Yüksek Isı Çeliğinin Bileşimi, Mikroyapısı ve Tokluğu

Gelişmiş yüksek sıcaklık %9-13 Cr çelik için bileşimin mikroyapısal gelişim ve kaynak metallerinin tokluğuna etkisi.

Modifiye edilmiş %9Cr-%1Mo, kalite 91, çelikler artık hem yeni santralin inşası için hem de mevcut istasyonlar için yükseltme ve ömür uzatma programlarında enerji üretim sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu kalite yalnızca 600°C'ye kadar hizmet için tasarlanmıştır ve termal verimliliği artırma, maliyetleri düşürme ve emisyonları azaltma ihtiyacından kaynaklanan daha katı gereksinimler ile yeni nesil %9-13 Cr ferritik çelikler geliştirildi. 620°C'ye kadar servis için. Yüksek mukavemetleri sayesinde, daha yeni çelikler, P91 ve P22 gibi geleneksel kalitelere göre kalınlıkta önemli azalmalar yapılmasına izin vererek, ağırlıkta azalmaya ve imalat maliyetlerinin düşmesine yol açar. Japonya, Avrupa ve ABD'de, bir dizi büyük ortak proje de dahil olmak üzere kapsamlı araştırma ve geliştirme, bir dizi aday alaşımın geliştirilmesine yol açmıştır. Bu alaşımlar tipik olarak Ni, Nb ve V ilaveleriyle birlikte %9-13Cr,~%0.5Mo ve %1-2W içerir. Ana çelikler için hedef özellikler, sırasıyla 400 ve 600MPa'lık %0.2 geçirmezlik ve çekme mukavemetlerini içeriyordu. , 20°C'de 40J minimum Charpy darbe tokluğu ve 140MPa'lık a600°C 105h sürünme kopma mukavemeti. Geliştirilen kalitelerden NF616 ve HCM12A'ya ASME Code Case onayı verilmiştir.

>620°C hizmet sıcaklıkları için devam eden çelik geliştirmelerini desteklemek için kontrollü bileşim varyasyonları yoluyla, esasen eşleşen bileşime sahip kaynak tortularının mekanik özelliklerinde bir iyileştirme mümkün olmalıdır. Nippon Steel tarafından NF616 için dolgu malzemeleri üzerinde gerçekleştirilen çalışma, Ni ilavelerinin (~%0,4'e kadar) Charpy tokluğu üzerinde faydalı bir etkisi olduğunu göstermiştir. 91 kalite için kaynak metalleri üzerinde daha önceki TWI çalışmaları, azaltılmış Si, Nb ve N ile kombinasyon halinde ~%1 Ni ilavesinin tokluğu iyileştirdiğini göstermiştir.

91 dereceli kaynak tortuları üzerinde yapılan bir TWI çalışması, Ni gibi Co ilavesinin δ-ferritin azaltılmasında faydalı olduğunu (etkisi Ni'ninkinden daha az güçlü olmasına rağmen) ve tokluğu iyileştirdiğini ileri sürdü. Ancak Ni'den farklı olarak Co, AC 1 sıcaklığını önemli ölçüde etkilemez. Uzamada küçük bir azalma olsa da, sürünme direncini ve yüksek sıcaklık dayanımını iyileştirmek için yeni nesil %9-13 Cr çeliklere tungsten eklenmiştir. Bununla birlikte, güçlü bir ferrit oluşturucudur ve δ-ferritin tutulmasını destekler. %1 W alaşımlama ile kombinasyon halinde %1 Ni veya %2 Co ilavesi, δ-ferrit tutulmasını bastırmak ve Charpy tokluğunu iyileştirmek için yeterliydi. 

δ-ferrit tutulmasına karşı duyarlılık normalde krom eşdeğeri (Creq) ve Kaltenhauser ferrit faktörü (FF) bileşim parametreleri kullanılarak değerlendirilir; Creq<8 ve FF<6 ile tam martenzitik yataklar elde edilebilir. Ancak FF, tungstenin etkisini dikkate almaz ve bu nedenle yeni nesil çelikler için uygun değildir. Morimoto ve diğerleri, %9 Cr çeliğine %3 W eklenmesinin ≤~%25 δ-ferrit (otojen bir GTA kaynağı için ≤~%50) verdiğini gösterdi. Tungsten, yüksek sıcaklık dayanımını iyileştirdi, ancak özellikle yaşlanmadan sonra M 23 C6'nın çökelmesi ve intermetalik Laves fazının (Fe, Cr, Mo, W) oluşumu nedeniyle] Charpy tokluğunu önemli ölçüde azalttı. Özellikle hızlı termal döngünün δ-ferrit tutulmasını desteklediği kaynak metalinde, δ-ferrit tutulmasını sınırlamak ve mekanik özellikleri optimize etmek için bileşimde bir denge gereklidir. %9Cr kaynak metalleri için bu, örneğin ana metale göre W içeriğinde küçük bir azalma ve ~%0.5Ni ilavesi ile başarılabilir. Daha yüksek Cr, HCM12A ana çeliği için, <1.7%Cu ilavesi δ-ferrit tutulmasını bastırmada etkilidir.

Bu çalışma, tortu kimyasındaki değişiklikler yoluyla W içeren kaynak tortularında elde edilebilecek tokluk iyileştirmesini keşfetmeyi amaçladı. Bununla birlikte, bileşim varyasyonlarının kaynak metali sürünme özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır.

Önerilen makale: boru kaynak ağzı açma hakkında bilgi almak ve diğer metal işleme hizmetlerine ulaşmak için ilgili sayfayı ziyaret edebilirsiniz.
 

Malzemeler

Ana çelikler, HCM12A ve NF616 idi. Kaynak metali çalışmaları için bir temel çizgi sağlamak üzere, her malzeme için 4.0 mm çapındaki mevcut 'ticari' manuel metal ark (MMA) elektrotları kullanılmıştır. Mn, Ni ve Cu seviyeleri, muhtemelen delta ferritin tutulmasını önlemek için karşılık gelen ana çeliklerden daha yüksektir. Deneysel 4.0 mm çaplı MMA elektrotları Metrode Products Ltd. tarafından üretildi. Her malzeme türü için başlıca Co ( ≤%3), Ni (%0 ila %1) ve Cr (ekstra 1) seviyelerinde farklılıklar gösteren dört farklı formülasyon sağlandı. 
 

Ana plakanın 1 m uzunluğundaki şeritlerinin bir uzun kenarından aşağı doğru 2 mm kök yüzü olan 27,5°'lik bir şev işlenmiştir. Panel yarı genişlikleri 150 mm idi. 2 mm'lik bir kök boşluğu ile, elektrot türlerinin her biri için çok geçişli bir manuel metal ark (MMA) kaynağı üretildi. Paneller güçlü sırtlarla zaptedildi. Minimum 200°C ön ısıtma ve 300°C maksimum pasolar arası sıcaklık ile 2.0kJ/mm'lik bir ark enerjisi (~1.6kJ/mm'lik ısı girişi) modifiye edilmiş %9Cr- üzerindeki önceki çalışmalarla karşılaştırmaya izin vermek için kullanılmıştır. %1 Mo (91. sınıf) çelik.

Kaynağın tamamlanmasından sonra, kaynaklı bir enine kesit çıkarıldı. Her kaynaktan küçük bir numuneye bir PWHT verildi ve bu bölümün metalografik incelemesinden sonra, panelin geri kalanı 760°C'de 2 saat ısıl işleme tabi tutuldu ve fırında soğutuldu.
 

Enine kaynak bölümleri, kaynaklı durumda ve PWHT'den sonra her panelden çıkarıldı. Kesitler, standart metalurjik teknikler kullanılarak 1 um'lik bir elmas cilaya hazırlandı, alkol içinde %2½ pikrik asit, %2½ hidroklorik asit içinde dağlandı ve ışık mikroskobu ile incelendi. Bileşimsel varyasyonların, AC1 dönüşüm sıcaklığını, 760°C'lik PWHT sıcaklığının altındaki bir seviyeye düşürmediği görüldü.

