Süpermartensitik Paslanmaz Çeliklerde HAZ Mikroyapıları

Süpermartensitik paslanmaz çelikler, özellikle petrol ve gaz akış hatları için çekici olan yüksek mukavemet, korozyon direnci ve kaynaklanabilirlik kombinasyonu sunar. Yaklaşık %13 Cr4Ni içeren daha geleneksel nikel alaşımlı, yumuşak martensitik paslanmaz çeliklerle karşılaştırıldığında, daha düşük bir karbon seviyesine (≥%0.03'e kıyasla yaklaşık %0.01), korozyon direncini artırmak için molibden ilavesine (tipik olarak %2) sahiptirler. Nikel içeriğinde bir artış (tipik olarak %56.5'e kadar). Az veya hiç molibden ve daha az nikel içeren yalın süpermartensitik kaliteler ve ara kaliteler de mevcuttur. Bazı kaliteler ayrıca ikincil sertleşmeyi sınırlamak için küçük bir titanyum ilavesine sahiptir.

Ön ısıtma ve kaynak sonrası ısıl işleme gerek kalmadan iyi HAZ tokluğuna sahip çatlaksız kaynakların yapılabileceğini gösteren önemli miktarda veri vardır. Bu nedenle, çeliklerin yaygın olarak iyi 'kaynaklanabilirliğe' sahip olduğu kabul edilir. Bununla birlikte, bir dizi HAZ korozyonu ve stres korozyonu sorunu devam etmektedir ve bunları ele almak için HAZ mikroyapı gelişiminin daha iyi anlaşılmasına ihtiyaç vardır. Ne yazık ki, HAZ mikro yapısı çok ince bir ölçektedir ve ilgili tüm özellikler, HAZ davranışının anlaşılmasını engelleyen bir optik ışık mikroskobu altında tam olarak çözülemez.
 

Ana çelikler temperlenmiş durumda tedarik edilir. Kesin ayrıntılar tescilli olmakla birlikte, çelikler tipik olarak, bir karbür popülasyonu içeren temperlenmiş martensit ile birlikte birkaç yüzde kararlı geri dönüştürülmüş östenit içerir. Yayınlanmış literatür, tavlama Ac1'in yaklaşık 100°C üzerinde yapılırsa, %4-6Ni içeren %13 Cr çelikte %20-30 kararlı östenit elde etmenin mümkün olduğunu gösterir. Hem krom hem de molibden, V ve Ti gibi küçük elementlerle birlikte tavlama sırasında karbürlere dahil edilebilir. Geleneksel nikel alaşımlı martensitik paslanmaz çelikler için, M2C ve M7C3 (M bir metal atomudur) 400 ila 450°C aralığında oluşur ve ikincil sertleşmeye katkıda bulunurken, M23C6 500°C'nin üzerinde baskındır. M2C, Mo'nun mevcudiyeti ile stabilize edilir, bu nedenle Mo alaşımı, tavlamada ikincil sertleşmeyi teşvik eder. %2.7 Mo ile süpermartensitik paslanmaz çelikte bir kaynağın kaba taneli HAZ'sinin 620-680°C'de temperlenmesinin ağırlıklı olarak molibden karbürler verdiği bildirilmiştir.
 

 

HAZ, farklı mikro yapılara sahip birkaç bölgeye bölünebilir. Isıtmada dönüşüm sırası aşağıdaki gibidir. Ac1'in altında bir miktar tavlama, yani karbür çökelmesi meydana gelebilir. Ac1'in üzerinde martensit östenite dönüşür ve östenit oranı çelik Ac3'te tamamen östenitik olana kadar artar. Bu sıcaklık aralığında kalan martenzit temperlenecektir. Delta ferrit oluşumunun başladığı Ac4'e kadar tek fazlı bir ostenit aralığı vardır. Ac5'te mikro yapı tamamen ferritik hale gelir ve erime noktasına kadar tek fazda kalır. Soğutmada, elde edilen mikro yapı, ulaşılan en yüksek HAZ sıcaklığını yansıtır ve beş farklı HAZ bölgesi tanımlanabilir:

(i) tamamen delta ferrit olan (>Ac5, >1370-1420°C civarında),

(ii) delta ferrit ve ostenit karışımı olan (1330-1370°C ila 1350-1420°C civarında olan Ac4-Ac5),

(iii) tamamen ostenit olan (720-800°C ila 1330-1370°C civarında olan Ac3-Ac4),

(iv) östenit ve martensit karışımı olan (540-680°C ila 720-800°C civarında olan Ac1-Ac3) ve

(v) Ac1'i aşmayan ancak karbür çökeltme için minimum sıcaklığı aşan, yani yaklaşık 400°C.

