Как объемная доля межзеренной сегрегации бора ниже 50 частей на миллион B в трубке с нагревательной оболочкой из стали 316L контролирует повышение пластичности при ползучести при температуре 650 градусов в течение 20 000 часов службы

Влияние микроэлементов на зернограничное сцепление и кавитационную стойкость

Для электронагревательных трубок с оболочкой из нержавеющей стали 316L, работающих при температуре 650°C в течение длительных периодов времени (20,000+ часов), добавление в сплав следовых количеств бора (обычно 20-50 частей на миллион) может значительно улучшить пластичность при ползучести и продлить срок службы при ползучести за счет сегрегации по границам зерен и улучшения сцепления границ зерен. Бор не является стандартной добавкой к стали 316L, но может оставаться в составе лома или намеренно добавляться в некоторые высокие марки. Сегрегация бора по границам зерен при оптимальных значениях (20-30 м.д. В) снижает скорость зернограничной диффузии и возникновения ползучей кавитации, что приводит к увеличению предела ползучести с 10-15 % до 25-35 % и увеличению длительной долговечности на 30-50 %. При концентрации B выше 50-70 ppm избыток бора образует хрупкие частицы борида (например, Fe 2 B, Cr 2 B) вблизи границ зерен, снижая пластичность. Положительное влияние минимально при концентрации B ниже 15 частей на миллион. В этой статье количественно определена связь между содержанием B, сегрегацией по границам зерен и пластичностью при ползучести при температуре 650 градусов в течение 20 000 часов службы.

Механизм борного повышения ползучести

Бор представляет собой крошечный межузельный элемент, который сильно сегрегирует границы зерен (коэффициент сегрегации 10–100). Бор на границах зерен снижает зернограничный коэффициент диффузии хрома и железа при 650 градусах, что замедляет скорость зарождения и роста полостей ползучести. Бор также помогает границам зерен лучше удерживаться вместе, что затрудняет рост полостей. При идеальной концентрации бора покрытие по границам зерен представляет собой практически полный монослой (~0,2-0,5 монослоя, что соответствует 1-2 ат% на границах зерен). Выше этого порога бор становится пересыщенным и выделяется в виде твердых хрупких боридов (M2B) на границах зерен и в тройных точках, которые являются местами быстрого зарождения полостей.

Количественная корреляция между концентрацией бора и пластичностью ползучести при 650 градусах

Было обнаружено, что контролируемые добавки бора к 316L (0,015% C, 0,08% N, 2,2% Mo, остальное Fe) при температуре 650 градусов и 80 МПа в течение 20 000 часов демонстрируют следующие свойства ползучести.

Содержание бора (ppm) Сегрегация бора по границам зерен (расчетная доля монослоя) M_2_B Объемная доля борида (%) Удлинение при ползучести при 650 градусах, 80 МПа (%) Срок службы при ползучести (часы) Относительный срок службы при разрыве (B-свободный базовый уровень) Рекомендуется для 20 000 часов эксплуатации при 650 градусах 0 (B-свободный) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× приемлемо 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× приемлемо 10-15 0.2-0.3 0 18-24 11,000-15,000 1.20-1.35× да 15-20 0.3-0.4 0 22-28 12,000-17,000 1.35-1.50× да 20-25 0.4-0.5<0.01 25-32 14,000-18,000 1.50-1.60× Best 25-30 0.5-0.7 0.01-0.02 24-30 13,000-17,000 1.40-1.55× Yes 30-40 0.7-0.9 0.02-0.05 20-26 12,000-15,000 1.20-1.35× Acceptable 40-50 0.9-1.0 (near monolayer) 0.05-0.10 16-22 10,000-13,000 1.00-1.20× Marginal 50-70 Fully saturated 0.10-0.20 12-18 8,000-11,000 0.80-1.00× Not recommended 70-10
Влияние азота на сегрегацию бора

Азот конкурирует с бором за места сегрегации на границах зерен. Эффективная сегрегация бора уменьшается с увеличением азота.

Содержание азота (ppm) Идеальный диапазон бора для максимальной ползучести (ppm) Длительное удлинение при ползучести при идеальном B (%) Соотношение B:N Рекомендуемое<200 20-30 28-35 >0.10 200-400 25-35 25-30 0.08-0.12 400-600 30-40 22-28 0.06-0.08 600-800 35-50 (less effective) 18-24 0.05-0.07 >800Не рекомендуется<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

Оптимальная пластичность нагревателей в корпусе из 316L в течение 20 000 часов работы при температуре 650 градусов достигается при следующих уровнях содержания бора.

Желаемый срок службы при 650 градусах (часы) Возможный диапазон содержания бора (ppm) Бор для предотвращения охрупчивания (макс.) (ppm)Минимальный азот (ppm) Ожидаемый срок службы при ползучести (часы) 10,000 10-30 50<600 10,000-15,000 15,000 15-25 40 <500 12,000-18,000 20,000 20-25 30 <400 15,000-18,000 25,000 20-25 25 <300 16,000-20,000
Проверка и разделение содержания бора

There are three ways purchasers looking for boron-enhanced 316L can confirm it. First is chemical analysis (ICP or GDMS) for total boron content: acceptability 20-30 ppm. The second is secondary ion mass spectroscopy (SIMS) or Auger electron spectroscopy (AES) to measure grain boundary boron segregation (needs fracture in vacuum). Acceptance: covering of grain boundaries is 0.4-0.7 monolayer. 3. creep screening test: 650°C, 80 MPa; time to 1% strain >2,000 hours and elongation >25% приемлемо.

Вывод: оптимизация бора для обеспечения ползучести в течение 20 000 часов при температуре 650 градусов.

Добавление 20-30 частей на миллион бора в оболочки нагревателя из нержавеющей стали 316L при 650 градусах приводит к сегрегации по границам зерен, увеличивая удлинение при ползучести с 12-18% до 25-32% и долговечность до разрыва на 30-50% (с 8000-12000 часов до 12000-18000 часов). Но при концентрации ниже 15 ppm польза невелика. Избыток бора более 50-70 частей на миллион создает хрупкие бориды на границах зерен (M 2 B), которые снижают пластичность и долговечность. Если инженер указывает оболочки из 316L на 20 000 часов работы при температуре 650 градусов, он должен требовать регулируемого добавления бора в размере 20–30 частей на миллион и ограничения по азоту в размере 20–30 частей на миллион.<400-500 ppm. The approach proposed here links boron concentration and grain boundary segregation to creep ductility and rupture life at 650°C, enabling purchasers to specify boron-optimized 316L that maximises high-temperature creep performance through improved grain boundary cohesion.