Her tortunun bileşimi, oksijen ve nitrojen için inert gaz füzyonu ile ayrı analiz ile doğrudan kıvılcım optik emisyon spektrometrisi ile belirlendi. Her birikinti için krom eşdeğeri parametre Cr eq değerleri belirlendi. Her bir kaynaklı olarak ve PWHT kaynak bölümünde 10 kg'lık bir girinti yükü ile bir kalınlık boyunca Vickers sertlik araştırması yapıldı ve maksimum, minimum ve ortalama değerler belirlendi.

Mekanik Test

Her birikintiden tek bir tamamen kaynaklı metal çekme numunesi işlendi ve %0,2 kanıt mukavemeti ve çekme mukavemeti, uzama ve alan azalmasını belirlemek için ortam sıcaklığında test edildi. Numune işleme ve testler BS EN10002-1:1990'a göre yapılmıştır. Standart 10x10mm kare kesitli Charpy numuneleri, kök ve kapak yüzeylerinin her birinin 2 mm altından işlenmiştir. Numuneler, kaynak merkez hattında kalınlık boyunca çentiklendi ve geçiş eğrileri oluşturmak için bir sıcaklık aralığında test edildi. Tüm numune işleme ve testler BS EN 10045-1:1990'a göre yapılmıştır.

Sekiz BxB tek kenar çentikli büküm, SEN(B) kırılma mekaniği numunesi (B, plaka kalınlığıdır) her panelden çıkarıldı ve BS 7448:Part 2:1997'ye göre üretildi. Her numune, çentik konumunun belirlenmesine yardımcı olmak için bir %2 Nital solüsyonunda dağlanmıştır ve ardından kaynak merkez hattında kalınlık boyunca çentiklenmiştir. Çentiğin toplam derinliği artı yorulma çatlağı (a o ) numune genişliğinin yaklaşık yarısıydı (a o /W ≈0.5). Paneller kaynak sonrası ısıl işleme tabi tutulduğu için ek bir işlem yapılmamıştır, örn. yerel sıkıştırma gerekliydi. Her numune üç noktalı bükmede test edilmiştir. Çatlak yüzlerinin yer değiştirmesini ölçmek için bir çift klip mastar yöntemi kullanıldı ve BS 7448: Kısım 2'de verilen denklemler, çatlak-ucu-açılma-yer değiştirmesi (CTOD) cinsinden kırılma tokluğunu hesaplamak için kullanıldı. Testten sonra kırılma yüzeyleri görsel olarak incelendi ve yorulma çatlağı derinliği ve profili ve herhangi bir yırtılmanın boyutu gibi temel özellikler ölçüldü.
 

Kimyasal Analiz ve Mikroyapısal İnceleme

Genel olarak, hedef kaynak metali bileşimlerine genel olarak ulaşılmıştır. Kaçınılmaz olarak bazı küçük elementel varyasyonlar belirgindi, ancak bunlar genellikle önemli olarak kabul edilmemektedir. Bununla birlikte, deneysel sarf malzemesi tortularının daha yüksek oksijen seviyelerinin, tokluk üzerinde hafif bir zararlı etkiye sahip olması beklenebilir.

Mikroyapısal inceleme, her durumda, biriktirilmiş kaynak metali mikro yapısının esas olarak martensitten oluştuğunu ortaya çıkardı. Bazı tortularda, izole edilmiş δ-ferrit kolonileri belirgindi. Bazı izole edilmiş tane sınırlarında, daha belirgin olarak %9Cr yataklarında (W10, W12 - W15) hafif bir aşındırma fazı görüldü. kaynaklı bölümler. PWHT'yi takiben, özellikle %9 Cr yataklarında (W10, W12-W15) tane sınırlarının belirlenmesi daha belirgindi.

Sertlik Testi ve Ortam Sıcaklığında Çekme Testi

%9Cr tortularının ve karşılık gelen %10Cr serisi tortuların her birinin kaynaklı sertliği ve mukavemeti tipik olarak benzerdi. , %9Cr tortuları genellikle %10Cr tortularından biraz daha yüksek sertlik ve mukavemete sahip olsa da, biraz daha yüksek C, Mn ve W seviyelerini yansıtır. 760°C'de 2 saat boyunca PWHT uygulaması tipik bir yumuşamaya yol açmıştır. ~130 ila 150HV10. Genel aralık, %10Cr taban çizgisi bileşimi için 98HV10 sertlik azalması ve %9Cr taban çizgisi bileşimi için 172HV10 azalmasıydı. %9Cr ve %10Cr tortularının güçleri, NF616 ve HCM12A ana çelikler için sırasıyla 621 MPa minimum çekme dayanımı ve 442 ve 400MPa minimum akma dayanımına ilişkin ASME Code Case gerekliliklerini büyük ölçüde aştı. Alan değerlerinin uzaması ve azalması düşüktü (sırasıyla %16 ila %21 ve %55 ila %63 aralığında).