En Yüksek Sıcaklıkta Tamamen Delta Ferrit Olan HAZ

Süpermartensitik paslanmaz çelikler için Ac4 ve Ac5 sıcaklıkları ile ilgili yayınlanmış çok az veri vardır, ancak MTDATA kullanılarak hesaplanan bazı değerler rapor edilmiştir, bu da zayıf bir paslanmaz çelik için Ac4 için 1240-1280°C ve Ac5 için 1270-1300°C aralığında sıcaklıkları gösterir. (11Cr1.5Ni) ve yüksek alaşımlı (12Cr6.5Ni2.5Mo) bir kalitedir. Aynı çelikler için sonraki ölçümler, gerçek sıcaklıkların tahmin edilenden biraz daha yüksek olduğunu göstermiştir, 10°C/s'lik bir ısıtma hızı için Ac4 için 1330-1370°C ve Ac5 için 1350-1420°C. Bu sıcaklıklar çok yüksek ve erime noktasına yaklaşıyor. Sonuç olarak, tamamen ferritik bölge dardır, geleneksel TIG/MIG kaynak işlemleri için tipik olarak 100-200 mikrondur. Bu bölge, ferrit fazındaki hızlı difüzyon nedeniyle tane büyümesi sergiler ve daha sonraki soğutmada östenit, ana bileşenden daha iri tane boyutunu korur. Bununla birlikte, önceki ostenit ve önceki deltaferrit tane yapılarını belirlemek, optik ışık mikroskobu ile zordur. Sonuç olarak, bu bölge aynı zamanda taneli iri HAZ olarak da adlandırılabilir. Soğutmada, delta ferrit içindeki östenit büyümesi, doğada bir miktar allotriomorfik ve tane içi östenit ile ağırlıklı olarak Widmanstatten'dir (Thomson yapıları). Delta ferrit filamentleri, daha yüksek alaşım derecelerinde oda sıcaklığına kadar önceki östenit birimleri arasında tutulduğundan ve mikroanaliz, delta ferritin Cr ve Mo'da zenginleştiğini ve Ni'nin tükendiğini gösterdiğinden, soğutmada östenit oluşumu görünüşte ikame elementlerin difüzyonu ile kontrol edilir. Delta ferrit retansiyonu, muhtemelen, ısıtma sırasındaki zıt reaksiyonla karşılaştırıldığında, soğutma sırasında ferritten östenite dönüşüm sırasında ikame edici elementlerin östenite geri difüzyonunun düşük hızının bir sonucudur. Daha yüksek molibden ve nikel seviyelerine sahip çelikler, zayıf alaşımlardan daha yüksek hacimli delta ferrit fraksiyonlarını tutar. Tutulan delta ferritin hacim oranı gerçek HAZ'larda küçüktür, tipik olarak %10'un oldukça altındadır, ancak ön çalışmalar fırın ısıl işlem görmüş numunelerde daha yüksek seviyeler (%10 delta ferriti aşan) göstermiş ve soğutma hızıyla zayıf bir bağlantı göstermiştir. Kaynak parametrelerinin ve ortaya çıkan termal döngünün HAZ mikro yapısı üzerindeki etkisini belirlemek için ek çalışma gereklidir. Soğutmada, ferrit tercihen çelikte önceden var olan ayrışma alanlarında tutulur. Enerhaug ve diğerleri, HAZ'ın bu bölgesinde, muhtemelen önceden var olan segregasyonla da ilişkili olan kısmi erime bildirmiştir.

En Yüksek Sıcaklıkta Delta Ferrit ve Östenitin Karıştırıldığı HAZ

Tepe sıcaklıkta kısmen ferritik olan HAZ bölgesi, muhtemelen, tepe sıcaklıkta kalan östenitin deltaferrit tane büyümesini önlediğini gösteren, önceden kayda değer bir östenit tane irileşmesine dair herhangi bir kanıt göstermez. Ac4 ve Ac5 arasındaki küçük sıcaklık aralığı nedeniyle, bu bölge tipik bir TIG/MIG kaynağı için 50-100 mikron genişliğinde dardır. Soğutma üzerine ostenit reformasyonu görünüşte bu bölgede doğada Widmanstatten değildir, ancak bu bölgedeki mikro yapının inceliği nedeniyle büyüme morfolojisinin belirlenmesi zordur. Bununla birlikte, soğutmada delta ferrit bir kez daha tipik olarak %10'dan daha düşük bir seviyede oda sıcaklığında tutulur. Bu durumda, delta ferrit morfolojisi, muhtemelen önceki ostenit tanelerine göre görünüşte taneler arasıdır ve Cr ve Mo'nun zenginleşmesi ve Ni'nin tükenmesi bir kez daha gözlenir.

