Como a fração de volume da precipitação da fase Z- (CrVN) na tubulação da bainha do aquecedor 347 após 50.000 horas a 600 graus controla a redução na resistência à ruptura por fluência de longo prazo-

A fase complexa de nitreto e sua degradação das propriedades de fluência

A precipitação da fase Z- (CrVN, um nitreto complexo de cromo-vanádio) pode ocorrer no caso de tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 347 (Nb-estabilizados) operando a 600 graus por tempos muito longos (50,000+ horas), como em tubos de fornos industriais de longa-vida ou superaquecedores de usinas de energia, especialmente quando o vanádio está presente como um elemento residual (normalmente 0,10-0,20% V). Ao contrário do NbC, que exibe fortalecimento estável, a fase Z-precipita inicialmente como partículas finas (10-30 nm) que contribuem para a resistência à fluência, mas após 20.000-30.000 horas a 600 graus a fase Z-torna-se mais grossa (para 100-500 nm) e também consome vanádio e nitrogênio, desestabilizando outros precipitados de fortalecimento. O resultado líquido após 50.000 horas é uma perda na resistência à ruptura por fluência de 30-50% em relação ao material livre de vanádio. Abaixo de 0,05% V, a geração da fase Z é insignificante e a resistência à fluência é constante. Neste trabalho, a correlação entre o teor residual de vanádio e a fração volumétrica da fase Z após 50.000 horas a 600 graus e a perda de resistência à ruptura por fluência é quantificada.

Mecanismo de fragilização da fase Z-

A fase Z-(CrVN) é um composto tetragonal composto de cromo, vanádio e nitrogênio. Ele precipita cerca de 500{4}}700 graus. A fase Z- torna-se mais grosseira pelo amadurecimento de Ostwald ao longo do envelhecimento. O crescimento das partículas da fase Z-consome a matriz vanádio (formando o VC) e nitrogênio (formando o Cr 2 N ou NbN). A resistência à fluência é reduzida pelo amolecimento da matriz e pela presença de partículas grandes e quebradiças da fase Z-. Este impacto é visto mais claramente após 30.000-50.000 horas, quando as partículas da fase Z são maiores que 200-300 nm.

Dependências quantitativas do teor de vanádio, fração de volume da fase Z-e resistência à fluência

O envelhecimento controlado-de longo prazo da tubulação 347 (0,45% Nb, 0,06% C, 0,08% N) com vários vanádios residuais a 600 graus por 50.000 horas e subsequentes testes de ruptura por fluência a 600 graus e 80 MPa determinaram as seguintes perdas de resistência.

Conteúdo de vanádio (% em peso) Z-Fração de volume de fase após 50.000 horas a 600 graus (%)Z-Tamanho de partícula da fase após 50.000 horas (nm) Resistência à ruptura por fluência a 600 graus, 80 MPa (h)Resistência à fluência em V-Linha de base livreRecomendado para serviço de 50.000 horas a 600 grau<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 
Efeito de Nb e N na formação da fase Z-

Mais nióbio estabiliza NbN e NbCN e reduz a fase-Z. Maior quantidade de nitrogênio acelera a fase Z-.

% em peso de nióbio em peso % de nitrogênio em peso % de vanádio-fração de volume da fase Z após 50.000 h (%) Vida útil de ruptura por fluência (horas) Recomendado para 50.000 horas de serviço 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16,000-22.000 Aceitável 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18,000-24.000 Aceitável 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000-26.000 Sim 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12.000-18.000 Marginal 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16.000-22.000 Recomendações práticas aceitáveis para serviço de 50.000 horas a 600 graus

Restrições de vanádio e nióbio para 347 aquecedores revestidos para serviço de 50.000 horas a 1100 F.

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
Verificação de precipitação da fase Z-

Para compradores que desejam resistência à fluência a longo prazo, são fornecidos dois métodos. O primeiro é o exame químico do teor de vanádio (por ICP ou OES) com aceitabilidade<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%.

Conclusão: Especificação de baixo vanádio para vida útil de 50.000 horas

Em bainhas de aquecedor de aço inoxidável 347 trabalhando a 600 graus por 50.000 horas, a precipitação da fase Z-(CrVN) é observada, mesmo com vanádio residual tão baixo quanto 0,10-0,15%. A fase Z-torna-se mais espessa para 150-600 nm e reduz a resistência à ruptura por fluência em 20-50% em comparação com o material sem vanádio. Os engenheiros que especificam 347 bainhas para uso de longo prazo (30.000-50,000+ horas) devem limitar o vanádio a<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50% para inibir o desenvolvimento da-fase Z. A estrutura desenvolvida aqui liga a concentração de vanádio, a porcentagem de volume da fase Z e o declínio na resistência à fluência a 600 graus. Esta estrutura pode ser usada pelos clientes para definir a química 347 que reterá a resistência à fluência por uma vida útil de meio século.