Tokluk Değerlendirmesi

Charpy geçiş sıcaklığı verileri (en uygun ve alt sınır eğrilerine dayalı olarak). Genel olarak, her birikintide kök yüzey altı konumu için en zayıf tokluk kaydedilmiştir. İki temel çizgi tortusu, W10 ve W11, en zayıf darbe dayanıklılığını açıkça göstermektedir. Temel bileşimlere %1 Co ilavesi, darbe dayanıklılığında en büyük gelişmeyi sağladı. Daha yüksek Co seviyelerinin ilaveleri, genellikle tokluğu (özellikle alt sınır tokluğunu) iyileştirdi, ancak %1 Co'dan daha az etkiliydi.
 

Bileşimin Mikroyapısal Gelişim, Sertlik ve Çekme Özelliklerine Etkisi

İncelenen bileşimsel varyasyonlar, kaynaklı olarak veya bir PWHT'den sonra ~%3Co eklenmesiyle bile dönüştürülmüş mikroyapıyı önemli ölçüde etkilemedi. Tüm durumlarda, alıkonan δ-ferritin hacim oranı son derece düşüktü (<%1), anlamlı nokta sayımı için çok düşüktü. Modifiye edilmiş %9Cr-%1Mo kaynak tortuları üzerinde daha önceki TWI çalışması, 8'den düşük krom eşdeğeri (Cr eq) değerleri için kayda değer hiçbir δ-ferritin (nokta sayımı ile kaydedildiği gibi) tutulmayacağını öne sürdü. Bu ifadenin, tümü <7.5 olan Cr eq değerlerine sahip mevcut W içeren mevduatlar için eşit derecede geçerli olduğu görülmektedir.

Gözlenen ana mikroyapısal farklılık, tane yapısının sınırlarının boyutundaydı, bu en çok PWHT'den sonra %9Cr-serisi tortularda belirgindi. Bu muhtemelen, daha yüksek C, Mo, Nb ve V içerikleri sayesinde %10 Cr-serisi tortulara kıyasla daha büyük karbür çökeltisine ve belki de daha büyük tane sınırı ayrışmasına atfedilebilir. Tane sınırı tasviri ve özellikle hafif aşındırma tane sınırı fazının varlığı da dönüşüm davranışından etkilenebilir ve δ-ferritten ostenite dönüşüm sırasında ince δ-ferrit kolonilerinin tutulmasından kaynaklanabilir. %10Cr-serisi tortularda belirgin bir betimlemenin yokluğu, PWHT'yi takiben daha düşük derecede yağıştan ve %9Cr-serisi tortularla karşılaştırıldığında, düşük Mo ile kombinasyon halinde yüksek Cu seviyesinden kaynaklanabilir, ince δ-ferrit tutulmasının bastırılması.

Genel olarak, Vickers sertlik verileri, iki tortu dizisi içinde ve arasında yalnızca sınırlı varyasyon gösteren mikroyapısal gözlemleri destekledi. Hem %9Cr hem de %10Cr serisi için, baz hattı tortusuna %1Co ilavesi genel olarak serideki diğer tortulardan daha düşük olan PWHT'den sonra bir sertlik ve mukavemet artışı verdi. Her iki depozit serisi için, baz hattı tortusu PWHT'den sonra en yüksek sertliği sergiledi. Bu, en azından kısmen, esas olarak daha yüksek C, Mn ve W seviyeleri olmak üzere küçük kompozisyon varyasyonlarından açıklanabilir. Her iki seri için, sınırlı çekme verileri ve kaçınılmaz saçılma, %0,2 için herhangi bir başka eğilimi yansıtmamaktadır. bileşimdeki değişikliklerle kanıt gücü veya çekme dayanımı. Daha önce belirtildiği gibi, her durumda kaydedilen değerler ASME Code Case gerekliliklerini aştı.

