Alles over milieuscheuren in legeringen op nikkelbasis

Op nikkel (Ni) gebaseerde legeringen worden gebruikt in zeer corrosieve omgevingen en vaak waar andere metalen, zoals roestvrij staal, onvoldoende corrosieweerstand hebben. Omdat legeringen op Ni-basis doorgaans corrosiebestendiger zijn dan roestvast staal, vervangen ze vaak roestvast staal waar chloriden aanwezig zijn en kunnen ze, in combinatie met minimale restspanningen, chloridespanningscorrosiescheuren (SCC) van die legeringen veroorzaken. ( Voor meer informatie over dit onderwerp, zie:Chloride Stress Corrosion Cracking of Austenitic Stainless Steel.)

De legering van keuze lijkt legering C276 te zijn, die praktisch immuun is voor SCC.

Bovendien geloven velen dat legeringen op Ni-basis ook bestand zijn tegen door het milieu geassisteerd kraken (EAC). Helaas zijn er echter enkele specifieke omgevingen - in combinatie met bepaalde microstructurele veranderingen - waar deze legeringen ook vatbaar kunnen zijn voor EAC. (Merk op dat de vereiste trekspanning zowel kan worden toegepast als resterend.)

Dit artikel belicht de omgevingen waarin verschillende klassen van op Ni gebaseerde legeringen vatbaar zijn voor EAC. Dergelijk kraken is niet altijd erg gebruikelijk; maar als deze omgevingen mogelijk aanwezig zijn, wordt evaluatie van mogelijke scheurvorming door middel van testen, bijvoorbeeld evaluaties van U-bochten, C-ringen of langzame spanningssnelheden, ten zeerste aanbevolen. Het onderscheid tussen SCC en waterstofbrosheid wordt in dit artikel niet gemaakt.

Milieuondersteund kraken in op Ni-gebaseerde legeringen:de basis

Voor waterige halogenidesystemen kan een combinatie van omstandigheden de gevoeligheid van op Ni gebaseerde legeringen voor EAC bevorderen. Deze omvatten:

• Temperaturen boven 205 graden Celsius.
• Hoge chlorideconcentratie.
• Zure omstandigheden.
• Aanwezigheid van oxiderende soorten.
• Aanwezigheid van waterstofsulfide (H₂ S).
• Hoge trekspanning.

Er zijn twee hoofdclassificaties van op Ni gebaseerde legeringen:hittebestendig en corrosiebestendig. En de laatste categorie bestaat uit drie basistypen:

• Ni-Mo legeringen.
• Ni-Cr-Mo legeringen.
• Ni-Cr-Fe-(Mo) legeringen.

Nieuwe technieken om door het milieu ondersteund kraken in Ni- op basis van superlegeringen

Hoewel testen met een langzame reksnelheid - ook bekend als vermoeiingstests bij stilstand - een maatstaf kan zijn voor de gevoeligheid van een legering voor EAC, geeft het niet altijd voldoende informatie over het scheurmechanisme.

In principe kunnen technieken worden gebruikt om de scheurpuntgebieden van vermoeiingsmonsters te onderzoeken. Mogelijke methoden zijn transmissie-elektronenmicroscopie in combinatie met energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDXA), secundaire ionenmassaspectrometrie op nanoschaal (nano-SIMS) en atoomsondetomografie - die allemaal zijn gebruikt om dit probleem te bestuderen.

Deze studies hebben aangetoond dat de aantasting van het milieu vaak zeer lokaal plaatsvindt op submicronschaal. Het effect van milieuschade op lokale mechanische eigenschappen in het gebied vóór de scheurtip is echter tot nu toe niet onderzocht. Het gebruik van micromechanische testtechnieken kan nu worden toegepast om mechanisch gedrag op submicronschaal te beoordelen. Met behulp van deze tests kunnen we locatiespecifieke metingen doen op een schaal van minder dan een micron; en dit kan een cruciale rol spelen bij het beter begrijpen van scheurmechanismen.

