Czasopismo | INŻYNIERIA MATERIAŁOWA | Rocznik 2016 - zeszyt 5

Microstructural evolution of HR6W alloy during ageing at high temperature

10.15199/28.2016.5.1

nr katalogowy: 101848
10.15199/28.2016.5.1

The HR6W alloy (23Cr40Ni30Fe7WTiNb) is a candidate for boiler components of advanced ultra-supercricical (A-USC) conventional power plants. The influence of isothermal ageing at 700°C and 900°C for up to 110 hours on the microstructure of HR6W alloy was investigated in detail by advanced scanning and transmission electron microscopy methods. The results show that, beside primary MX carbonitrides, the M23C6 and Laves phase, Fe2W, were precipitated in the austenitic matrix. Their size and spatial distribution depend on ageing conditions. Microstructure changes influenced the hardness of the investigated alloy. Key words: HR6W, microstructure, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), steam power plant (SPP).1. INTRODUCTION The HR6W is Ni-Fe based alloy produced by Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation with a nominal composition of 23Cr40Ni30Fe7WTiNb designed for tubing, especially for superheaters and reheaters coils and for thick-walled elements of boilers. The HR6W alloy is the candidate for advanced ultra-supercritical (A-USC) boiler pressure elements owing to its superior creep and oxidation resistance at high temperature [1÷4]. The aim of the study was to examine a stability of the HR6W alloy microstructure during ageing at 700°C and 900°C affecting its mechanical properties during service in the power plant. The highest ageing temperature was chosen based on phase equilibrium diagrams and corresponds to operating temperature of 670°C for up to 200 000 hours service for HR6W alloy [5]. 2. MATERIAL AND EXPERIMENTAL DETAILS The chemical composition of the investigated HR6W alloy and standard requirements for HR6W alloy are presented in the Table 1. The alloy was delivered as the tube with outside diameter of 38 mm and wall thickness of 8.8 mm. The as-received alloy was solution treated at temperature range of 1190÷1250°C followed by fast cooling [6]; the exact parameters of heat treatment were[...]