En Yüksek Sıcaklıkta Tamamen Östenitik Olan HAZ

HAZ'ın tepe sıcaklıkta tamamen östenitik olan kısmı, soğutma üzerine tamamen bakir martensitten veya martensit ve kararlı östenit karışımından oluşan bir yapıya (orijinal ana çelik mikro yapısından kalan) geri dönebilir. Renk aşındırma teknikleri faydalı olabilse de, temperlenmemiş, bakire martensit ve kalıntı östenit yapıları optik ışık mikroskobu altında kolayca ayırt edilemez. Difüzyonun derecesine bağlı olarak, önceden kararlı olan östenit, soğuma sırasında kararlı kalabilir veya kararsız hale gelebilir. Orijinal kararlı ostenitin kararsız ostenite (ve dolayısıyla soğutmada martensite) dönüştürülmesi için yeterli difüzyon için gereken sıcaklıktaki süre belirlenmemiştir.

Bu bölge tipik olarak bir sertlik aralığı gösterir ve en yüksek sıcaklıkta tamamen veya kısmen delta ferrit olan bölgelerden daha yüksek olan HAZ'ın en sert bölgesini içerir. Martensitin sertliğini kontrol eden birincil faktör, ikincil bir faktör olarak önceki östenit tane boyutu ile karbon içeriğidir (veya karbon artı nitrojen içeriği). Artan karbon artı nitrojen ve azalan östenit tane boyutu ile sertlik artar. Herhangi bir delta ferrit, sertliği düşürme eğiliminde olacaktır. Bu nedenle gözlemlenen sertlik zirvesi için olası açıklamalar, tane irileşmiş HAZ ile karşılaştırıldığında bu bölgedeki daha ince östenit tane boyutunu ve ferritin yokluğunu içerir. Bir başka olası açıklama, ısıtma sırasında karbon ve nitrojenin kararlı geri dönen östenit ve kararsız östenit arasında bölünmesinin bir sonucu olarak bazı martenzitin karbon ve nitrojen zenginleşmesidir. Son olasılık, tamamen martensitik yapılar yerine bazı östenit mevcut olduğunda simüle edilmiş HAZ mikroyapılarında en yüksek sertliğin gözlemlenmesiyle desteklenir.

En Yüksek Sıcaklıkta Östenit ve Temperlenmiş Martenzitin Karıştırıldığı HAZ Bölgesi

Bu bölge, tipik olarak ana çeliğinkinden daha koyu görünen, muhtemelen ek tavlama ve işlenmemiş martenzitin hafif dağlama taneleri nedeniyle daha koyu görünen koyu dağlama tanelerinin bir karışımını göstermektedir. Isıtma sırasında oluşan bir miktar kararlı, geri dönen östenit de olabilir. Pik sıcaklık Ac1'i oldukça küçük bir farkla aştığında, ostenite kısmi dönüşüm meydana gelir. Konvansiyonel nikel alaşımlı martensitik paslanmaz çeliklerin fırın ısıl işlemleri için, Ac1'in hemen üzerinde oluşan ostenit, östenit stabilize edici elementler (örneğin, özellikle C ve N) açısından, M s sıcaklığının oda sıcaklığının altına düşürülmesi ve soğuma sırasında sabit kalması için yeterince zenginleştirilmiştir. Bunun gerçekleştiği sıcaklık aralığı Ac1'den yaklaşık Ac1 + 100°C'ye kadardır. Daha yüksek sıcaklıklarda, ısıtmayla oluşan östenit miktarı artar, östenitin zenginleşmesi dolayısıyla daha az belirgindir ve dolayısıyla kararlı, geri dönen östenitin oranı azalır. Geleneksel nikel alaşımlı martensitik paslanmaz çelik için, kararlı, geri dönen östenit, Ac1'in yaklaşık 200°C üzerinde ısıtma için sıfıra düşer. Süpermartensitik paslanmaz çelikte bir kaynak termal çevrimi sırasında eski haline dönen östenit oluşumuna ilişkin yayınlanmış veri bulunmamaktadır. Bununla birlikte, dönüşümün kinetiğinin, tipik bir kaynak çevrimi sırasında bir geri dönen östenit denge seviyesinin oluşmayacağı şekilde olması beklenir.

