Открытый доступ Открытый доступ  Ограниченный доступ Доступ для подписчиков

Механизм формирования поверхностного защитного слоя в жаропрочных сплавах HP40NbTi при высокотемпературном окислении

С. Ю. Кондратьев, А. В. Цеменко

Аннотация


Проанализирован экспериментально процесс длительного высокотемпературного окисления на воздухе многокомпонентного многофазного сплава HP40NbTi на микроуровне с помощью СЭМ и рентгеновского картирования. Последовательно исследовано изменение состава и строения поверхностной многослойной окалины и поверхностной зоны диффузии в сплаве после окисления различной длительности. Показано, что процесс происходит под действием различных взаимосвязанных механизмов. Установлено, что после длительного окисления в поверхностной области сплава устанавливается условное равновесие: образование окалины и внутреннее окисление истощают зону диффузии по Cr и Si. Это компенсируется диффузией Cr, Ni и Fe из основной массы металла к поверхности. Со временем процесс замедляется из-за увеличения толщины диффузионной зоны и образования “барьерного” слоя оксидов кремния.

Ключевые слова


жаропрочные жаростойкие сплавы; нержавеющая сталь; микроструктура; фазовый состав; механизм высокотемпературного окисления

Полный текст:

PDF

Литература


Birks N., Meier G. H., Pettit F. S. Introduction to the high-temperature oxidation of metals. 2nd ed. Cambridge [et al.]: Cambridge University Press, NY, 2006. 338 p.

Garbiak M., Jasinski W., Piekarski B. Materials for reformer furnace tubes. History of evolution // Arch. Foundry Eng. 2011. V. 11. Special Is. 2. P. 47 – 52.

Tillack D. J., Guthrie J. E. Wrought and cast heat-resistant stainless steels and nickel alloys for the refining and petrochemical industries // Nickel Development Institute, Toronto, Technical Series, 1998. Is. 10. P. 71 – 85.

Tawancy H. M., Ul-Hamid A., Mohammed A. I., Abbas N. M. Effect of materials selection and design on the performance of an engineering product — An example from petrochemical industry // Mater. Des. 2007. V. 28, Is. 2. P. 686 – 703.

De Almeida L. H., Ribeiro A. F., Le May I. Microstructural characterization of modified 25Cr – 35Ni centrifugally cast steel furnace tubes // Mater. Charact. 2003. V. 49, Is. 3. P. 219 – 229.

Рудской А. И., Анастасиади Г. П., Кондратьев С. Ю. и др. Влияние фактора числа электронных вакансий на кинетику образования, роста и растворения фаз при длительных высокотемпературных выдержках жаропрочного сплава 0,45C – 26Cr – 33Ni – 2Si – 2Nb // ФММ. 2014. Т. 115, № 1. С. 3 – 13. (Rudskoi A. I., Anastasiadi G. P., Kondrat’ev S. Yu. et al. Effect of electron factor (number of electron holes) on kinetics of nucleation, growth, and dissolution of phases during long-term high-temperature holdings of 0.45C – 26Cr – 33Ni – 2Si – 2Nb superalloy // The Phys. Met. Metallography. 2014. V. 115, Is. 1. P. 1 – 11.)

Monobe L. S., Schхn C. G. Microstructural and fractographic investigation of a centrifugally cast 20Cr32Ni + Nb alloy tube in the ‘as cast’ and aged states // J. Mater. Res. Technol. 2013. V. 2, Is. 2. P. 195 – 201.

Kenik E. A., Maziasz P. J., Swindeman R. W. et al. Structure and phase stability in cast modified-HP austenite after long-term ageing // Scr. Mater. 2003. V. 49, Is. 2. P. 117 – 122.

Рудской А. И., Орыщенко А. С., Кондратьев С. Ю. и др. Механизм и кинетика фазовых превращений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при длительных высокотемпературных выдержках. Часть 1 // МиТОМ. 2014. № 1(703). С. 3 – 8. (Rudskoy A. I., Oryshchenko A. S., Kondrat’ev S. Yu. et al. Mechanisms and kinetics of phase transformations in refractory alloy 45Kh26N33S2B2 in long-term high-temperature holds. Part 1 // Met. Sci. Heat Treat. 2014. V. 56, Is. 1 – 2. P. 3 – 8.)

