600 Derecede 50.000 Saat Sonra 347 Isıtıcı Kılıf Borusundaki Z-Faz (CrVN) Yağışının Hacim Kesri, Uzun-Süreli Sürünme Kopma Mukavemetindeki Azalmayı Nasıl Kontrol Ediyor?

Kompleks Nitrür Fazı ve Sürünme Özelliklerinin Bozulması

Z-fazının (CrVN, karmaşık bir krom vanadyum nitrür) çökelmesi, 347 paslanmaz çelik (Nb-stabilize edilmiş) kılıflı elektrikli ısıtma tüplerinin, örneğin uzun ömürlü endüstriyel fırın tüpleri veya elektrik santrali kızdırıcılarında olduğu gibi, çok uzun süreler (50,000+ saat) 600 derecede çalıştırılması durumunda meydana gelebilir, özellikle vanadyum artık bir element olarak mevcut olduğunda (tipik olarak) %0,10-0,20%V). Kararlı bir güçlendirme sergileyen NbC'nin aksine, Z-fazı başlangıçta sürünme mukavemetine katkıda bulunan ince parçacıklar (10-30 nm) halinde çöker, ancak 600 derecede 20.000-30.000 saat sonra Z-fazı kabalaşır (100-500 nm'ye kadar) ve aynı zamanda vanadyum ve nitrojeni tüketerek diğer güçlendirmeleri dengesizleştirir çökelir. 50.000 saat sonra elde edilen net sonuç, vanadyum içermeyen malzemeye göre sürünme kopma mukavemetinde %30-50'lik bir kayıptır. %0,05 V'nin altında Z fazı oluşumu önemsizdir ve sürünme mukavemeti sabittir. Bu çalışmada, 600 derecede 50.000 saat sonra kalan vanadyum içeriği ile Z fazı hacim fraksiyonu ve sürünme kopma mukavemeti kaybı arasındaki korelasyon ölçülmektedir.

Z-Faz Kırılganlığının Mekanizması

Z-fazı (CrVN), krom, vanadyum ve nitrojenden oluşan tetragonal bir bileşiktir. Yaklaşık 500-700 derece yağış alıyor. Z-fazı, Ostwald'ın uzun süreli yaşlanma sonucunda olgunlaşmasıyla kabalaşır. Z- fazı parçacıklarının büyümesi, matris vanadyumu (VC'yi oluşturur) ve nitrojeni (Cr2N veya NbN'yi oluşturur) tüketir. Sürünme mukavemeti, matrisin yumuşaması ve büyük, kırılgan Z-fazı parçacıklarının varlığı nedeniyle azalır. Bu etki, Z fazı parçacıklarının 200-300 nm'den büyük olduğu 30.000-50.000 saat sonra en açık şekilde görülür.

Vanadyum İçeriğinin, Z-Faz Hacim Kesrinin ve Sürünme Dayanımının Kantitatif Bağımlılıkları

347 borunun (%0,45 Nb, %0,06 C, %0,08 N) 600 derecede 50.000 saat boyunca çeşitli kalıntı vanadyum ile kontrollü uzun vadeli yaşlanması ve ardından 600 derece ve 80 MPa'da sürünme kopma testleri aşağıdaki mukavemet kayıplarını belirlemiştir.

Vanadyum İçeriği (ağırlıkça%) Z-600 derecede 50.000 saat sonra Faz Hacmi Fraksiyonu (%)Z-50.000 saatten sonra Faz Parçacık Boyutu (nm) 600 derecede Sürünme Kopma Dayanımı, 80 MPa (h)V-Serbest Temel Çizgide Sürünme Dayanımı 600 derecede 50.000 saat Servis için Önerilir<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 
Nb ve N'nin Z-faz oluşumu üzerindeki etkisi

Daha fazla niyobyum, NbN ve NbCN'yi stabilize eder ve Z-fazını azaltır. Daha yüksek nitrojen Z-fazını hızlandırır.

Ağırlıkça % Niyobyum Ağırlık % Azot Ağırlık % VanadyumZ-50.000 saatten sonra faz hacim oranı (%) Sürünme Kopma Ömrü (saat) 50.000 saat Servis için Önerilen 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16.000-22.000 Kabul Edilebilir 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18.000-24.000 Kabul Edilebilir 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000-26.000 Evet 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000-18,000 Marjinal 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000-22,000 600 Derecede 50.000 Saatlik Hizmet için Kabul Edilebilir Pratik Öneriler

1100 F sıcaklıkta 50.000 saatlik hizmet için 347 kılıflı ısıtıcı için vanadyum ve niyobyum kısıtlamaları.

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-Faz Yağış Doğrulaması

Uzun vadeli sürünme dayanımı isteyen alıcılar için iki yöntem sunulmaktadır. Bunlardan ilki, vanadyum içeriğinin (ICP veya OES ile) kabul edilebilirlikle kimyasal olarak incelenmesidir.<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%.

Sonuç: 50.000 Saatlik Sürünme Ömrü için Düşük Vanadyum Özelliği

600 derecede 50.000 saat çalışan 347 paslanmaz çelik ısıtıcı kılıflarında, %0,10-0,15 kadar düşük artık vanadyumla bile Z-fazı (CrVN) çökelmesi gözlemlenir. Z-fazı 150-600 nm'ye kadar kabalaşır ve vanadyum içermeyen malzemeyle karşılaştırıldığında sürünme kopma mukavemetini %20-50 azaltır. Ultra uzun süreli kullanım (30.000-50,000+ saat) için 347 kılıf belirleyen mühendisler vanadyumu şu şekilde sınırlamalıdır:<0.05-0.08% and niobium to >Z-fazı gelişimini engellemek için %0,45-0,50. Burada geliştirilen çerçeve, vanadyum konsantrasyonunu, Z fazının hacim yüzdesini ve 600 derecede sürünme mukavemetindeki düşüşü birbirine bağlar. Bu çerçeve, müşteriler tarafından yarım asırlık tasarım ömrü boyunca sürünme mukavemetini koruyacak 347 kimyasını tanımlamak için kullanılabilir.