Milieuondersteund kraken in Ni-Mo-legeringen

De meest voorkomende Ni-Mo legeringen zijn Legering B, Legering B2 en Legering B3. Deze legeringen hebben een uitstekende corrosieweerstand in niet-oxiderende en reducerende zure omgevingen en er is aangetoond dat ze bestand zijn tegen Cl-SCC, zoals in kokend magnesiumchloride (MgCl₂ ) oplossingen.

Legering B2 - en tot op zekere hoogte Legering B3 - verliest bij verhitting tot tussen 550 en 850 graden Celsius ductiliteit door de vorming in vaste toestand van een geordende intermetallische fase zoals Ni₄ Mo. Dergelijke fasen kunnen tijdens het lassen optreden in de hittebeïnvloede zone (HAZ). Studies met een lage reksnelheid hebben de gevoeligheid van deze legeringen voor barsten aangetoond bij het verminderen van zure omstandigheden bij warmtebehandeling tot 570 graden Celsius of onder omstandigheden die typisch zijn voor lassen.

De mate van kraken werd toegeschreven aan de vorming van de intermetallische fase en de daaropvolgende waterstof (H₂ ) verbrossing. Deze studie zou de waargenomen intergranulaire scheurvorming in de HAZ van legering B2 kunnen verklaren, blootgesteld aan organische oplosmiddelen die sporen van zwavelzuur bevatten (H₂ SO₄ ) en transgranulair kraken in aanwezigheid van waterstofjodide (HI).

De chemie van de kathodische en anodische oplossingen in de buurt van lassen kan de kritische factor zijn voor EAC. Samenstelling van legering B3 vertraagt ​​de verouderingsreactie en maakt het mogelijk om het in de gelaste toestand te gebruiken, wat het potentieel van EAC kan verminderen.

Milieuondersteund kraken in Ni-Cr-Mo-legeringen

Ni-Cr-Mo-legeringen zijn de meest veelzijdige legeringen op Ni-basis vanwege de opname van molybdeen (Mo) - dat de corrosieweerstand kan verhogen onder reducerende omstandigheden - en de aanwezigheid van chroom (Cr) - dat een grotere corrosieweerstand biedt onder oxiderende omstandigheden .

Hastelloy C was de eerste legering van deze groep en vormde de basis voor de ontwikkeling van vele legeringen, waaronder legeringen C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo en 686. Wanneer deze legeringen worden verouderd bij temperaturen hoger dan 600 graden Celsius, precipitatie van tetraëdrisch gesloten gepakte fasen kan optreden, wat hun ductiliteit kan verminderen. De tijd die elke legering nodig heeft om door deze fasen te transformeren varieert; legering C4 heeft bijvoorbeeld een hogere weerstand tegen dergelijke microstructurele veranderingen dan legering C276. EAC-gevoeligheid kan ook worden verhoogd door koud werk gevolgd door een behandeling bij lage temperatuur. Deze legeringen kunnen dus vatbaar zijn voor EAC in omgevingen die H₂ . bevatten S.

Er is ook gemeld dat legeringen C276 en 625 interkristallijne scheuren kunnen vertonen wanneer ze worden blootgesteld aan verschillende waterige oplossingen nabij het kritieke punt van water. Scheurgroei-uitbreidingstests in zure pekel om nucleair afval te simuleren voor legeringen C4, -22 en 625 lijken geassocieerd te zijn met tijd - die, voor dergelijke agressieve en kritieke omgevingen, testen op langere termijn moeten omvatten.

Voor nat-heet waterstoffluoride (HF) - en afhankelijk van temperatuur en HF-concentratie - kunnen deze legeringen gevoelig zijn voor EAC. Legeringen die wolfraam bevatten lijken het meest getroffen te zijn.

Hoge niveaus van Mo in deze legeringen lijken schadelijk te zijn in hete, bijtende omgevingen, met Mo en Cr-deloying. Een dergelijk mechanisme kan transgranulair kraken in Alloy C276 bevorderen. De gevoeligheid kan echter ook een functie zijn van de testomstandigheden.

Legering C22 is gevoelig voor EAC in omgevingen die chloride en bicarbonaat bevatten (HCO₃ ) of carbonaat bij verhoogde temperatuur en onder anodische potentialen. Het verlies van Cr door de ontbinding door HCO₃ ^- in de beschermende oxidefilm kan de bron van de gevoeligheid zijn.

Milieuondersteund kraken in Ni-Cr-Fe-(Mo) legeringen

Ni-Cr-Fe-(Mo) legeringen omvatten Alloy 600, 690, 825 en 800. Ze worden veel gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals primaire waterreactoromgevingen.

In het bijzonder is gebleken dat legeringen 600 en 690 aan EAC lijden in zuiver water en bijtend met gevoeligheid voor barsten, sterk afhankelijk van temperatuur, niveau van trekspanning, aanwezigheid van H₂ gas, oplossing pH en elektrochemische potentiaal. Metallurgische factoren die scheurvorming beïnvloeden, zijn onder meer de aanwezigheid van kleine of onzuivere elementen, de mate van koudwerk en warmtebehandeling voor de vorming en locatie van carbiden. Legering 690, met een hoger Cr-gehalte, is in deze omgevingen beter bestand tegen scheuren dan Legering 600; maar kan nog steeds kraken.

Er is gesuggereerd dat binnenwaartse diffusie van zuurstof bij korrelgrenzen kan resulteren in de intergranulaire oxidatie van Cr, waarbij de intergranulaire oxidatie brosheid een voorloper is voor het daaropvolgende kraken. Legering 800 is onder deze omstandigheden ook gevoelig voor EAC; maar het mechanisme is anders. Bij 300 graden Celsius en een pH hoger dan 10 kan ijzer (Fe) en chroomdealloying optreden en leiden tot een film-geïnduceerd splitsingsmechanisme. De aanwezigheid van lood (Pb) of sulfaatanionen kan de afbraak van Alloy 800 in deze omgevingen versterken.

Legering 825 is beter bestand tegen Cl-SCC dan de austenitische roestvaste staalsoorten; het is echter nog steeds vatbaar. Legeringen 800 en 825 zullen, wanneer ze worden verwarmd tot tussen 400 en 800 graden Celsius, gevoelig worden, wat neerkomt op Cr-carbiden die neerslaan in de korrelgrenzen. Als de procesomstandigheden zodanig zijn dat er zich een sulfideaanslag op het metaaloppervlak vormt, zijn deze legeringen vatbaar voor spanningscorrosie door polythionzuur. (Voor meer informatie over dit onderwerp, zie:Polythionzuur spanningscorrosiescheuren van austenitisch roestvrij staal.)

Crack-morfologie in op Ni-gebaseerde legeringen

EAC-scheurmorfologie voor op Ni gebaseerde legeringen kan transgranulair (door de korrel), intergranulair (langs korrelgrenzen) of gemengd zijn, met vertakt secundair kraken afhankelijk van omgevingsomstandigheden zoals temperatuur, aanwezigheid van procesonzuiverheden, proceschemie en microstructurele variaties. Het bestaan ​​van deze scheuren betekent echter niet automatisch dat EAC het faalmechanisme is, aangezien andere mechanismen zoals spanningsrelaxatiescheuren zich voortplanten via een intergranulaire modus. (Voor meer informatie over dit onderwerp, zie:Stress-ontspanningskraak, een vergeten fenomeen.)

Een gedetailleerde storingsanalyse, inclusief een grondige evaluatie van procescondities en mogelijke testen voor EAC, kan nodig zijn om de exacte storingsmodus goed te identificeren.