Рудской А. И., Кондратьев С. Ю., Анастасиади Г. П. и др. Механизм и кинетика фазовых превращений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при длительных высокотемпературных выдержках. Часть 2 // МиТОМ. 2014. № 3(705). С. 12 – 19. (Rudskoy A. I., Kondrat’ev S. Yu., Anastasiadi G. P. et al. Mechanism and kinetics of phase transformations in refractory alloy 45Kh26N33S2B2 under long-term high-temperature holds. Part 2 // Met. Sci. Heat Treat. 2014. V. 56, Is. 3 – 4. P. 124 – 130.)

Buchanan K. G., Kral M. V. Crystallography and morphology of niobium carbide in as-cast HP-Niobium reformer tubes // Metall. Mater. Trans. A. 2012. V. 43A, Is. 6. P. 1760 – 1769.

Buchanan K. G., Kral M. V., Bishop C. M. Crystallography and morphology of MC carbides in niobium-titanium modified as-cast HP alloys // Metall. Mater. Trans. A. 2014. V. 45A, Is. 8. P. 3373 – 3385.

Nunes F. C., De Almeida L. H., Dille J. et al. Microstructural changes caused by yttrium addition to NbTi-modified centrifugally cast HP-type stainless steels // Mater. Charact. 2007. V. 58, Is. 2. P. 132 – 142.

Kaya A. A., Krauklis P., Young D. J. Microstructure of HK40 alloy after high-temperature service in oxidizing/carburizing environment: I. Oxidation phenomena and propagation of a crack // Mater. Charact. 2002. V. 49, Is. 1. P. 11 – 21.

Kaya A. A. Microstructure of HK40 alloy after high-temperature service in oxidizing/carburizing environment: II. Carburization and carbide transformations // Mater. Charact. 2002. V. 49, Is. 1. P. 23 – 34.

Zapaіa R., Kalandyk B. Identification of scale formed on Cr – Ni cast steel // Arch. Foundry Eng. 2010. V. 10, Is. 4. P. 217 – 220.

McIntyre N., Chan N., Chen C. Characterization of oxide structures formed on nickel-chromium alloy during low pressure oxidation at 500 – 600 °C // Oxid. Met. 1990. V. 33, Is. 5 – 6. P. 458 – 479.

Анастасиади Г. П., Кондратьев С. Ю., Рудской А. И. Избирательное высокотемпературное окисление фаз в литом жаропрочном сплаве системы 25Cr – 35Ni – Si – Nb – C // МиТОМ. 2014. № 8(710). С. 3 – 8. (Anastasiadi G. P., Kondrat’ev S. Yu., Rudskoy A. I. Selective high-temperature oxidation of phases in a cast refractory alloy of the 25Cr – 35Ni – Si – Nb – C system // Met. Sci. Heat Treat. 2014. V. 56, Is. 7 – 8. P. 403 – 408.)

Кондратьев С. Ю., Анастасиади Г. П., Рудской А. И. Наноструктурный механизм образования оксидной пленки в жаростойких сплавах на основе Fe – 25Cr – 35Ni // МиТОМ. 2014. № 10(712). С. 15 – 20. (Kondrat’ev S. Yu., Anastasiadi G. P., Rudskoy A. I. Nanostructure mechanism of formation of oxide film in heat-resistant Fe – 25Cr – 35Ni superalloys // Met. Sci. Heat Treat. 2015. V. 56, Is. 9 – 10. P. 531 – 536.)

Borjali S., Allahkaram S. R., Khosravi H. Effects of working temperature and carbon diffusion on the microstructure of high pressure heat-resistant stainless steel tubes used in pyrolysis furnaces during service condition // Mater. Des. 2012. V. 34. P. 65 – 73.

Рудской А. И., Кондратьев С. Ю., Анастасиади Г. П. и др. Трансформация структуры жаропрочного сплава 0,45C – 26Cr – 33Ni – 2Si – 2Nb при длительной высокотемпературной выдержке // МиТОМ. 2013. № 10(700). С. 7 – 14. (Rudskoy A. I., Kondrat’ev S. Yu., Anastasiadi G. P. et al. Transformation of the structure of refractory alloy 0.45C – 26Cr – 33Ni – 2Si – 2Nb during a long-term high-temperature hold // Met. Sci. Heat Treat. 2014. V. 55, Is. 9 – 10. P. 517 – 525.)

Anwar Ul-Hamid, Hani M. Tawancy, Abdul-Rashid I. Mohammed, Nureddin M. Abbas. Failure analysis of furnace radiant tubes exposed to excessive temperature // Eng. Fail. Anal. 2006. V. 13, Is. 6. P. 1005 – 1021.

