Omgevingsondersteunde Scheuring in Nikkelgebaseerde Legeringen: Oorzaken, Preventie en Impact

Nikkel (Ni)-gebaseerde legeringen worden gebruikt in sterk corrosieve omgevingen en vaak waar andere metalen — zoals roestvrije stalen — onvoldoende corrosieweerstand hebben. Omdat Ni-gebaseerde legeringen tenderen meer corrosiebestendig te zijn dan roestvrije stalen, vervangen ze vaak roestvrije stalen waar chloriden aanwezig zijn en, gecombineerd met minimale residuele spanningen, Chloride Stress Corrosion Cracking (SCC) van die legeringen kunnen veroorzaken. (Voor meer over dit onderwerp, zie: Chloride Stress Corrosion Cracking van Austenitisch Roestvrij Staal.)

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

Daarnaast geloven velen dat Ni-gebaseerde legeringen ook bestendig zijn tegen omgevingsondersteunde scheuring (EAC). Helaas zijn er echter sommige specifieke omgevingen — gecombineerd met bepaalde microstructuurveranderingen — waar deze legeringen ook vatbaar kunnen zijn voor EAC. (Let op dat de benodigde trekkspanning zowel toegepast als residueel kan zijn.)

Dit artikel belicht de omgevingen waarin verschillende klassen van Ni-gebaseerde legeringen vatbaar zijn voor EAC. Dergelijke scheuring is niet altijd erg gemeenschappelijk; maar als deze omgevingen potentiëel aanwezig zijn, wordt evaluatie van potentiële scheuring via testen — bijvoorbeeld U-buis, C-ring of langzame rek evaluaties — ten zeerste aanbevolen. Het onderscheiden tussen SCC en waterstofembrittlement zal in dit artikel niet gedaan worden.

Omgevingsondersteunde Scheuring in Ni-Gebaseerde Legeringen: De Basisprincipes

Voor aqueous halidesystemen, kan een combinatie van omstandigheden de vatbaarheid van Ni-gebaseerde legeringen voor EAC bevorderen. Deze omvatten:

• Temperaturen boven 205 graden Celsius.
• Hoge chlorideconcentratie.
• Zure omstandigheden.
• Aanwezigheid van oxidiserende soorten.
• Aanwezigheid van waterstofsulfide (H₂S).
• Hoge trekkspanning.

Er zijn twee hoofdclassificaties van Ni-gebaseerde legeringen: hittebestendige en corrosiebestendige. En de laatste categorie bestaat uit drie basistypen:

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

Nieuwe Technieken om Omgevingsondersteunde Scheuring in Ni-Gebaseerde Superlegeringen te Beoordelen

Hoewel langzame rektesten — ook wel dwell fatigue testing genoemd — een maat kunnen geven van de vatbaarheid van een legering voor EAC, biedt het niet altijd voldoende informatie over het scheurmechanisme.

In principe kunnen technieken worden gebruikt om de kraakpuntregio's van vermoeidheidsmonsters te onderzoeken. Mogelijke methoden omvatten transmissie-elektronenmicroscopie gekoppeld met Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXA), nano-schaalse secundaire ionenmassapectrometrie (nano-SIMS) en atoomproef tomografie — die allemaal gebruikt zijn om dit probleem te bestuderen.

Omgevingsondersteunde Scheuring in Ni-Mo Legeringen

De meest voorkomende Ni-Mo legeringen zijn Legering B, Legering B2 en Legering B3. Deze legeringen hebben uitstekende corrosieweerstand in niet-oxidiserende en reducerende zuur omgevingen en zijn getoond om bestendig te zijn tegen Cl-SCC, zoals in kokende magnesiumchloride (MgCl₂) oplossingen.

Legering B2 — en tot een mate Legering B3 — wanneer verhit tot tussen 550 en 850 graden Celsius, verliezen duktiliteit door de vastestofvorming van een geordende intermetallische fase zoals Ni₄Mo. Dergelijke fasen kunnen optreden in de warmtebeïnvloede zone (HAZ) tijdens lassen. Langzame rekonstudies hebben de vatbaarheid van deze legeringen voor scheuring in reducerende zuur condities getoond wanneer warmtebehandeld tot 570 graden Celsius of condities typisch voor lassen.

De mate van scheuring werd toegeschreven aan de vorming van de intermetallische fase en de daaropvolgende waterstof (H₂) embrittlement. Deze studie kan de waargenomen intergranulaire scheuring in Legering B2's HAZ, blootgesteld aan organische oplosmiddelen met sporen van zwavelzuur (H₂SO₄) en transgranulaire scheuring in de aanwezigheid van waterstofjodide (HI) verklaren.

De chemie van de kathodische en anodische oplossingen bij lassen kan de kritieke factor zijn voor EAC. De samenstelling van Legering B3 vertraagt de veroudingsreactie en stelt het in staat om in de as-geweste toestand gebruikt te worden, wat de potentiële EAC kan verminderen.

Omgevingsondersteunde Scheuring in Ni-Cr-Mo Legeringen

Ni-Cr-Mo legeringen zijn de meest veelzijdige Ni-gebaseerde legeringen vanwege de insluiting van molybdeen (Mo) — wat de corrosieweerstand onder reducerende condities kan verhogen — en de aanwezigheid van chroom (Cr) — wat grotere corrosieweerstand onder oxidiserende condities biedt.