Bu bölgenin sertliği, ana çelik değerinden daha yüksek dönüştürülmüş HAZ seviyelerine bir geçişi gösterir, bu da temperlenmiş ve temperlenmemiş martenzitin değişken karışımını yansıtır. Ana çeliğe kıyasla bu bölgede yaklaşık 10 VPN yumuşama bildirilmiştir. Bu, dönüştürülmemiş martenzitin ilave tavlanmasının bazı bakir martenzit oluşumunun etkisinden daha ağır basabileceğini, ancak bu tür bir etkinin kapsamının muhtemelen ana çeliğin orijinal tavlama işlemine bağlı olacağını gösterir.

Tepe Sıcaklıkta Ac1'i Aşmayan HAZ

Ayrıca, özellikle zayıf kaliteler için (Ac1 yaklaşık 650-680°C), Ac1 sıcaklığının altında bir derece HAZ tavlama olacaktır, ancak bu, düşük Ac1 sıcaklıklarından dolayı daha yüksek alaşımlı kaliteler için sınırlı bir nitelikte olacaktır. malzemeler. Yine herhangi bir yumuşamanın derecesi çeliğin orijinal tavlama durumuna bağlı olacaktır. Isıtma hızının bir fonksiyonu olarak süpermartensitik paslanmaz çeliklerin Ac1 tahmini için bir sinir ağı geliştirilmiştir.

İkinci Bir Termal Döngünün Yeniden Isıtma Etkileri

İkinci bir kaynak termal çevrimi, HAZ mikro yapısı üzerinde bir takım etkilere sahip olabilir. Ac1'in üzerinde yeniden ısıtıldığında, yeni östenit tanelerinin çekirdeklenmesi ve büyümesi nedeniyle tane irileşmiş bölgede (yani ilk döngü sırasında Ac5'i aşan bölgede) bir derece tane incelmesi gözlemlenir. HAZ'ın Ac1'i aşan diğer bölümlerinde, östenitin yeniden oluşumunun, tek bir termal döngü ile ilişkili olanla karşılaştırılabilir bir mikro yapı elde etmesi için bir ilk yaklaşıma sahip olması beklenecektir. Bununla birlikte, bir çevrimden sonra dengede olmayan bir kararlı östenit seviyesinin mevcut olduğu durumlarda, ikinci termal çevrim, difüzyon için mevcut süreyi artıracak ve bu tür östenitin seviyesini düşürebilecektir.

İkinci bir döngü ayrıca, Ac1'in üstünde ve altında (yaklaşık 400°C-Ac3 aralığında) karbür çökeltmesi için bir fırsat sağlarken, bu çeliklerin düşük Ms sıcaklıkları, ilk kaynak çevrimi sırasında oluşan herhangi bir bakire martensit içinde çökelmeyi etkili bir şekilde önleyecektir. Bu, bugüne kadar yalnızca kaynak köklerinde, yani çoklu termal döngülere maruz kalan alanlarda rapor edilmiş olan kaynak HAZ'larının taneler arası korozyonu açısından çok önemli olabilir. Önceki östenit sınırlarında Cr23C6 çökelmesi yaklaşık 450-500°C'nin üzerinde meydana gelir, bu nedenle 450°C ile Cr23C6 oluşumunun üst sınırı arasında ısıtılan bölgelerde herhangi bir duyarlılaşmanın gelişmesi beklenebilir. tükenmiş bölgelerin oluşumunu önlemek için yeterli krom hareketliliği. Yayınlanmış bilgiler, yığın bileşiminin bir miktar etkisinin beklenmesine rağmen, duyarlılık için üst sıcaklığın 550-600°C civarında olduğunu öne sürmektedir.
 