Bonaccorsi L., Guglielmino E., Pino E., Servetto C., Sili A. Damage analysis in Fe – Cr – Ni centrifugally cast alloy tubes for reforming furnaces // Eng. Fail. Anal. 2014. V. 36. P. 65 – 74.

Antonello Alvino, Daniela Lega, Francesco Giacobbe et al. Damage characterization in two reformer heater tubes after nearly 10 years of service at different operative and maintenance conditions // Eng. Fail. Anal. 2010. V. 17, Is. 7 – 8. P. 1526 – 1541.

Zhichao Zhu, Congqian Cheng, Jie Zhao, Lu Wang. High temperature corrosion and microstructure deterioration of KHR35H radiant tubes in continuous annealing furnace // Eng. Fail. Anal. 2012. V. 21. P. 59 – 66.

Рудской А. И., Орыщенко А. С., Кондратьев С. Ю. и др. Особенности структуры и длительная прочность литого жаропрочного сплава 45Х26Н33С2Б2 // МиТОМ. 2013. № 4(694). С. 42 – 47. (Rudskoy A. I., Oryshchenko A. S., Kondrat’ev S. Yu. et al. Special features of structure and long-term strength of cast refractory alloy 45Kh26N33S2B2 // Met. Sci. Heat Treat. 2013. V. 55, Is. 3 – 4. P. 209 – 215.)

Sustaita-Torres I. A., Haro-Rodrigues S., Guerrero-Mata M. P. et al. Aging of cast 35Cr – 45Ni heat resistant alloy // Mater. Chem. Phys. 2012. V. 133, Is. 2 – 3. P. 1018 – 1023.

Фукс М. Д., Орыщенко А. С., Кондратьев С. Ю., Анастасиади Г. П. Длительная прочность литого жаропрочного сплава 45Х26Н33С2Б2 // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия “Наука и образование”. 2012. № 4(159). С. 92 – 96.

Орыщенко А. С., Кондратьев С. Ю., Анастасиади Г. П. и др. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 1: Литое состояние // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия “Наука и образование”. 2012. № 1(142). С. 155 – 163.

Орыщенко А. С., Кондратьев С. Ю., Анастасиади Г. П. и др. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 2: Влияние высокотемпературной выдержки // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия “Наука и образование”. 2012. № 2-1(147). С. 217 – 228.

Рудской А. И., Анастасиади Г. П., Орыщенко А. С. и др. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 3: Механизм и кинетика фазовых превращений // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия “Наука и образование”. 2012. № 3-2(154). С. 143 – 150.

Kondrat’ev S. Yu., Sviatysheva E. V., Anastasiadi G. P., Petrov S. N. Fragmented structure of niobium carbide particles in as-cast modified HP alloys // Acta Mater. 2017. V. 127. P. 267 – 276.

Raluca Voicu, Eric Andrieu, Dominique Poquillon et al. Microstructure evolution of HP40-Nb alloys during aging under air at 1000 °C // Mater. Charact. 2009. V. 60, Is. 9. P. 1020 – 1027.

Кондратьев С. Ю., Пташник А. В., Анастасиади Г. П., Петров С. Н. Анализ превращений карбидных фаз в сплаве 25Cr35Ni методом количественной электронной микроскопии // МиТОМ. 2015. № 7(721). С. 36 – 43. (Kondrat’ev S. Yu., Ptashnik A. V., Anastasiadi G. P., Petrov S. N. Analysis of transformations of carbide phases in alloy 25Cr35Ni by the method of quantitative electron microscopy // Met. Sci. Heat Treat. 2015. V. 57, Is. 7 – 8. P. 402 – 409.)

Kondrat’ev S. Y., Anastasiadi G. P., Petrov S. N., Ptashnik A. V. Kinetics of the formation of intermetallic phases in HP-type heat-resistant alloys at long-term high-temperature exposure // Metall. Mater. Trans. A. 2017. V. 48, Is. 1. P. 482 – 492.

Kondrat’ev S. Yu., Kraposhin V. S., Anastasiadi G. P., Talis A. L. Experimental observation and crystallographic description of M7C3 carbide transformation in Fe – Cr – Ni – C HP type alloy // Acta Mater. 2015. V. 100, Is. 2. P. 275 – 281.

Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковская А. М. и др. Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

Зубарев Е. Н. Реакционная диффузия в наноразмерных слоистых системах металл/кремний // УФН. 2011. Т. 181. № 5. С. 491 – 520. (Zubarev E. N. Reactive diffusion in multilayer metal/silicon nanostructures // Phys. Usp. 2011. V. 54, Is. 5. P. 473 – 498).

Guo J., Cheng C., Li H. et al. Microstructural analysis of Cr35Ni45Nb heat-resistant steel after a five-year service in pyrolysis furnace // Eng. Fail. Anal. 2017. V. 79. P. 625 – 633.

Yan J., Gao Y., Liang L. et al. Effect of yttrium on the cyclic oxidation behaviour of HP40 heat-resistant steel at 1373 K // Corros. Sci. 2011. V. 53, Is. 1. P. 329 – 337.

Yan J., Gao Y., Shen Y. et al. Effect of yttrium on the oxide scale adherence of pre-oxidized silicon-containing heat-resistant alloy // Corros. Sci. 2011. V. 53, Is. 11. P. 3588 – 3595.

Liu L., Wu Sh., Dong Y., Lы Sh. Effects of alloyed Mn on oxidation behaviour of a Co – Ni – Cr – Fe alloy between 1050 and 1250 °C // Corros. Sci. 2016. V. 104. P. 236 – 247.

Guan K. S., Xu F., Wang Z. W., Xu H. Failure analysis of hot corrosion of weldments in ethylene cracking tubes // Eng. Fail. Anal. 2005. V. 12, Is. 1. P. 1 – 12.

Неорганические соединения хрома: Справочник / Сост.: В. А. Рябин, М. В. Киреева, М. А. Берг и др. Л.: Химия, 1981. 208 с.

Young D. J. High temperature oxidation and corrosion of metals. Corrosion Series, Vol. 1. 2nd ed. Cambridge, UK: Elsevier Science and Technology, 2016. 758 p.

Trivedi M. K., Tallapragada R. M., Branton A. et al. Characterization of physical, thermal and structural properties of chromium (VI) oxide powder: impact of bio field treatment // J. Powder Metall. Min. 2015. V. 4, Is. 1: 1000128.

Войтович Р. Ф., Пугач Э. А. Окисление тугоплавких соединений: Справочник. М.: Металлургия, 1978. 108 с.

Rothman S. J., Nowicki L. J., Murch G. E. Self-diffusion in austenitic Fe – Cr – Ni alloys // J. Phys. F: Met. Phys. 1980. V. 10, Is. 3. P. 383 – 398.

Garimella N., Brady M. P., Sohn Y. Interdiffusion in g (face-centered cubic) Ni – Cr – X (X = Al, Si, Ge, or Pd) alloys at 900 °С // J. Phase Equilibria Diffus. 2006. V. 27, Is. 6. P. 665 – 670.

Garimella N., Brady M. P., Sohn Y. H. Ternary and quaternary interdiffusion in g (fcc) Fe – Ni – Cr – X (X = Si, Ge) alloys at 900 °С // Mater. Sci. Forum. 2008. V. 595 – 598. P. 1145 – 1152.

Lai G. Y. High-temperature corrosion and materials applications. Materials Park, OH: ASM International, USA, 2007. 468 p.

Moss T., Cao G., Was G. S. Oxidation of alloy 600 and alloy 690: experimentally accelerated study in hydrogenated supercritical water // Metall. Mater. Trans. A. 2017. V. 48A, Is. 4. P. 1596 – 1612.

Moss T., Was G. S. Accelerated stress corrosion crack initiation of alloys 600 and 690 in hydrogenated supercritical water // Metall. Mater. Trans. A. 2017. V. 48A, Is. 4. P. 1613 – 1628.

Starostin M., Grinberg Dana A., Dinner O. et al. High-temperature corrosion of stainless steels and Ni alloys during combustion of urea-ammonium nitrate (UAN) fuel // Oxid. Met. 2017. V. 87, Is. 1 – 2. P. 39 – 56.

Oquab D., Xu N., Monceau D., Young D. J. Subsurface microstructural changes in а cast heat resisting alloy caused by high temperature corrosion // Corros. Sci. 2010. V. 52, Is. 1. P. 255 – 262.

Масленков С. Б., Масленкова Е. А. Стали и сплавы для высоких температур. Справочник в двух книгах. Книга 1. М.: Металлургия, 1991. 381 с.




DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2024.4.3-18

© Издательский дом «Фолиум», 1998–2024