Bibliografia

[1] Shingledecker J. P., Evans N. D.: Creep-rupture performance of 0.07C-23Cr-45Ni-6W-Ti, Nb austenitic alloy (HR6W) tubes. International Journal of Pressure Vessels and Piping 87 (2010) 345÷350.
[2] Semba H., Hamaguchi T., Yoshizawa M., Okada H., Ishikawa S.: Nippon Steel & Sumimoto Metal Corporation technical report No. 107. (2015) 71÷77.
[3] Masuyama F.:
[In:] Creep properties of heat resistant steels and superalloys. Landolt-Börnstein Group VIII Advanced Materials and Technologies, Springer, Berlin, Heidelberg (2004) 279÷282.
[4] Hernas A. (red.): Charakterystyki nowej generacji materiałów dla energetyki. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice (2015) 347÷386.
[5] Jelita Rydel J.: Influence of high temperature on a microstructure of HR6W alloy for advanced steam power plants. MSc thesis, AGH University of Science and Technology, Krakow (2012).
[6] VdTŰV Werkstoffblatt 559/2 — Hochwarmfeste Nickelbasislegierung HR6W.
[7] ASTAR (EBSD-TEM) like orientation — phase mapping precession unit for TEM nanoanalysis (NanoMEGAS Brochure). http://nanomegasusa. com/documents/ASTAR brochure 1003.pdf.
[8] Stadelmann P.: JEMS, Java electron microscopy software. http://cimewww. epfl.ch/.
[9] Tokairin T., Dahl K. V., Danielsen H. K., Grumsen F. B., Sato T., Hald J.: Investigation on long-term creep rupture properties and microstructure stability of Fe-Ni based alloy Ni-23Cr-7W at 700°C. Materials Science & Engineering A565 (2013) 285÷291.
[10] Noguchi Y., Okada H., Semba H., Yoshizaw M.: Isothermal, thermomechanical and bithermal fatigue life of Ni base alloy HR6W for piping in 700°C USC power plants. Procedia Engineering 10 (2011) 1127÷1132. Zmiany mikrostruktury stopu HR6W podczas starzenia w wysokiej temperaturze.1. CEL PRACY Stop HR6W został wyprodukowany przez firmę Nippon Steel & Sumimoto Metal Corporation. Nominalny skład chemiczny stopu HR6W to 23Cr40Ni30Fe7WTiNb. Ze względu na dużą odporność na utlenianie oraz wytrzymałość na pełzanie stop HR6W jest przeznaczony do zastosowań na elementy kotłów pracujących przy parametrach ultranadkrytycznych (A-USC advanced ultra-supercritical), np.: przegrzewacze pary pierwotnej, komory wylotowe itp. Celem pracy było określenie stabilności mikrostruktury oraz jej zmian podczas wysokotemperaturowego, izotermicznego starzenia w temperaturze 700°C i 900°C w aspekcie możliwości zastosowania stopu HR6W do długotrwałej pracy w warunkach wysokiej temperatury. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Badany stop dostarczono w postaci rury o średnicy zewnętrznej 38 mm oraz grubości ścianki 8,8 mm, z której wycięto próbki do badań. Skład chemiczny badanego stopu przedstawiono w tabeli 1. Próbki starzono w temperaturze 700°C oraz 900°C przez 1, 10, 55 oraz 110 godz. Temperaturę 900°C oraz czas starzenia 110 godz. dobrano w taki sposób, aby zasymulować warunki pracy w parametrach ultranadkrytycznych, tj. w temperaturze 670°C przez 200 000 godz. Należy jednak zauważyć, iż skład fazowy stopu w temperaturze 900°C może różnić się od jego składu fazowego w temperaturze 670°C. Krótsze czasy starzenia zastosowano w celu określenia zmian w mikrostrukturze podczas ekspozycji stopu w podwyższonej temperaturze. Mikrostrukturę stopu w stanie dostawy oraz po starzeniu zbadano za pomocą mikroskopii świetlnej (LM) z wykorzystaniem mikroskopu AxioImager M1m (ZEISS), skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) Merlin Gemini II (ZEISS) wyposażonego w detektor charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego (EDS, Quantax 800 firmy Brucker). Badania z wykorzystaniem technik transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) przeprowadzono na mikroskopie FEI Tecnai G2 Twin wyposażonym w system mikroanalizy EDS firmy EDAX oraz układ do precesji dyfrakcji elektronów DigiStar i system ASTAR do automatycznej analizy orientacji ziaren i map fazowych w nanoobszarach (NanoMEGAS). 3. WYNIKI I ICH DYSKUSJA W stanie dostawy mikrostruktura stopu (rys. 1, 2) składała się z przesyconej osnowy austenitycznej oraz pierwotnych wydzieleń typu MX (gdzie M = Nb lub Ti, X = C i/lub N). Starzenie w temperaturze 700°C spowodowało heterogeniczne wydzielanie węglików typu M23C6 (rys. 3÷6). W mikrostrukturze wszystkich próbek obserwowano liczne wydzielenia węglików M23C6, głównie na granicach ziaren oraz granicach bliźniaczych. W mikrostrukturze próbek starzonych w temperaturze 900°C. obserwowano heterogeniczne wydzielenia węglików M23C6. Węgliki te zostały zidentyfikowane z wykorzystaniem metod dyfrakcji elektronowej oraz STEM–EDS jako węgliki wzbogacone w Cr. Nawet krótki czas starzenia (1 h) powodował intensywny proces wydzielania węglików M23C6 z austenitycznej osnowy (rys. 7, 8). W próbkach starzonych w temperaturze 900°C przez 110 godz. obserwowano istotne zmiany w mikrostrukturze, tj. zwiększoną liczbę wydzieleń węglików typu M23C6 oraz obecność wydzieleń Fazy Lavesa (rys. 9÷11). Skład chemiczny Fazy Lavesa przedstawiono w tabeli 2. Wydzielenia Faz Lavesa mogą przyczyniać się do umocnienia wydzieleniowego stopu, jednakże mogą także zmniejszać efekt umocnienia roztworowego, ponieważ zmniejszają stężenie W w osnowie. Nie zaobserwowano tendencji do rozrostu ziarna podczas procesów starzenia. Rozkład wielkości węglików M23C6 w stopie po starzeniu przedstawiono na rysunku 13. 4. PODSUMOWANIE Zastosowanie stopu HR6W do produkcji elementów konstrukcyjnych elektrowni konwencjonalnych pracujących przy parametrach ultranadkrytycznych wymaga kompleksowej wiedzy na temat ich długoczasowej stabilności mikrostruktury w temperaturze 650°C. W celu zasymulowania parametrów ultranadkrytycznych (670°C /200 000 godz.) przeprowadzono izotermiczne starzenie stopu w temperaturze 900°C przez 110 godz. Analiza mikrostruktury stopu w stanie dostawy oraz po starzeniu została przeprowadzona z wykorzystaniem zaawansowanych technik mikroskopii świetlnej i elektronowej. Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski. 1. Mikrostruktura stopu w stanie dostawy składa się z przesyconej osnowy austenitycznej oraz pierwotnych wydzieleń MX. 2. Starzenie stopu w 900°C powoduje wydzielanie bogatych w chrom węglików M23C6. Liczebność względna wydzieleń M23C6 w próbkach starzonych w 900°C przez 1, 10 i 55 godz. jest zbliżona, natomiast jest znacznie większa dla próbki starzonej przez 110 godz. Podobnie rozkłady wielkości wydzieleń M23C6 dla próbek starzonych w 900°C przez 1, 10 i 55 godz. są zbliżone, natomiast w próbce starzonej przez 110 godz. obserwuje się znacznie więcej drobnych wydzieleń. 3. Węgliki M23C6 zarodkują heterogenicznie na granicach ziaren, granicach bliźniaczych i dyslokacjach. 4. Starzenie w 900°C przez 110 godz. powoduje wydzielanie fazy Lavesa typu Fe2W. 5. Wielkość ziaren po starzeniu przez 110 godz. nie zmieniła się. Ocena możliwości zastosowania stopu HR6W w nadkrytycznych blokach energetycznych wymaga dalszych badań, głównie długotrwałych prób pełzania.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


e-Publikacja (format pdf) - nr 101848 "Microstructural evolution..." licencja: Osobista Produkt cyfrowy	10.00 zł

Zeszyt


INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - e-zeszyt (pdf) 2016-5 licencja: Osobista Produkt cyfrowy	65.00 zł

Prenumerata

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

402.00 zł

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - papierowa prenumerata roczna	492.00 zł brutto 455.56 zł netto 36.44 zł VAT (stawka VAT 8%)
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - pakowanie i wysyłka	21.00 zł brutto 17.07 zł netto 3.93 zł VAT (stawka VAT 23%)

513.00 zł

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

600.00 zł

Zeszyt

2016-5

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma