Mikrostrukturní stabilita a creepová odolnost svarových spojů z ocelí HR3C a Super304H pro moderní bloky fosilních elektráren s USC parametry páry

Jakub Řehořek

Doctoral thesis

Microstructural Stability and Creep Resistance of Weld Joints of Steels HR3C and Super304H for Fossil Fuel Power Plants with USC Steam Parameters

Anotácia:

Předložená disertační práce si klade za cíl ověřit vliv tepelného zpracování po svařování (PWHT) na žárupevnost homogenních svarů austenitických ocelí HR3C a Super304H. Pozitivní vliv PWHT na mez pevnosti při tečení (RuT/t/T) a mikrostrukturu byl experimentálně prokázán několika analytickými technikami: TEM, XRD, SEM a SEM-EBSD. Pomocí LOM a fraktografické analýzy byly detailně studovány degradační mechanismy a mikrostrukturní stabilita po creepové expozici při teplotě 650 °C. Strukturní analýza rozšiřuje limitované poznatky o minoritních fázích ve svarech studovaných ocelí s obsahem mědi. Jako experimentální materiál byly zvoleny trubky HR3C/HR3C (svar 1) a Super304H/HR3C (svar 2) ve stavu po svaření (AW) s časem do lomu až 37 672 hod. a po tepelném zpracování po svařování (PWHT) až 54 502 hod. Takto dlouhá doba umožnila parametrickými metodami stanovit spolehlivou extrapolaci až na 100 000 hod. Extrapolace RuT(W)/t/T byla provedena pomocí série přetržených zkoušek tečení na „cross-weld“ (CW) vzorcích při teplotách 600, 650 a 700 °C. Bylo zjištěno, že po režimu PWHT došlo k výraznému navýšení RuT(W)/105/650°C svaru 2 na 101 MPa, což je o 20 MPa více nežli mez pevnosti při tečení stejného typu svaru ve stavu po svaření. RuT(W)/105/650°C svaru 1 po PWHT činila 109 MPa. Interkrystalický creepový lom nastal vždy podél hrany ztavení (HZ) na straně oceli Super304H. Mikrotvrdost v jemnozrnné tepelně ovlivněné oblasti (TOZ) v oceli Super304H byla vždy nejnižší v celém svaru. Tato oblast svaru s nejnižší mikrotvrdostí byla preferenčním místem pro rozvoj kavitačního poškození s následným lomem v této oblasti. Ve svaru 2 před a po creepu při teplotě 650 °C byla detekována vanadem modifikovaná Z-fáze. Současné termodynamické modely nezahrnují data o modifikované Z-fázi a existuje limitované množství studií, které se touto minoritní fází zabývají. Koncentrace vnadu v tetragonální mřížce modifikované Z-fáze byla nízká jemné částice dosahovali rozměrů do 20 nm. Rozměry tetragonální mřížky nalezené modifikované Z-fáze byly ověřeny obrazovou analýzou snímku HR-STEM. Mezirovinná vzdálenost c = 7,593 ± 0,054 Å byla větší oproti původní velikosti c = 7,39 Å Z-fázi. Měření parametru mřížky a = 2,801 ± 0,037 Å bylo v dobré shodě s dostupnými literárními údaji a = 2,86 Å. Malá koncentrace mědi byla přítomna již před creepem v částicích MXI ve svaru 2 v oceli Super304H před PWHT. V oceli Super304H nebyly nalezeny částice nitridické fáze Cr2N, proto se předpokládá, že stabilní nitridickou fázi představuje Z-fáze. Pomocí SEM-FIB tenké kovové fólie byla provedena analýza TOZ v oceli Super304H. Byly identifikovány sférické částice ε-Cu fáze. Tyto částice byly nalezeny také v okolí σ-fáze. Částice dosahovaly velikosti jednotek nanometrů, účinně bránily pohybu dislokací v matrici a růstu nových zrn. Ve svarovém kovu na bázi Ni-slitiny typu 617 byla identifikována γ' fáze zvyšující žárupevné vlastnosti svarového kovu během creepové expozice při všech testovaných teplotách.

Abstract:

The presented dissertation aims to verify the effect of post-weld heat treatment (PWHT) on the heat-resistant strength of homogeneous welds of austenitic steels HR3C and Super304H. The positive effect of PWHT on the creep strength RuT(W)/t/T and microstructure was experimentally demonstrated by several analytical techniques: TEM, XRD, SEM and SEM-EBSD. The degradation mechanisms and microstructural stability after creep exposure at 650 °C were studied in detail by LOM and fractographic analysis. The structural analysis extends the limited knowledge of minority phases in the welds of the studied copper-containing steels. HR3C/HR3C (Weld 1) and Super304H/HR3C (Weld 2) tubes in the as–welded (AW) condition with time to fracture up to 37 672 h and post-weld heat treatment (PWHT) up to 54 502 h were chosen as experimental material. This long time allowed parametric methods to determine a reliable extrapolation up to 100,000 h. The extrapolation of RuT(W)/t/T was carried out using a series of ruptured short-term creep tests on cross-weld (CW) samples at temperatures of 600, 650 and 700 °C. It was found that after PWHT mode, RuT(W)/105/650°C of weld 2 increased significantly to 101 MPa, which is 20 MPa higher than the creep strength of the same type of weld in the AW condition. The RuT(W)/105/650°C of weld 1 after PWHT was 109 MPa. Intergranular creep rupture always occurred along the fusion boundary (FB) on the Super304H side of the steel. The hardness in the fine–grained FB of heat–affected zone (HAZ) of Super304H steel was always the lowest in the whole weld. This region with the lowest hardness was the preferential location for the development of cavitation damage with subsequent rupture in this area. A vanadium modified Z-phase was detected in weld 2 before and after creep at 650 °C. Current thermodynamic models do not include data on the modified Z-phase and there are a limited number of studies that address this minor phase. The copper concentration in the tetragonal lattice of the modified Z-phase has been found to be as high as ~30 atomic percent in fine particles with dimensions down to 20 nm. The dimensions of the tetragonal lattice found in the modified Z-phase were verified by HR-STEM image analysis. The inter-planar spacing c = 7.593 ± 0.054 Å was larger compared to the original size c = 7.39 Å of the modified Z-phase. The measurement of the lattice parameter a = 2.801 ± 0.037 Å was in good agreement with the available literature data of a = 2.86 Å. A small concentration of copper was already present before creep in the MXI particles in weld 2 in Super304H steel before PWHT. No Cr2N nitride phase particles were found in the Super304H steel, so it is assumed that the stable nitride phase is the Z-phase. A HAZ analysis was performed using SEM-FIB thin metal foil in Super304H steel. Spherical ε-Cu phase particles were identified. These particles were also found in the vicinity of the σ-phase. The particles ε-Cu reached the size of units of nanometers, effectively hindering the movement of dislocations in the matrix and the growth of new grains. The γ' phase was identified in the Ni-alloy type 617–based weld metal. This phase enhanced the creep strength properties of the weld metal during creep tests at all investigated temperatures.

Kľúčové slová

Creep, mikrostrukturní stabilita, svarový spoj Super304H/HR3C, modifikovaná Z-fáze, ε-Cu, Inconel 617

Keywords

Creep, microstructural stability, weld of Super304H/HR3C, modified Z-phase, ε-Cu, 617 alloy

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 25. 3. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 8. 10. 2024
• Vedúci: Vlastimil Vodárek
• Oponent: Petr Mohyla, Rudolf Foret, Peter Horňák

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme:
Materiálové vědy a inženýrství