objemový zlomek po 50 000 h při 600 stupních (%) Z-Velikost fázových částic po 50 000 h (nm) Pevnost při tečení při 600 stupních , 80 MPa (h) Základní tečení 90}000 000 zdarma po dobu provozu na 600 stupňů<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
Vliv Nb a N na tvorbu Z-fáze

Více niobu stabilizuje NbN a NbCN a snižuje Z-fázi. Vyšší množství dusíku urychluje Z-fázi.

hm. % niobu hm. % dusíku hm. 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000-18,000 Marginální 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000-22,000 Přijatelná praktická doporučení pro 50 000hodinovou službu při 600 stupních

Omezení vanadu a niobu pro 347 opláštěných ohřívačů pro 50 000 hodin provozu při 1100 F.

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Z-ověření fázových srážek

Pro kupující, kteří chtějí dlouhodobou pevnost při tečení, jsou k dispozici dvě metody. První je chemické vyšetření obsahu vanadu (pomocí ICP nebo OES) s přijatelností<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

Závěr: Specifikace s nízkým obsahem vanadu pro životnost 50 000 hodin tečení

V ohřívacích pláštích z nerezové oceli 347 pracujících při 600 stupních po dobu 50 000 hodin je pozorováno vysrážení Z-fáze (CrVN), dokonce i se zbytkovým vanadem tak nízkým, jak je 0,10-0,15 %. Z-fáze hrubne na 150-600 nm a snižuje mez pevnosti při tečení o 20-50 % ve srovnání s materiálem bez vanadu. Inženýři specifikující 347 pouzder pro ultradlouhodobé použití (30 000–50,000+ hodin) by měli omezit vanad na<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50 % k inhibici vývoje Z-fáze. Zde vyvinutá konstrukce spojuje koncentraci vanadu, objemové procento Z-fáze a pokles pevnosti při tečení při 600 stupních. Tento rámec mohou zákazníci použít k definování 347 chemických látek, které si zachovají pevnost při tečení po dobu životnosti designu půl století.