Kompozisyonun Tokluk Üzerindeki Etkisi

Kök yüzey altı konumu için ölçülen Charpy tokluğu, genellikle kapak yeraltı bölgesi için olandan daha düşüktü. Bunun öncelikle kökteki yüksek gerilimden kaynaklandığına inanılmaktadır, ancak aynı zamanda seyreltme ve mikroyapısal örneklemedeki küçük farklılıkları da yansıtabilir. Baz hattı tortuları için kaydedilen zayıf alt sınır tokluğu, en azından kısmen, C, Mn, V, Ti, W ve Cu gibi daha yüksek element seviyelerinin muhtemelen katkıda bulunduğu PWHT'den sonra tortuların daha yüksek sertliğini yansıtır. Hem Charpy hem de CTOD verileri için PWHT'den sonra %1 Co eklenmesi, bu tortuların daha düşük sertliğini yansıtarak tokluğu artırdı. Bununla birlikte, daha önceki Charpy verilerinden beklendiği gibi, %9Cr %1Co W içeren yatakta (W13) Ni içeriğinde %0.87'ye varan bir artışın neden toklukta daha fazla iyileşme sağlamadığı açık değildir. 

ASME Kod Durumlarında ne temel çelikler ne de kaynaklı bağlantılar için herhangi bir tokluk şartı verilmemiştir. Ancak, ana çelikler için 20°C'de ≥40J'lik bir hedef belirlendi. Yayınlanmış literatürden kanıtlandığı gibi, NF616 ve HCM12A ana çelikleri bu gereksinimi aştı. Bununla birlikte, 20°C'de kaynak metali tokluğu bu çalışmada tipik olarak yalnızca ~20-30J olmuştur, yani ana çelik gereksiniminin altındadır. Daha önce 91 kalite için kaynak metalleri üzerinde oluşturulan verilerle yapılan karşılaştırma, aynı ısıl işlem koşulu için (760°C'de PWHT 2 saat), W içeren tortuların tokluğunun sürekli olarak W içermeyen tortulardan daha düşük olduğunu ortaya çıkardı. 0.1mm CTOD elde etmek için 20-40°C daha yüksek sıcaklıkta ve 40J emilen Charpy enerjisi için 40-60°C daha yüksek sıcaklıkta yansıtılan tortular.

Sarf malzemesi üreticilerinden biri tarafından değerlendirildiği üzere, 91 dereceli kaynak metallerinin Charpy tokluğu üzerindeki %1-3Co'nun etkisi, daha önceki bir TWI çalışmasının parçası olarak sunuldu. Mevcut çalışmanın aksine, veriler, %1 veya %3 Co ilavesi için toklukta (40J elde etmek için sıcaklığa dayalı olarak) bir bozulma, ancak %2 Co ilavesi için küçük bir gelişme gösterdi. Bununla birlikte, tortuda %1 W bulunduğunda, %1 veya %2 Co ilavesi Charpy tokluğunu iyileştirdi, ancak her ikisi de %1 Ni ilavesinden biraz daha az etkiliydi. Bu daha önceki çalışma aynı zamanda artan Co'nun kanıt ve gerilme mukavemetini kademeli olarak azalttığını, buna karşın bu çalışmada gerilme özelliklerinde çok az değişiklik olduğunu gösterdi.

Mevcut W içeren tortular için alt sınır Charpy ve CTOD veri setleri, kompozisyonun Charpy darbe tokluğu ve kırılma tokluğu üzerindeki etkisine ve çalışılacak elementlerin etkileşimli etkisine izin vermek için yapılan regresyon analizi ile analiz edilmiştir. Küçük veri seti göz önüne alındığında, Microsoft Excel kullanılarak aşamalı bir regresyon analizi yapılmıştır. 

