Как обемната фракция на междузърнеста сегрегация на бор под 50 ppm B в 316L нагревателна обвивка на тръбата контролира подобряването на пластичността при пълзене при 650 градуса за 20 000-часова работа

Ефекти на микроелементи върху кохезията на границата на зърното и устойчивостта на кавитация

За електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316L, работещи при 650 C за продължителни периоди от време (20, 000+ часа), добавянето на следи от бор (обикновено 20-50 ppm) към сплавта може значително да подобри пластичността при пълзене и да удължи живота на разкъсване при пълзене чрез отделяне до границите на зърното и подобряване на кохезията на границите на зърното. Борът не е стандартна добавка към 316L, но може да бъде остатъчен от скрап или нарочно добавен в някои високи степени. Сегрегацията на бор по границите на зърната при оптимални стойности (20-30 ppm B) намалява скоростта на дифузия по границите на зърната и началото на кавитация при пълзене, което води до увеличения на удължението при разкъсване при пълзене от 10-15% до 25-35% и увеличава живота на разкъсване при пълзене с 30-50%. Над 50-70 ppm B, излишъкът от бор образува крехки боридни частици (напр. Fe 2 B, Cr 2 B) близо до границите на зърната, намалявайки пластичността. Положителното въздействие е минимално под 15 ppm B. Тази статия определя количествено връзката между съдържанието на B, сегрегацията по границите на зърното и пластичността при пълзене при 650 градуса за 20 000 часа работа.

Механизъм на индуцираното от бор повишаване на пластичността при пълзене

Борът е малък интерстициален елемент, който се сегрегира силно до границите на зърната (коефициент на сегрегация 10-100). Борът в границите на зърната понижава дифузията на границите на зърната на хром и желязо при 650 градуса, което забавя скоростта на зараждане и растеж на кухини при пълзене. Борът също така помага на границите на зърната да се задържат по-добре, което затруднява растежа на кухините. При идеалната концентрация на бор, покритието по границите на зърната е почти пълен монослой (~0,2-0,5 монослой, съответстващ на 1-2 ат% по границите на зърната). Над този праг борът става свръхнаситен и се утаява като твърди крехки бориди (M2B) по границите на зърната и тройните точки, които са места за бързо зараждане на кухини.

Количествена корелация между концентрацията на бор и пластичността при пълзене при 650 градуса

Установено е, че контролираните добавки на бор към 316L (0,015% C, 0,08% N, 2,2% Mo, баланс Fe), оценени при 650 градуса и 80 MPa за до 20 000 часа, показват следните свойства на пълзене.

Съдържание на бор (ppm) Граница на зърното Сегрегация на бор (изчислено съотношение на монослоя) M_2_B Обемна фракция на борида (%) Удължение при разкъсване при пълзене при 650 градуса, 80 MPa (%) Живот на разкъсване при пълзене (часове) Относителен живот на разкъсване (B-Свободна базова линия) Препоръчва се за 20 000 часа обслужване при 650 градуса 0 (B-безплатно) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× Приемливо 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× Приемливо 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
Ефект на азота върху сегрегацията на бор

Азотът се конкурира с бора за местата на сегрегация по границите на зърната. Ефективното отделяне на бор намалява с увеличаването на азота.

Съдържание на азот (ppm) Идеален диапазон на бор за максимална пластичност при пълзене (ppm) Удължение при разкъсване при пълзене при идеално съотношение B (%)B:N Препоръчително<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 >800 Не се препоръчва<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

Оптималната пластичност при пълзене на нагреватели с корпус 316L за 20 000 часа работа при 650 градуса се постига при следните нива на бор.

Желан експлоатационен живот при 650 градуса (часа) Възможен борен диапазон (ppm) Бор за избягване на крехкост (макс.) (ppm) Минимален азот (ppm) Очакван живот при пълзене (часове) 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 разделяне на съдържанието на бор

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% приемливо.

Заключение: Борна оптимизация за 20 000 часа живот при пълзене при 650 градуса

Добавянето на 20-30 ppm бор към обвивките на нагревателя от неръждаема стомана 316L при 650 градуса сегрегира до границите на зърното, увеличавайки удължението при разкъсване при пълзене от 12-18% на 25-32% и живота при разкъсване с 30-50% (от 8 000-12 000 часа до 12 000-18 000 часа). Но под 15 ppm ползата е малка. Излишъкът на бор над 50-70 ppm създава крехки бориди по границата на зърното (M 2 B), които намаляват пластичността и дълготрайността. Ако инженер определя 316L обвивки за 20 000 часа работа при 650 градуса, той трябва да изисква регулирано добавяне на бор от 20-30 ppm и ограничение на азот от<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.