Geleneksel PWHT'nin mekanik özellikler üzerindeki etkisi, karbür çökeltme yoluyla yumuşama ve geri dönen östenit oluşumu açısından, ≥0.03 C ile nikel alaşımlı %13 Cr çelikler için iyi bir şekilde belirlenmiştir, ancak süpermartensitik için çok az spesifik bilgi mevcuttur. dereceler. Geleneksel martensitik paslanmaz çeliklerin maksimum yumuşaması, genel olarak, 500°C'nin üzerindeki Cr23C6 çökeltisi ile ilişkilidir ve nikel içermeyen çelikler için, temperleme tipik olarak 700°C'de gerçekleştirilir. Nikel alaşımlı süpermartensitik kaliteler için, düşük Ac1 sıcaklığı, biraz daha düşük bir tavlama sıcaklığı gerektirir. 620 ve 680°C arasında temperleme için %2.7 Mo içeren süpermartensitik bir çeliğin ağırlıklı olarak molibden karbürler oluşturduğu ve bu da ikincil sertleşme verme eğiliminde olduğu bulunmuştur. Sonuç olarak, Mo-alaşımlı süpermartensitik çelikler, tavlama sırasında yumuşamaya karşı oldukça dirençlidir. %13Cr4Ni çelikler için yaklaşık 600°C'de tavlama benimsenmiştir, ancak yaklaşık %6Ni ve %2 Mo içeren süpermartensitik çelikler için PWHT gerekli görüldüğünde 650°C'de kısa bir işlem kullanılmıştır. Bu, 10°C/dk'da yapılan ölçümlere göre Ac1'den oldukça fazladır, ancak Ac1'in ısıtma hızına bağlı olduğu ve genellikle ısıtma hızı ile arttığı belirtilmelidir. Bu kısa 650°C PWHT'nin sülfür stres çatlamasına karşı direnci arttırdığı rapor edildi, ancak iyileştirme mekanizması tanımlanmadı. Bu bağlamda, Enerhaug ve arkadaşlarının hafif ekşi ortamlardaki HAZ'ların davranışının alttaki mikro yapılardan ziyade yüzey oksit tarafından kontrol edildiği sonucuna vardığı belirtilebilir. Bununla birlikte, yüzey oksidi bulunmayan test numunelerinde Hara ve Asahi, delta ferrit varlığının sülfür stres çatlamasına duyarlılığı arttırdığını buldu. Etki, krom karbürlerin/nitrürlerin ferrit/martensit sınırlarında çökelmesine bağlandı. Ayrıca laboratuvar çalışmalarında, 650°C'de kısa PWHT'nin taneler arası korozyona karşı direnci arttırdığı, kromu eksik bölgelerin iyileşmesinin çok kısa sürede bile olabileceğini düşündürdüğü bildirilmiştir. Krom için difüzyon mesafesi, Fe'de Cr için yayınlanmış difüzyon katsayısı kullanılarak 650°C'de 5 dakika boyunca sadece 10nm düzeyindedir, ancak herhangi bir Cr tükenmiş zonun kapsamı henüz belirlenmemiştir.


Süpermartensitik kaynak HAZ'larının mekanik ve korozyon özelliklerini güvenilir bir şekilde kontrol edebilmek için, kaynak termal döngüsüne ek olarak PWHT'nin HAZ'daki mikro yapı ve yüzey oksit üzerindeki ayrıntılı etkilerini belirlemek için ek verilere ihtiyaç vardır. . Mikroyapı ve yüzey oksit, HAZ içindeki konuma ve şu anda mevcut olan süpermartensitik çeliklerin çeşitliliği arasında değişiklik gösterecektir.

Özet

1999 Süpermartensitik Paslanmaz Çelik Konferansı'ndan bu yana, bu çeliklerin endüstriyel kullanımı önemli ölçüde arttı. Paralel olarak, kaynak HAZ mikroyapı gelişimi ve PWHT'nin etkilerinin anlaşılması için bazı çabalar sarf edilmiştir. Bununla birlikte, benzer bileşime sahip olmalarına rağmen, HAZ mikro yapısında ve dolayısıyla özelliklerinde önemli farklılıklara sahip olabilen, mevcut çelik çeşitleri için delta ferrit, östenit, martensit ve karbür oluşumunun kesin ayrıntılarına ilişkin hala sınırlı nicel veri bulunmaktadır.

HAZ mikro yapısıyla ilgili veri eksikliğinden dolayı, belirli bir kaynak HAZ'ın çeşitli özelliklerini hizmetle ilgili özelliklerle ilişkilendirmek ve anlamlı nicel limitler belirlemek, örn. kaynak prosedürü kalifikasyon amaçları için. Bugüne kadar, kaynak alanı sertliğini sınırlamak için bazı çabalar sarf edilmiştir, ancak sertliğin hizmetle ilgili özellikler üzerindeki etkisine ilişkin veriler mevcut değildir ve sertliğin bir kontrol parametresi olduğu gösterilmemiştir. Halihazırda ilgi, kaynak HAZ'ının korozyon ve stres korozyonu özelliklerine odaklanmıştır, ancak mekanik bütünlük sorunları ve özellikle hidrojenin etkileri ile ilgili olarak da dikkat edilmesi gerekmektedir. Şu anda, olası kurulum ve servis koşullarını muhafazakar bir şekilde simüle eden test yoluyla veya aynı kalite ile eşdeğer veya daha az zahmetli servis deneyimi ile doğrudan karşılaştırma yoluyla süpermartensitik paslanmaz çelikler için kaynak prosedürlerinin kalifikasyonuna bir alternatif yoktur.