Denklemler, birliğe yakın 'R2' değerleriyle gösterildiği gibi, deneysel verilere oldukça iyi bir uyum göstermektedir; bununla birlikte, veri kümelerinin yalnızca küçük olduğu, aynı anda birkaç öğenin kaçınılmaz olarak değiştiği ve bileşim aralıklarının hepsinin küçük olduğu kabul edilmelidir. MINITAB (sürüm 12) istatistiksel yazılımı da, ikinci dereceden eleman etkileşimlerinin varlığının ve öneminin değerlendirilmesine izin vermek için ileri ve geri regresyon dahil olmak üzere çeşitli şekillerde kullanıldı, ancak hiçbir ikinci dereceden etkileşim tanımlanmadı.

Co ve Cu'nun her birinin tokluk üzerinde sadece küçük (faydalı) bir etkiye sahip olduğu bulundu ve bu nedenle diğer elementlerin etkilerinin dikkate alınmasına izin vermek için daha fazla analizden çıkarıldı. Denklemler, dikkate alınan tüm unsurlar için tutarlı eğilimleri gösterir. Mn, Ni ve Co, Charpy tokluğuna faydalıydı; bununla birlikte, Mn ve Co, CTOD için güçlü korelasyonlar göstermediğinden, Si'nin faydalı olduğu bulunarak analizden çıkarıldılar. Mo, Nb ve W elementleri, muhtemelen PWHT sırasında karbür oluşumu yoluyla tokluk üzerinde zararlı bir etkiye sahipti. Nb'nin zararlı etkisi, TWI ve diğerleri tarafından Grade 9l kaynak metalleri üzerinde yapılan çalışmalarda oluşturulan daha önceki Charpy ve kırılma tokluğu verileriyle uyumludur. N'nin faydalı etkisi, daha önceki TWI verilerine aykırıdır.

Bu programdan, baz hat bileşimlerine %1 Co eklenmesinin tokluğu iyileştirdiği gösterilmiştir. Bununla birlikte, bu kaynak metalleri, yüksek sıcaklıkta hizmet için tasarlanmıştır ve bileşimsel değişikliklerin sünme üzerindeki etkisinin de değerlendirilmesi açıkça esastır. Sürünme kopma özellikleri COST 522 programı dahilinde değerlendirilmiştir.

Yakın çevre sıcaklığında elde edilen nispeten düşük CTOD değerleri, başlangıçta bu tortuların kusur toleransı hakkında endişe uyandırabilir. Bununla birlikte, 91 dereceli kaynak tortuları için gösterildiği gibi, PWHT zorunludur ve artık stres seviyelerini düşürecektir, hidrotest sıcaklığında hesaplanan kusur toleransının, geleneksel muayene teknikleriyle kolayca tespit edilmesi gereken bir kusur boyutuna izin vermesi beklenir. Bunun W içeren tortular için doğrulanması gerekir.

Özet ve Sonuçlar

Başta Ni, Co ve Cr olmak üzere kontrollü bileşim varyasyonlarına sahip %9 ila %11 Cr, W içeren kaynak tortuları üzerinde bir kaynak, ısıl işlem, mikroyapısal inceleme ve mekanik test programı gerçekleştirilmiştir. İncelenen spesifik kaynak ve ısıl işlem koşulları ve bileşim aralıkları için aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:

760°C'de 2 saat boyunca PWHT'den sonra en yüksek tokluk (40J Charpy sıcaklığı ve 0.1 mm CTOD sıcaklığı), temel hat kaynak metali bileşimlerinin her birine %1 Co eklenmesi için elde edildi.

İncelenen bileşimsel varyasyonlar, ne kaynaklı ne de PWHT koşulu için dönüştürülmüş mikro yapıyı önemli ölçüde değiştirmedi. Tüm tortular, bazı durumlarda izole edilmiş δ-ferrit kolonileri ile ağırlıklı olarak martensitik bir mikro yapıya sahipti.

İncelenen bileşimsel değişkenler, PWHT'den sonra kaynak metali ortam sıcaklığı çekme özelliklerini önemli ölçüde etkilemedi.

W içeren kaynak tortularının tokluğu, daha önce incelenen W içermeyen tortulardan sürekli olarak daha düşüktü ve 0,1 mm CTOD elde etmek için 20 ila 40°C daha yüksek sıcaklıkta ve 40J emilen Charpy enerjisi için 40 ila 60°C daha yüksek sıcaklıkta yansıtıldı.