Hastelloy C was de eerste legering van deze groep en was de basis voor de ontwikkeling van veel legeringen inclusief Legeringen C276, C4, C22, C-2000, 625, 5923hMo en 686. Wanneer deze legeringen geëerd worden bij temperaturen hoger dan 600 graden Celsius, kan uitvalling van tetraedrisch dicht gepakte fasen optreden, wat hun duktiliteit kan verlagen. De tijd die het duurt voor elke legering om door deze fasen te transformeren varieert; bijvoorbeeld heeft legering C4 een hogere weerstand tegen dergelijke microstructuurveranderingen dan legering C276. EAC vatbaarheid kan ook worden verhoogd door koudvervorming gevolgd door een lage temperatuurbehandeling. Dus deze legeringen kunnen vatbaar zijn voor EAC in omgevingen die H₂S bevatten.

Het is ook gerapporteerd dat Legeringen C276 en 625 intergranulaire scheuring kunnen lijden wanneer blootgesteld aan diverse aqueous oplossingen nabij het kritische punt van water. Scheurgroeiuittredingstesten in zure pekel om kernafval te simuleren voor Legeringen C4, -22 en 625 lijken geassocieerd met tijd — wat, voor dergelijke agressieve en kritische omgevingen, langere termijn testen moet omvatten.

Voor nat-heet waterstoffluoride (HF) — en afhankelijk van temperatuur en HF concentratie — kunnen deze legeringen vatbaar zijn voor EAC. Legeringen die wolfram bevatten, lijken het meest beïnvloed.

Hoge niveaus van Mo in deze legeringen lijken nadelig in hete kaustische omgevingen, met Mo en Cr dealloying. Zo'n mechanisme kan transgranulaire scheuring in Legering C276 bevorderen. De vatbaarheid kan echter ook een functie zijn van de testomstandigheden.

Legering C22 is vatbaar voor EAC in omgevingen die chloride en bicarbonaat (HCO₃) of carbonaat bevatten bij verhoogde temperatuur en onder anodische potentiëlen. Het verlies van Cr uit de oplossing door HCO₃^- in de beschermende oxidelfilm kan de bron van de vatbaarheid zijn.

Omgevingsondersteunde Scheuring in Ni-Cr-Fe-(Mo) Legeringen

Ni-Cr-Fe-(Mo) legeringen omvatten Legering 600, 690, 825, en 800. Ze worden wijd gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen — zoals primaire water reactor omgevingen.

In het bijzonder zijn Legeringen 600 en 690 gevonden om EAC te lijden in zuiver water en kaustisch met vatbaarheid voor scheuring sterk afhankelijk van temperatuur, niveau van trekkspanning, aanwezigheid van H₂ gas, oplossing pH en elektrochemisch potentieel. Metallurgische factoren die scheuring beïnvloeden omvatten de aanwezigheid van kleinere of onzuiverheidselementen, de mate van koudvervorming en warmtebehandeling voor de vorming en locatie van carbiden. Legering 690, met hogere Cr-gehalte, heeft grotere weerstand tegen scheuring dan Legering 600 in deze omgevingen; maar kan nog scheuren.

Het is voorgesteld dat inwaartse diffusie van zuurstof aan korrelgrenzen kan resulteren in de intergranulaire oxidatie van Cr, waar de intergranulaire oxidatie-embrittlement een voorloper is voor de daaropvolgende scheuring. Legering 800 is ook vatbaar voor EAC onder deze condities; maar het mechanisme is anders. Bij 300 graden Celsius en een pH groter dan 10, kunnen ijzer (Fe) en chroom dealloying optreden en leiden tot een film-geïnduceerde scheurmechanisme. De aanwezigheid van lood (Pb) of sulfaatanionen kan de degradatie van Legering 800 in deze omgevingen verergeren.

Legering 825 is meer bestendig tegen Cl-SCC dan de austenitische roestvrije stalen; het is echter nog steeds vatbaar. Legeringen 800 en 825, wanneer verhit tot tussen 400 en 800 graden Celsius, zullen sensibiliseren — wat is Cr-carbiden uittalen in de korrelgrenzen. Als procescondities zodanig zijn dat een sulfide laag zich op het metaaloppervlak vormt, zijn deze legeringen vatbaar voor polythionzuur stress corrosiescheuring. (Voor meer over dit onderwerp, zie: Polythionzuur Stress Corrosiescheuring van Austenitisch Roestvrij Staal.)

Scheurmorfologie in Ni-Gebaseerde Legeringen

EAC scheurmorfologie voor Ni-gebaseerde legeringen kan transgranulair (door het korrel), intergranulair (langs korrelgrenzen) of gemengde modus zijn, met vertakte secundaire scheuring afhankelijk van omgevingscondities zoals temperatuur, aanwezigheid van procesonzuiverheden, proceschemie en microstructuurvariaties. Echter, het bestaan van deze scheuren betekent niet automatisch dat EAC het falingsmechanisme is, aangezien andere mechanismen zoals stressontspanningsscheuring door een intergranulaire modus voortschrijden. (Voor meer over dit onderwerp, zie: Stressontspanningsscheuring, een Vergeten Fenomeen.)

Een gedetailleerde falingsanalyse, inclusief een grondige evaluatie van procescondities en mogelijke testen voor EAC, kan vereist zijn om de exacte falingsmodus te identificeren.